Jadrové štiepne reaktory (teda nie rádioizotopové generátory ako RTG, ale skutočné reaktory na báze jadrového štiepenia) boli v kozmickom prieskume používané od 60. rokov 20. storočia, predovšetkým na zabezpečenie stabilnej energie pre satelity a sondy v podmienkach, kde solárna energia nestačí.
Hlavnými hráčmi boli USA a ZSSR (neskôr Rusko), pričom ZSSR ich nasadilo výrazne viac – celkovo okolo 34 reaktorov. Myšlienka vytvorenia jadrových elektrární pre vesmír bola spojená so Studenou vojnou a pretekami v zbrojení medzi USA a ZSSR. Spojené štáty sa snažili realizovať svoju Strategickú obrannú iniciatívu vo vesmíre a Sovietsky zväz sa snažil situáciu vyvážiť. Práve v tomto čase sa v celej svojej kráse objavil problém kompaktných resp. objemných palubných zdrojov energie na riešenie vážnych problémov vo vesmíre.
Námorný prieskum oboch krajín (a nielen ich) potreboval jasné snímky z vesmíru. Rozlíšenie radarového obrazu je nepriamo úmerné druhej mocnine vzdialenosti k objektu – čím väčšia je vzdialenosť, tým horší je obraz. Takže potom sa požadované rozlíšenie dosahovalo hardvérom, prostredníctvom elektroniky. A s tým boli ťažkosti. Vesmír je mimoriadne nepríjemné prostredie pre jemnú elektroniku s ultračistými materiálmi. Častice s vysokou energiou, kozmické žiarenie, poškodzovali a rýchlo vyraďovali zariadenia z prevádzky. Nedostatky obrazu by sa dali čiastočne kompenzovať použitím výkonnejšieho zdroja energie pre radar. Vedci navrhli ultrakompaktný, spoľahlivý a predovšetkým energeticky najnáročnejší a najvýkonnejší zo všetkých dnes známych – jadrový štiepny reaktor, špeciálne navrhnutý na prevádzku v podmienkach hlbokého vesmírneho vákua a mikrogravitácie. USA mali len jeden letový test, zvyšok boli pozemné testy alebo zrušené projekty. Francúzsko a iné krajiny mali len teoretické alebo vývojové programy bez letov. História je charakterizovaná studenou vojnou, kedy išlo o vojenské a prieskumné aplikácie (napr. radarové satelity), a neskôr o plány na pohon pre hlboký vesmír. Technicky sa reaktory delia na typy podľa paliva (väčšinou obohatený urán), chladenia (napr. NaK – sodík-draslík), moderátora (napr. ZrH) a konverzie energie (termoelektrická alebo termionická). Väčšina produkovala elektrinu v rádoch kW, s hmotnosťou od stoviek kg.
Prehľad – kedy, kto, typ a technické detaily:
“Jadrový vesmír” sa začal s Američanmi. 3. apríla 1965 vypustili SNAP-10A.
Bol to prvý vesmírny jadrový štiepny reaktor a zároveň prvá – a jediná – americká jadrová elektráreň vo vesmíre. SNAP-10A mal kapacitu 500 W s hmotnosťou 435 kg a pracoval na obežnej dráhe blízko Zeme 43 dní.
Neskôr sa americký vesmírny program úplne preorientoval na RTG – rádioizotopové termoelektrické generátory. Prevádzka týchto zariadení je založená na využití energie zo spontánneho rozpadu ťažkých jadier.
Aj Sovieti vypustili v tom istom roku kozmickú loď. Bola ešte bez jadrovej elektrárne, s chemickým zdrojom prúdu. Prvky “kozmickej” jadrovej elektrárne testovali zatiaľ na zemi a spočiatku sa snažili (vo vesmíre) otestovať iba hlavný systém, teda palubný komplex s radarom schopným globálne monitorovať vody Svetového oceánu. Podarilo sa im to - časť ktorú oni nazývali „užitočné zaťaženie“ bola odladená. Prvým sovietskym satelitom s termoelektrickou jadrovou elektrárňou bola vypustená na obežnú dráhu blízkej Zeme v októbri 1970 – nazvali ju BES-5 BUK.
Obsahovala rýchly neutrónový reaktor s tepelným výkonom 80 kW a dvojsekčný termoelektrický generátor s celkovým elektrickým výkonom približne 5 kW. Hmotnosť celej inštalácie spolu s tieňovou ochranou prístrojového priestoru bola približne 1 tona, rozmery 4,5 m na dĺžku, 1,2 m v priemere. Bola umiestnená v prove lode.
1965 - USA (Atomics International, pre USAF/DoE) – typ reaktora SNAP-10A – Misia SNAP-10A satelit – technické detaily - 45 kWt tepla, 0,65 kWe elektriny; palivo UZrH (obohatený U-235), chladenie NaK, moderátor ZrH, termo-elektrická konverzia; hmotnosť 435 kg; prevádzka 43 dní (zlyhanie regulátora napätia), je stále na orbite; jediný US štiepny reaktor v kozme.
