Jaderná energetika ve vesmíru: elektřina pro sondy, kosmické lodě a základny na planetách

Více než půlstoletí se člověk snaží poznat a ovládnout nejbližší okolí mateřské planety Země, prozkoumat Měsíc a vydat se ke vzdálenějším planetám sluneční soustav. Automatické vesmírné sondy obvykle vystačí s menším zdrojem elektřiny, ale dlouhodobý pobyt člověka ve vesmíru vyžaduje podstatně větší výkon velmi spolehlivého zdroje. Tím může být, podobně jako na Zemi, pouze zařízení využívající principů jaderné energetiky.

NASA zvažuje vybudovat jadernou elektrárnu na Měsíci
Americká NASA hledá vhodný zdroj energie pro astronauty, kteří by se měli vrátit na Měsíc do roku 2020. Nové základny na Měsíci navrhuje vybavit jaderným reaktorem (o rozměrech běžného kancelářského koše na papír), který by měl být základem energetického hospodářství. Jde o optimální řešení, protože baterie a palivové články jsou jen krátkodobým řešením a panely přeměňující sluneční záření na elektrický proud mají jen omezenou použitelnost (měsíční noc trvá 354 hodin).

NASA navrhuje vybudovat miniaturní jadernou elektrárnu se štěpným procesem, nazvanou FSP (Fission Surface Power). Obsahuje jaderný reaktor uložený pod povrchem Měsíce, který by vyráběl dostatek tepla a poháněl generátor elektrické energie. Jeho výkon 40 kW by byl dostatečný pro potřeby čtyř astronautů a jejich obydlí, pro získání dostatku kyslíku z měsíčních hornin a pro pohon lunárního vozidla. Jde o stejnou kapacitu, která na Zemi obvykle stačí k pokrytí potřeb osmi amerických domácností.

Malá jaderná elektrárna FSP může elektřinu potřebnou pro astronauty vyrábět nejen na Měsíci, ale i na dalších tělesech patřících do sluneční soustavy. Prototyp takové elektrárny má být připraven do pěti let. NASA jej připravuje ve svém výzkumném centru v Clevelandu (Glenn Research Center, Ohio). Navazuje přitom na starší obdobné projekty, které se zabývaly využitím jaderné energie pro výpravy kosmických lodí s lidskou posádkou, například při zkoumání Marsu nebo měsíců planety Jupiter. V příštích letech vynaloží na nový projekt 10 miliónů dolarů ročně.

Reaktor se schová pod povrch
Malý jaderný reaktor bude dopraven na povrch Měsíce prázdný, palivo dostane až po vybudování celé elektrárny. NASA předpokládá, že reaktor schová pod povrch, měsíční horniny tak budou tvořit část jeho ochranné obálky.

NASA již také pro tyto účely uzavřela dva kontrakty na vývoj a výrobu potřebných zařízení, která by převedla tepelnou energii získanou pomocí štěpné jaderné reakce na elektrickou energii. Společnost Sunpower Inc. (Athens, Ohio) dodá systém s dvěma pístovými motory spojenými s alternátory na principu Stirlingova motoru o celkovém výkonu 12 kW. Firma Barber Nichols Inc. (Arvada, Colorado) vyvine další jednotku obsahující vysokorychlostní turbínu a kompresor na společném hřídeli s alternátorem (Braytonův motor). I tato jednotka má mít výkon 12 kW. Obecně se při přeměně jaderné energie na elektrickou počítá s větším uplatněním principu Braytonova motoru, kterému se přisuzuje větší spolehlivost.

Tvůrci projektu se při stavbě malých kompaktních systémů musejí vypořádat s mimořádně těžkými podmínkami. Především je třeba vybrat takové materiály, které by odolaly obrovským teplotním výkyvům a intenzivnímu záření kosmických paprsků. Nicméně podobně jako na Zemi má jaderná energetika ve srovnání například se slunečními panely velkou přednost v plynulé a nepřerušované dodávce elektřiny. Noc na Měsíci je extrémně dlouhá – 354 hodin, souputník Země se totiž otočí jednou za 29,5 dne. Na Marsu trvá noc sice jen 12 hodin, ale intenzita dopadající sluneční energie dosahuje pouze 20 procent hodnot obvyklých na povrchu Měsíce.

Rychlý reaktor umožní dlouhodobé pobyty výzkumníků
Uskuteční-li se plány na návrat člověka na Měsíc, budou zde lidé chtít pracovat a žít po stále delší dobu. Energetické nároky takových základen budou stále větší. Proto se připravuje i projekt s variantou rychlého reaktoru. Má označení RAPID-L a je odvozen od koncepce Rychlého reaktoru RAPID (Refuelling by All Pins Integrated Design). Jeho velkou výhodou je rychlá a jednoduchá výměna paliva.

Tepelný výkon reaktoru RAPID-L má být 5000 kW, hrubý elektrický výkon 240 kW, čistý elektrický výkon 200 kW. Palivem bude obohacený nitrid uranu a jako chladivo poslouží lithium. Reaktorová nádoba o průměru 2 m a výšce 6,5 m bude také ukryta pod povrchem Měsíce. Palivový soubor s 2 700 palivovými tabletami je umístěn v jakési „maxinábojnici.

Reaktor nemá regulační tyče. Místo nich používá tři moduly pro regulaci reaktivity. Může pracovat automaticky bez výměny paliva až deset let. Je projektován tak, aby splnil bezpečnostní a provozní podmínky práce na povrchu Měsíce. Jeho provoz nevyžaduje kvalifikovanou obsluhu. Okolo reaktoru jsou čtyři tepelné výměníky (segmenty pro přeměnu energie), každý segment má smyčku pro odvod tepla propojenou s radiátory. Osm radiátorových panelů je uspořádáno kolem tepelných výměníků, celková plocha radiátorů je 240 m2. Každý segment je složen z 18 termoelektrických modulů, které jsou vybaveny polovodiči SiGe.

Palivo se bude vyměňovat každých deset let. Koncepce reaktoru RAPID-L umožňuje rychlou a snadnou výměnu paliva již po dvou týdnech po odstavení reaktoru, kdy rozpadové teplo aktivní zóny je 10 kW. Při výměně je celá „maxinábojnice“ obsahující integrovaný palivový soubor s lithiem vyzvednuta z reaktorové nádoby a uložena do skladovacího kontejneru, který rovněž obsahuje lithium. Po uložení vyhořelého paliva do skladovacího kontejneru je na něj umístěn radiátor pro odvod tepla. Kompletní skladovací kontejner je umístěn do vyhloubené válcové dutiny.

I když je reaktor RAPID-L vyvíjen pro aplikace na Měsíci, může být použit i na Zemi – v městských oblastech vyspělých zemí pro výpomoc ve špičkách, nebo v rozvojových zemích v oblastech vzdálených od elektrických sítí, nebo tam, kde je ekonomicky výhodné zajistit místní výrobní kapacity. Může být využit i pro odsolování mořské vody.

Na oběžných drahách i na hranicích sluneční soustavy
Nejčastěji se jaderná energie využívala v kosmických zařízení v podobě radioizotopových zdrojů. Jejich první vývoj se uskutečnil v USA již v polovině 50. let 20. století. Šlo hlavně o radioizotopové zdroje, které uvolňují teplo rozpadem radioaktivních jader. Následně lze pak tepelnou energii přeměnit na elektrickou. Nejčastěji se k tomu používají radioizotopové termoelektrické generátory (Radioisotope Thermoelectric Generator – RTG). Využívá se přitom Seebeckova jevu, kdy rozdíl teplot mezi dvěma spoji dvou různých kovů vyvolá na koncích vodičů napětí, jehož velikost je přímo úměrná tepelnému rozdílu. Německý vědec Thomas Johann Seebeck přišel s tímto objevem již v roce 1821. Dnes se k získání elektřiny tímto způsobem používají spíše polovodičové materiály, například Bi2Te3, PbTe a SiGe, nebo i BiSb a FeSi2, s horkým koncem 1000 °C a studeným koncem 300 °C. S těmito materiály se dosahuje účinnosti mezi 5 až 10 procenty.

Základem návrhu je vybrat vhodný radioizotop, jehož poločas rozpadu je dostatečně dlouhý, aby zdroj pracoval dostatečně dlouhou dobu a jeho výkon příliš rychle neklesal. Nesmí však být příliš dlouhý, aby měrná aktivita zdroje nebyla příliš nízká (jinak by totiž nešlo dosáhnout potřebného výkonu). Nejčastěji se v umělých kosmických objektech používá radioizotop plutonia 238Pu ve formě oxidu plutoničitého 238PuO2 s velmi výhodným poločasem rozpadu 87,7 roku. Při přeměně se vyzařují částice alfa, jejichž kinetická energie se přemění v teplo.

Výhody radioizotopových zdrojů ve srovnání s ostatními typy zdrojů elektřiny jsou nesporné. Dokážou po dlouhou dobu udržet potřebný elektrický výkon, například u sondy Galileo je to zhruba 500 W. Pro srovnání: plocha slunečních fotovoltaických baterií srovnatelného výkonu by musela být velmi velká, v tomto případě až 150 m2, a ještě by sonda musela mít vysoce účinné zařízení pro neustálé natáčení jejich polohy vůči Slunci. Dosavadní modely radioizotopových zdrojů se velmi úspěšně používaly na mnoha vesmírných zařízeních. Bylo tomu například na sondách Voyger, které se po průletu okolo velkých planet stále vzdalují od Slunce, nebo na sondě Cassini, která úspěšně zkoumá okolí Saturnu. Je jimi vybavena i sonda New Horizons, která směřuje na okraj sluneční soustavy k Plutu a Charonu.

Jaderný pohon vozidla na Marsu
Nová kosmická zařízení budou již vybavena pokročilejšími typy radioizotopových zdrojů s označením MMRTG (Multi-mission RTG). Elektřina se v nich vyrábí prostřednictvím termoelektrického jevu s využitím polovodičů na bázi sloučenin teluru. MMRG má mít osm modulů, každý se čtyřmi tabletami plutonia, s celkovým tepelným výkonem 2 kW, který se přemění na 100 W elektrického výkonu.
Poprvé mají být použity u automatického vozidla, které má zkoumat povrch Marsu. Bude na něm umístěna laboratoř, která má zpracovávat analýzy a předávat je na Zemi. Raketa s vozidlem a laboratoří měla být vypuštěna již koncem roku 2009, začátkem prosince 2008 ale NASA rozhodla, že start přesune až na rok 2011. Získá se tak dostatek času na lepší přípravu vozidla a pojízdné laboratoře.

Další připravovaná varianta radioizotopových zdrojů využije k přeměně tepelné energie z rozpadu plutonia na elektrickou Stirlingova motoru. Navrhovaný SRG (Stirling Radioisotope Generator) má vyšší účinnost (20 procent), při stejném elektrickém výkonu tedy bude potřeba jen čtvrtina plutonia. Celková hmotnost bude nižší. Tepelný výkon navrhovaného zdroje s dvěma moduly je 500 W, elektrický kolem 125 W.