1967–1988 - ZSSR (Výskumný ústav Keldyša) - BES-5 (tiež Buk) – Misia RORSAT program (cca 31 satelitov Cosmos, napr. Cosmos-954) – Technické detaily - Menej ako 100 kWt tepla, menej ako 5 kWe elektriny; palivo U-Mo (obohatený U-235), chladenie NaK, rýchly neutrónový spektrum; hmotnosť <390 kg; prevádzka do 4 mesiacov; incidenty: úniky chladiva (celkovo 85 kg NaK z 16 reaktorov), re-entry Cosmos-954 v 1978 nad Kanadou s rádioaktívnym odpadom; použité na radarové prieskumné satelity.
Technické detaily reaktora BES-5
BES-5 (tiež známy ako "Buk" alebo "Bouquet") bol sovietsky jadrový štiepny reaktor navrhnutý pre vesmírne aplikácie, špecificky pre satelity RORSAT. Bol vyvinutý v 60. rokoch vo Výskumnom Centre Keldyša a používaný v asi 31 misiách od 1967 do 1988! Bol to rýchly neutrónový reaktor (fast neutron spectrum), optimalizovaný pre kompaktnosť a vysokú energetickú hustotu vo vesmíre.
Kľúčové technické špecifikácie BES-5:
Typ a princíp: Rýchly reaktor na báze štiepenia uránu-235, bez moderátora (neutróny neboli spomaľované). Teplo zo štiepenia sa premieňalo na elektrinu cez termoelektrické konvertory (napr. na báze Si-Ge), čo dosahovalo efektivitu okolo 5–10%.
Palivo a jadro: Palivo tvorilo 31–44 kg vysoko obohateného uránu-235 (až 90% obohatenie) v zliatine U-Mo (urán-molybdén). Bolo formované do tyčí alebo diskov, obalených uhlíkom pre ochranu. Jadro malo vysokú hustotu – schopné produkovať až 100 kWt tepla (termálny výkon), čo sa premieňalo na 3–5 kWe elektriny pre satelitné radary. Prevádzková teplota jadra bola okolo 700–900°C.
Chladenie a systémy: Chladený kvapalinou NaK (eutektikum sodíka a draslíka, 78% K + 22% Na), ktoré cirkulovalo v uzavretom okruhu. NaK bol vybraný pre nízky bod tuhnutia (-12°C) a dobrú tepelnú vodivosť, ideálne pre vesmír. Teplo sa odvádzalo cez radiátory na satelite. Reaktor mal bezpečnostný systém na vypustenie jadra do vyššej orbity po skončení misie (čo zlyhalo pri Cosmos-954).
Rozmery a hmotnosť: Kompaktný dizajn – hmotnosť menej ako 390 kg, veľkosť asi ako malý valec (okolo 1 m vysoký). Celý systém vrátane radiátorov bol navrhnutý pre orbitu 250–300 km, s prevádzkou do 4–6 mesiacov (hoci niektoré vydržali dlhšie).
Výhody a problémy: Bol spoľahlivý pre krátkodobé misie v tme vesmíru, kde solárne panely nestačili. Avšak, problémy zahŕňali úniky NaK (čo vytváralo orbitálny debris) a riziko re-entry, ako pri Cosmos-954. Po incidente bol BES-5 nahradený pokročilejšími typmi ako TOPAZ.
1960-te roky (testy) - ZSSR – typ reaktora Romaška - Žiadna vesmírna misia (len pozemné testy) – technické detaily - 40 kWt tepla, 0,8 kWe elektriny; palivo uránový karbid, bez chladenia (priame termo-elektrické), rýchly spektrum; hmotnosť 455 kg; teplota jadra 1900°C; predchodca neskorších typov.
Po reaktore BUK prišiel TOPAZ. Bol to veľmi zaujímavý a nádejný projekt. Tu bol už každý palivový prvok aktívnej zóny tohto reaktora súčasne elektrickým generátorom vstavaného termionického meniča tepelnej energie na elektrickú energiu. V tejto inštalácii je jeden obvod hlavný a druhý je otvorený. Princíp fungovania termionického meniča je podobný zariadeniu pre elektrónovú diódu v generátorovom režime: katóda vyrobená z molybdénu s volfrámovým povlakom, zahriata na vysokú teplotu, odparuje elektróny, ktoré po prekonaní medzielektródovej medzery vyplnenej céziovou plazmou pod nízkym tlakom kondenzujú na anóde. Elektrický obvod je uzavretý cez záťaž. Dva TOPAZy boli testované vo vesmíre na palube zariadenia Plazma-A. Všetko prebehlo dobre, ale to bolo tesne pred medzinárodným zákazom využívania jadrovej energie na nízkych obežných dráhach.
Navyše bol vyvinutý bol aj reaktor-konvertor “Jenisej”, v ktorého aktívnej zóne sa nenachádzali palivové články, ale integrované kanály na výrobu elektriny. Mal fungovať ako súčasť satelitu priameho televízneho vysielania Ekran-AM, ale do vesmíru sa nikdy nedostal a projekt bol ukončený.
1987 – ZSSR – typ reaktora TOPAZ-1 - misia Cosmos-1818 a Cosmos-1867 – technické detaily - 150 kWt tepla, 5–10 kWe elektriny; palivo UO2 (obohatený U-235), chladenie NaK, termálne spektrum; hmotnosť 320 kg; termionická konverzia s céziovou parou; prevádzka 6 mesiacov až 1 rok; incident: interferencia s gamma observatóriami (pozitróny zo štiepenia).
1990-te roky (testy) - ZSSR/Rusko (spolupráca s USA v TIP) – typ reaktora TOPAZ-2 - Žiadna vesmírna misia (len pozemné testy v USA) – technické detaily - 135 kWt tepla, min. 6 kWe elektriny; palivo UO2 (96% obohatený), moderátor ZrH, chladenie NaK; hmotnosť 1061 kg; termionická konverzia; navrhnuté na >3 roky prevádzky.
TOPAZ bol tak úspešný projekt, že USA od Ruska (resp. bývalého ZSSR) šesť jadrových reaktorov TOPAZ-II.
Nakoniec ich však vo vesmírnych misiách nikdy nepoužili.
Pozadie kúpy TOPAZ-II
Kedy a prečo USA kúpili TOPAZ-II: V rokoch 1989–1992, po rozpade ZSSR, Sovietsky zväz (neskôr Rusko) ponúkol svoje pokročilé vesmírne jadrové technológie na predaj, aby získal finančné prostriedky a podporil technologickú spoluprácu s USA. TOPAZ-II bol kompaktný termionický reaktor, ktorý vyvinul Kurchatov inštitút a Krasnaya Zvezda, navrhnutý na pohon satelitov alebo potenciálne lunárnych základní. USA videli príležitosť, pretože ich vlastný program SP-100 (jadrový reaktor pre vesmír) bol zaostávajúci, nad rozpočet a technicky náročný.
V roku 1992 Strategic Defense Initiative Organization (SDIO, neskôr Ballistic Missile Defense Organization) kúpila šesť reaktorov TOPAZ-II za približne 13 miliónov dolárov, s cieľom ich testovania a potenciálneho použitia v rámci programu Nuclear Electric Propulsion Space Test Program (NEPSTP).
Prečo bol TOPAZ-II atraktívny: Reaktor bol pokročilý – mal výkon 6 kWe elektriny (135 kWt tepla), používal 96% obohatené UO₂ palivo, termionickú konverziu energie s céziovou parou, chladenie NaK (sodík-draslík) a moderátor ZrH (zirkónium-hydrid). Váha cca 1061 kg a dizajn na 3+ roky prevádzky ho robili ideálnym pre dlhodobé vesmírne misie. Navyše, jeho cena bola zlomkom nákladov na vývoj SP-100 (odhadovaných na stovky miliónov dolárov). USA plánovali reaktor testovať na Zemi a potenciálne ho použiť na satelitnú misiu v roku 1995 alebo ako zdroj energie pre lunárne základne.
Dôvody, prečo USA TOPAZ-II nepoužili
Napriek počiatočnému nadšeniu a úspešným pozemným testom (napr. v Albuquerque, Nové Mexiko, kde spolupracovali ruskí a americkí vedci), USA TOPAZ-II nikdy nepoužili vo vesmírnej misii. Hlavné dôvody boli:
1. Byrokratické a právne prekážky:
o Regulačné problémy: Keď Sovieti priniesli model TOPAZ-II na vedeckú konferenciu v Albuquerque v roku 1991, americká Nuclear Regulatory Commission (NRC) ho pokladala za "export" jadrovej technológie, hoci bol sovietsky a len demonštračný. Trvalo mesiac, kým sa situácia vyriešila novým rozhodnutím NRC. Tieto byrokratické zdržania spomalili proces.
o Schválenie ministerstvom zahraničia: Americké ministerstvo zahraničia (Department of State) spočiatku zablokovalo dohodu z obavy, že nákup by podporil ruský vojenský výskum. Až zásah ministra Jamesa Bakera umožnil pokračovanie.
o Pomalé schvaľovanie DoE: Department of Energy (DoE) váhalo s udelením bezpečnostných povolení, čo ďalej oddialilo plánovanie letových testov.
2. Politické a rozpočtové obmedzenia:
o Zmena priorít: Po skončení studenej vojny (1991) sa rozpočet SDIO/DoD znížil, a program NEPSTP čelil rozpočtovým škrtom. V roku 1993 boli finančné prostriedky na vesmírne jadrové programy obmedzené, čo viedlo k zrušeniu plánovaného letového testu v roku 1995.
o Zrušenie SP-100: Americký vlastný program SP-100, ktorý mal konkurovať TOPAZ-II, bol zrušený v roku 1994 pre vysoké náklady a technické problémy. To oslabilo politickú podporu pre akékoľvek vesmírne jadrové projekty, vrátane TOPAZ-II.
3. Protinukleárne nálady a vedecké obavy:
o Verejná opozícia: Po incidente s Cosmos-954 (1978), kde sovietsky reaktor znečistil Kanadu, boli verejnosť a aktivisti skeptickí voči jadrovým reaktorom vo vesmíre. Obavy z možnej havárie (ako pri rakete Challenger v 1986) a potenciálneho znečistenia Zeme pri štarte alebo re-entry boli významné.
o Vedecké protesty: Astronómovia (napr. John A. Simpson) varovali, že jadrové reaktory na nízkej orbite môžu produkovať gama žiarenie a pozitróny, ktoré by rušili citlivé prístroje, ako gama teleskopy. Tieto obavy boli založené na skúsenostiach s reaktormi TOPAZ-I na satelitoch Cosmos-1818 a 1867.
4. Technické a strategické faktory:
o Odlišný dizajn: TOPAZ-II mal pozitívny teplotný koeficient reaktivity (reaktor sa zrýchľoval pri vyšších teplotách), čo bolo v rozpore s americkými bezpečnostnými normami, ktoré preferovali negatívny koeficient pre väčšiu kontrolu. To znížilo záujem Pentagónu o priame použitie TOPAZ-II.
o Zmena zamerania: USA sa v 90. rokoch zamerali na iné technológie (napr. solárne panely a rádioizotopové generátory – RTG) a neskôr na nové projekty ako Kilopower, ktoré boli považované za bezpečnejšie a menej kontroverzné.
5. Úspešné testy, ale bez pokračovania: Šesť reaktorov TOPAZ-II bolo dopravených do USA (prvé dva v roku 1992, ďalšie štyri v 1994) a testovaných na Univerzite Nového Mexika a v Los Alamos National Laboratory. Testy (bez paliva, s elektrickými ohrievačmi) boli úspešné a ukázali spoľahlivosť dizajnu. Napriek tomu rozpočtové škrty a nedostatok politickej vôle zastavili plány na letový test.
Kde sú reaktory TOPAZ-II dnes?
Reaktory TOPAZ-II, ktoré USA kúpili, neboli nikdy použité vo vesmíre a zostali na Zemi. Pravdepodobne sú uskladnené v bezpečných zariadeniach v USA (napr. v Los Alamos alebo Sandia National Laboratories), hoci presné miesto nie je verejne známe. Neobsahovali palivo (to bolo dodané samostatne), takže riziko radiácie bolo minimálne. Niektorí odborníci (napr. Nick Touran) špekulujú, či by ich bolo možné "oprášiť" pre budúce misie, no od 90. rokov sa o ich použití nehovorilo. USA kúpili TOPAZ-II kvôli jeho pokročilému dizajnu a nízkej cene v porovnaní s domácim SP-100. No kvôli byrokratickým prekážkam, rozpočtovým škrtom, protinukleárnym náladám, vedeckým obavám a odlišným bezpečnostným štandardom ho nikdy nepoužili. Incident s Cosmos-954 a obavy z podobných havárií len posilnili opozíciu. Namiesto toho sa USA zamerali na iné technológie a neskôr na nové projekty ako Kilopower.
1983–1994 - USA (NASA/DoE/GE) – typ reaktora SP-100 - Žiadna vesmírna misia (zrušený projekt) - 2 MWt tepla, do 100 kWe elektriny; palivo uránový nitrid, chladenie lítium, rýchly spektrum; hmotnosť 5422 kg; plánovaný pre dlhodobé misie, zrušený pre politické dôvody.
Technické rozdiely medzi TOPAZ-II (ruský/sovietsky dizajn) a SP-100 (americký program).
Oba reaktory boli vyvinuté pre vesmírne aplikácie, ako je napájanie satelitov alebo základní, ale ich dizajny odrážajú odlišné prístupy k technológii, bezpečnosti a škálovateľnosti. TOPAZ-II bol pokročilejší v termionickej konverzii a kompaktnosti, zatiaľ čo SP-100 sa zameriaval na vyšší výkon a široké misie, no čelil problémom s nákladmi a vývojom.
Kľúčové porovnania - rozdiely sú v oblastiach ako typ konverzie energie, palivo, chladenie, výkon, hmotnosť, efektivita, životnosť a bezpečnosť.
Typ reaktora
TOPAZ-II (Rusko/ZSSR) - Termionický reaktor s Thermionic Fuel Elements (TFE) – in-core, single-cell dizajn (termionické bunky okolo palivových tyčí). SP-100 (USA) - Rýchly neutrónový reaktor (fast spectrum) s termoelektrickým alebo dynamickým konvertorom (napr. Brayton cyklus). Kľúčový rozdiel - TOPAZ-II používa priamu termionickú konverziu bez pohyblivých častí (cez céziovú paru), čo je jednoduchšie a kompaktnejšie; SP-100 sa spolieha na termoelektrickú konverziu alebo turbíny, čo umožňuje vyššiu škálovateľnosť, ale pridáva komplexitu.
Jadrové palivo
TOPAZ-II - UO₂ (uránový oxid) v anularných tyčiach, vysoko obohatený U-235 (93–96%, asi 27 kg HEU). SP-100 - Uránový nitrid (UN), vysoko obohatený U-235 (HEU), navrhnutý pre dlhšiu životnosť a stabilitu. Kľúčový rozdiel - TOPAZ-II má palivo v 37 tyčiach s termionickými bunkami okolo nich; SP-100 používa palivo optimalizované pre rýchle neutróny bez moderátora, čo zvyšuje efektivitu, ale zvyšuje riziko pri re-entry.
Chladenie
TOPAZ-II – Kvapalný kov NaK (eutektikum sodíka a draslíka), pumpovaný elektromagneticky – nízky bod tuhnutia (-12°C), dobrá tepelná vodivosť. SP-100 – Lítium (Li) ako kvapalný kov, s vysokou tepelnou kapacitou pre vyšší výkon. Kľúčový rozdiel – NaK v TOPAZ-II je bezpečnejšie pre vesmír (menej korozívne), ale môže unikať (ako v starších modeloch); Li v SP-100 umožňuje vyššie teploty, ale vyžaduje pokročilejšie materiály proti korózii.
Výkon
TOPAZ-II – Tepelný: 115–135 kWt; Elektrický: 5–10 kWe (max. 6 kWe nominálne). SP-100 – Tepelný: 2 MWt; Elektrický: 100 kWe (škálovateľný od 5 kWe do 1 MWe). Kľúčový rozdiel - SP-100 má výrazne vyšší výkon pre náročné misie (napr. základne na Mesiaci/Marse); TOPAZ-II je vhodný pre menšie satelity, ale menej škálovateľný.
Hmotnosť
TOPAZ-II – Približne 1061 kg (kompaktný dizajn). SP-100 – Asi 5422 kg (väčší a robustnejší). Kľúčový rozdiel - TOPAZ-II je ľahší a kompaktnejší, ideálny pre vesmírne štarty; SP-100 je ťažší kvôli škálovateľnosti a bezpečnostným systémom.
Efektivita
TOPAZ-II – Asi 5–6% (termionická konverzia). SP-100 – Vyššia, asi 10–20% (termoelektrická alebo dynamická konverzia). Kľúčový rozdiel - SP-100 je efektívnejší vďaka pokročilejšiemu cyklu; TOPAZ-II obetuje efektivitu za jednoduchosť (bez turbín alebo tekutín na konverziu).
Životnosť
TOPAZ-II – 3+ roky (testované na viac ako 3 roky). SP-100 – 7–10 rokov (navrhnuté pre dlhodobé misie). Kľúčový rozdiel - SP-100 má dlhšiu životnosť kvôli robustnejšiemu dizajnu; TOPAZ-II je optimalizovaný pre kratšie, ale spoľahlivé operácie.
Bezpečnosť
TOPAZ-II – Subkritický pri štartových nehodách, anticriticality zariadenie (palivo mimo jadra do dosiahnutia orbity); neistoty pri uvoľnení paliva pri re-entry, žiadna požiadavka na "cold re-entry". SP-100 – Zostáva štrukturálne neporušený pri re-entry pre ľahké získanie; interlocks proti štartu až po orbite, subkritický pri všetkých nehodách, založené na ponaučeniach z SNAP. Kľúčový rozdiel - SP-100 má prísnejšie bezpečnostné opatrenia na re-entry (intaktnosť, minimalizácia znečistenia); TOPAZ-II sa spolieha na orbitálne oddelenie, ale mal problémy s únikmi (ako v predchodcoch).
Aplikácie
TOPAZ-II – Vysoká Zemská orbita (HEO), satelity (predchodca pre radarové misie). SP-100 – Nízka Zemská orbita (LEO), HEO, hlboký vesmír, povrchové misie (Mesiac/Mars). Kľúčový rozdiel - SP-100 je univerzálnejší pre rôzne misie; TOPAZ-II špecializovaný na orbitálne aplikácie.
Ďalšie poznámky k rozdielom:
Vývojové filozofie: TOPAZ-II bol postavený na skúsenostiach z predchodcov (TOPAZ-I, BES-5) s dôrazom na rýchly vývoj a spoluprácu (USA ho testovali bez jadra). SP-100 bol ambiciózny, ale prekročil rozpočet (stovky miliónov USD) a bol zrušený v prospech iných technológií.
Testovanie: TOPAZ-II mal 26 vyrobených jednotiek, testovaných na Zemi (elektricky ohriate); SP-100 mal len pozemné testy, bez letu.
Výhody/nevýhody: TOPAZ-II bol lacnejší a jednoduchší, ale menej výkonný; SP-100 ponúkal vyšší výkon, no s vyššími rizikami a nákladmi.
2012+ - USA (NASA/DoE) – typ reaktora Kilopower/KRUSTY - Pozemné testy (DUFF v 2012); plány na Mesiac/Mars – technické detaily - 1–10 kWe elektriny; palivo vysoko obohatený urán, chladenie teplotnými rúrkami; Stirling konverzia; hmotnosť do 1500 kg; testovaný v 2018, navrhnuté na 10 rokov; súčasť Artemis programu.
Je Kilopower lepší projekt? V čom a prečo?
Výhody Kilopower
Kilopower je považovaný za „lepší“ projekt v kontexte moderných vesmírnych misií (najmä pre Mesiac a Mars) z nasledujúcich dôvodov:
1. Pasívna bezpečnosť a jednoduchosť:
o Teplotné rúrky: Kilopower používa sodíkové teplotné rúrky, ktoré pasívne prenášajú teplo bez potreby čerpadiel, čím eliminujú riziko únikov chladiva (ako NaK v TOPAZ-II). Tento dizajn znižuje pohyblivé časti a zvyšuje spoľahlivosť.
o Subkritický dizajn: Reaktor je subkritický pri štarte a aktivuje sa až na orbite/povrchu, čo minimalizuje riziko nehôd pri štarte (lekcia z Cosmos-954). Tienenie (LiH/volfrám) je robustné a optimalizované pre povrchové misie.
o Porovnanie: TOPAZ-II mal riziko únikov NaK (ako v predchodcoch BES-5), SP-100 používal lítium, ktoré je korozívnejšie a vyžaduje zložitejšie systémy.
2. Vysoká efektivita a škálovateľnosť:
o Stirlingova konverzia: Kilopower dosahuje 20–30% efektivitu pomocou Stirlingových motorov, čo je výrazne vyššie ako 5–6% TOPAZ-II (termionická) alebo 10–20% SP-100 (termoelektrická/Brayton). To znamená viac elektriny z menej paliva.
o Škálovateľnosť: Kilopower je navrhnutý pre 1–10 kWe, vhodný pre malé rovery až po lunárne základne. SP-100 bol príliš veľký (100 kWe), TOPAZ-II menej flexibilný (5–10 kWe).
3. Nižšie náklady a rýchly vývoj:
o Náklady: Kilopower bol vyvinutý s rozpočtom ~20 miliónov USD (test KRUSTY), čo je zlomok oproti SP-100 (stovky miliónov USD). TOPAZ-II bol lacný, no jeho kúpa a adaptácia pre USA boli komplikované.
o Rýchle testovanie: Kilopower absolvoval úspešný test KRUSTY (2018), simulujúci podmienky na Mesiaci/Marse, za menej ako 5 rokov od začiatku vývoja. SP-100 a TOPAZ-II trpeli dlhým vývojom a politickými prekážkami.
4. Prispôsobený moderným misiám:
o Kilopower je navrhnutý pre Artemis program (NASA, plánované použitie na Mesiaci do 2030) a misie na Mars, kde je potrebná stabilná energia v tme (napr. lunárna noc, 14 dní). TOPAZ-II bol špecifický pre orbitálne radary, SP-100 príliš ambiciózny pre rôzne misie.
o Flexibilita: Kilopower je vhodný pre povrchové aj potenciálne orbitálne misie, zatiaľ čo TOPAZ-II bol obmedzený na vysokú Zemskú orbitu.
5. Minimalizácia environmentálnych rizík:
o Po incidente Cosmos-954 (1978) a obavách z re-entry je Kilopower navrhnutý s prísnymi bezpečnostnými normami (pasívne chladenie, robustné tienenie). TOPAZ-II mal riziko únikov chladiva, SP-100 zasa komplikované systémy na re-entry.
Nevýhody Kilopower
Nižší výkon: Kilopower (1–10 kWe) je menej výkonný ako SP-100 (100 kWe), čo ho robí menej vhodným pre veľké základne vyžadujúce megawattové výkony.
Stále vo vývoji: Hoci test KRUSTY bol úspešný, Kilopower ešte nebol použitý vo vesmíre (plánované až po 2025). TOPAZ-II mal aspoň orbitálne predchodce (TOPAZ-I).
HEU palivo: Použitie vysoko obohateného uránu vyvoláva obavy o proliferáciu, hoci NASA zvažuje prechod na nízko obohatený urán (LEU) pre budúce verzie.
Prečo je teda Kilopower „lepší“?
Kilopower je „lepší“ v kontexte moderných potrieb (napr. Artemis, Mars misie) kvôli:
Jednoduchosti a spoľahlivosti: Pasívne chladenie a Stirlingova konverzia znižujú riziko porúch oproti NaK (TOPAZ-II) alebo lítium (SP-100).
Efektívnosti a nákladom: Vyššia energetická efektivita (20–30%) a nízke vývojové náklady ho robia ekonomickejším ako SP-100, a dostupnejším ako TOPAZ-II (ktorý USA nemohli plne adaptovať).
Prispôsobeniu: Dizajn je optimalizovaný pre povrchové misie, kde je potrebná stabilná energia v extrémnych podmienkach, na rozdiel od orbitálneho zamerania TOPAZ-II alebo príliš ambiciózneho SP-100.
Bezpečnosti: Lekcie z Cosmos-954 a iných incidentov viedli k robustnejšiemu dizajnu, ktorý minimalizuje riziko znečistenia.
Záver
Kilopower je pokrokovejší pre aktuálne ciele NASA (napr. lunárne základne), pretože kombinuje jednoduchosť, bezpečnosť, efektivitu a nízke náklady. TOPAZ-II bol spoľahlivý, ale obmedzený na satelity a mal bezpečnostné nedostatky. SP-100 bol príliš drahý a zložitý, čo viedlo k jeho zrušeniu. Kilopower stavia na lekciách z oboch a je lepšie prispôsobený budúcim misiám, hoci jeho nižší výkon a nevyskúšané orbitálne použitie sú obmedzením.
2010+ - Rusko (Roscosmos/Keldyš) – typ reaktora NPPU (Nuclear Power Propulsion Unit) - Plány na interplanetárne misie (Mesiac/Mars); testy od 2018 – technické detaily - 1 MWe elektriny; plynové chladenie; megawattový rozsah; inžiniering dokončený 2015, plánované lety okolo 2020+; pre pohon a energiu.
2021+ - USA (NASA/DARPA) – typ reaktora DRACO (Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations) - Plány na ukážkovú demonštráciu v 2025–2027 – tehnické detaily - Termálny pohon (NTP); palivo nízko obohatený urán; výkon pre pohon rakiet; kontrakty pre BWXT a iných; cieľ: rýchlejšie misie na Mars.
V princípe existujú dva hlavné typy vesmírnych jadrových elektrární:
- jadrové elektrárne a
- jadrové elektrárne s pohonom.
Ten prvý typ je napríklad tá ruská jadrová elektráreň BUK. Tá obsahuje kompaktný reaktor malých rozmerov, v ktorého aktívnej zóne prebieha reťazová reakcia štiepenia uránových jadier. Štiepne fragmenty, ktoré sa od seba oddeľujú, sa v prostredí spomaľujú, pričom ich kinetická energia sa premieňa na tepelnú energiu vyhrievanej aktívnej zóny reaktora. Tepelná energia sa z aktívnej zóny odvádza pomocou chladiva a dodáva sa do meniča, kde sa pomocou termoelektrického generátora premieňa na elektrickú energiu. V dvoch okruhoch inštalácie, reaktorovom a radiačnom, medzi ktorými sa nachádzajú batérie termoelektrického generátora, cirkuluje kvapalné kovové chladivo sodíka a draslíka, ktoré sa cez okruhy prečerpáva dvojitým elektromagnetickým čerpadlom. Cirkulácia chladiacej kvapaliny je organizovaná tak, že horúca chladiaca kvapalina reaktorového okruhu obmýva horúce spoje batérií a studená chladiaca kvapalina radiačného okruhu obmýva studené spoje batérií a tok tepla cez termoelektrický generátor je smerovaný z horúcich spojov do studených. Generátor zabezpečuje priamu premenu tepelnej energie na elektrickú energiu. Keď vznikne teplotný rozdiel na spojoch, vznikne elektromotorická sila, keď je obvod uzavretý voči záťaži, v obvode preteká elektrický prúd.
O druhom type tvrdia Rusi, že dosiali značný pokrok: Najnovšie (začiatkom tohto roku) Rusi informovali, že Rosatom vytvoril laboratórny prototyp plazmového raketového motora pre diaľkové vesmírne lety. Je to údajne prototyp plazmovo-elektrického raketového motora založeného na magneticko-plazmovom urýchľovači so zvýšenými parametrami ťahu (najmenej 6 N) a špecifickým impulzom (najmenej 100 km/s). Priemerný výkon takéhoto motora, pracujúceho v pulzno-periodickom režime, dosahuje 300 kW. Ak sa to potvrdí, znamenalo by to že takéto motory by umožnili zrýchliť kozmickú loď vo vesmíre na rýchlosti, ktoré sú pre chemické motory nedostupné, a tiež by umožnili efektívnejšie využívať palivové rezervy, čím by sa efektívnosť zvýši desiatky-krát. V súčasnosti môže let na Mars s konvenčnými motormi trvať takmer rok jedným smerom, čo je pre astronautov nebezpečné kvôli kozmickému žiareniu. Použitie plazmových motorov by mohlo skrátiť misiu na 30 – 60 dní, čo by mohlo znamenať, že by bolo možné poslať astronauta na Mars a späť. Podľa prehlásenia Alexeja Voronova, prvého námestníka generálneho riaditeľa pre vedu vo Výskumnom ústave Rosatom v Trojitsku tam už inštalujú rozsiahly experimentálny stojan na testovanie prototypu vytváraného plazmového raketového motora a podobných zariadení. Priemer kľúčového zariadenia stojanu – vákuovej komory – je 4 metre, dĺžka je 14 metrov. Je vybavený unikátnymi vysokovýkonnými systémami vákuového čerpania a odvodu tepla, vďaka ktorým je možné simulovať podmienky vesmíru. Uvidíme čo testovanie tohto ruského prototypu vytváraného plazmového raketového motora prinesie.
Celkovo sa jadrové reaktory v kozme ukázali ako spoľahlivé pre krátkodobé misie, ale priniesli aj riziká ako úniky radiácie alebo chladiva (napr. v ruských RORSAT), čo viedlo k medzinárodným obavám a debris. Dnes sa zameriavajú na bezpečnejšie dizajny s nízkym obohatením pre budúce základne na Mesiaci alebo Marse.
Riziká – samozrejme je tu otázka ako zabezpečiť bezpečnosť takejto jadrovej elektrárne?
Najjednoduchšia inštalácia sa samozrejme môže použiť iba na bezpilotnom vozidle: tj. vtedy, keď tam neexistuje kruhová betónová ochrana, ako na stacionárnych jadrových reaktoroch, pretože betón vyviesť na obežnú dráhu je nezmysel. Ale tam ani nie je potrebná, pretože vo vesmíre nie je atmosféra, čo znamená, že neutróny, ktoré vyletujú z reaktora do vákua, sa nespomalia a nerozptýlia. Postačuje takzvaná tieňová ochrana. Na mieste štartu a počas štartu kozmickej lode na obežnú dráhu blízkej Zeme sa reaktor takejto jadrovej inštalácie (napr. BUK) nachádzal v hlboko podkritickom stave, to znamená, že za žiadnych okolností, ani pri páde lode na zem alebo do vody, sa reaktor nemohol spustiť, nemohla nastať samoudržateľná reťazová reakcia. Až po vstupe satelitu na stacionárnu pracovnú obežnú dráhu bol reaktor na príkaz zo Zeme uvedený na nominálny výkon automatickým riadiacim systémom. Potom inštalácia pracuje v úplne autonómnom režime až do konca svojej životnosti. Radiačnú bezpečnosť zabezpečujú dva systémy: - hlavný, pre umiestnenie jadrovej elektrárne na dlhodobú obežnú dráhu, a - záložný systém, založený na aerodynamickom rozptyle zloženia paliva so štiepnymi produktmi a inými materiálmi s indukovanou aktivitou v horných vrstvách zemskej atmosféry v prípade poruchy hlavného systému.
Vráťme sa k mesiacu – kam ale postaviť jadrové reaktory?
Fyzikálne podmienky sú na povrchu Mesiaca oveľa podobnejšie k podmienkam vo vesmíre ako k podmienkam na Zemi. Atmosféra tu prakticky neexistuje. Gravitácia je šesťkrát slabšia ako na Zemi. Lunárny deň a noc sa rovnajú dvom našim týždňom. Obloha je čierna aj cez deň. Tiene sú ostré. A dôležité je že na Mesiac neustále dopadajú malé meteority, ktoré síce vyhladzujú povrchový reliéf: a výsledný prach sa rýchlo speká do pórovitej vrstvy podobnej troske, ale tie meteority by neustále atakovali aj jadrovú elektráreň. Okrem toho teplota na povrchu Mesiaca kolíše medzi –170 a +120 °C.
Takže sumárne, vzhľadom na tieto podmienky je na základe už získaných skúseností ľudstva s vytváraním pozemskej aj vesmírnej jadrovej energie pravdepodobne najlepšie umiestniť jadrový energetický systém lunárnej základne do hlbín Mesiaca (skrátka pod povrch – nedá sa tu povedať “pod zem”).
O problémoch s jadrovými reaktormi vo vesmíre si povieme v ďalšom článku nabudúce…
Teším sa na Vás...
