Jaderné zdroje pro vesmír aneb jak získat energii tam, kde Slunce nesvítí

1. Jaderné zdroje pro vesmíranebjak získat energii tam, kde Slunce nesvítí „Kadmiové tyče se vysouvaly z pomocných reaktorů, magnetická čerpadla čerpala kapalný sodík do chladících hadic, pancíř zadních palub se zachvěl a současně slabý šramot uvnitř stěn prozradil, že pohyblivé kontrolní přístroje se už vydaly na mnohakilometrovou cestu … Celý kosmický koráb se naplnil šumem a pohybem …“ S. Lem: „Nepřemožitelný“ Vladimír Wagner Ústav jaderné fyziky AVČR, 250 68 ŘežE_mail: WAGNER@UJF.CAS.CZWWW: hp.ujf.cas.cz/~wagner/ • 1) Úvod • 2) Způsoby využití jaderných zdrojů • 2.1 Typy jaderných zdrojů • 2.2 Využití pro zásobování teplem • a elektrickou energií • 2.3 Zdroj energie pro pohon • 3) Radioizotopové zdroje • 3.1 Historie využití • 3.2 Současné i budoucí využití • 3.3 Bezpečnostní aspekty • 4) Jaderné reaktory • 4.1 Historie využití • 4.2 Hlavní cíl - bezpečnost a efektivita • 5) Termojaderné zdroje energie • 5.1 Fyzikální principy a technické • problémy • 5.2 Projekty - zatím jen na papíře • 6) Anihilace • 7) Závěr

2. Úvod Jaderné zdroje – velmi efektivní a koncentrované Využití: • Energie uvolněná v rozpadu jader • Energie uvolněná ve štěpné reakci těžkých jader • Energie uvolněná při slučování lehkých jader • Energie uvolněná při anihilaci Princip zdroje: 1) Chemický - ~ 0,0000001% ~ 107 J/kg 2) Jaderný – efektivita ~0,1% - ~1% štěpení 8∙1013 J/kg fůze 3∙1014 J/kg 3) Částicový, anihilační - ~1% - ~100% kompletní anihilace (E = mc²) 9∙1016 J/kg Raketoplán – chemický pohon Odyssea 2001 Discovery - jaderný pohon Star Treck Enterprise - anihilace

3. Typy jaderných zdrojů Radioizotopové zdroje– využívají rozpad radioaktivních jader, prozatím nejčastěji využívané (několik desítek sond, hlavně k vnějším planetám) Jaderné reaktory – využívají štěpení velmi těžkých jader indukované záchytem neutronu umožňují velký výkon – největší využití u ruských radarových družic RORSAT Termojaderné zdroje – využívají slučování lehkých prvků, stabilní průběh termojaderné reakce v laboratoři zatím nezvládnut Anihilační – využívají anihilace hmoty s antihmotou, největším problémem je získávání antihmoty Výhody – 1) vysoká efektivita produkce energie 2) nezávislost na okolním prostředí (nepotřebují sluneční světlo a nevadí jim silná elektrická i magnetická pole nebo radiace) 3) v budoucnu dostupnost ve všech oblastech vesmíru Nevýhody – 1) Možná bezpečnostní a ekologická rizika 2) Často jen ve velkém provedení, technologická náročnost, vysoká cena Teodor Rotrekl

4. Využití pro zásobování teplem a elektrickou energií Pilotované i bezpilotní sondy potřebují k udržení životních i pracovní podmínek dostatek tepelné i elektrické energie Práce ve velkých vzdálenostech od Slunce, na odvrácených stranách planet, pod hustou atmosférou Velice rychlý pokles intenzity slunečního záření se vzdáleností ( 1/r2). Hlavně ve velkých vzdálenostech od Slunce nelze sluneční baterie uplatnit. Tim White Theodor Rotrekl

5. Zdroj energie pro pohon Zatím se většinou uvažoval rychlý reaktor 2) Pulzní motor – minivýbuchy, buď přímo malé jaderné či termojaderné bomby, nebo termojaderné palivo zapalováno lasery Projekt zkoumající využití výbuchů klasických jaderných či termojaderných bomb byl projekt Orion (viz obr) 3) Iontové motory – jaderné zdroje produkují elektřinu pro urychlování iontů. Elektrické pole urychluje nabité ionty na vysoké výtokovou rychlostí a tak urychluje kosmickou loď malé zrychlení (nevhodné pro starty z povrchu planet) Výhody: 1) Dlouhá doba práce 2) Větší účinnost využití paliva 3) Možnost libovolného počtu zastavení a spuštění Test iontového motoru sondy Deep Space 1 1) Reaktivní motor - produkce horkého plynu (plazmy), který vyletuje z trysek. Ohřívání plynu (nejlépe vodíku) pomocí tepla z jaderného či termojaderného reaktoru

6. Deep Space 1 (vypuštěna: 24. 10. 1998) zdrojem energie solární baterie Účel: zkoumání nových technologií pro vesmírný výzkum Iontový motor: ionty Xe ( celkově 81 kg)urychlené na 30 km/s Doba práce – 20 měsíců Celková udělená rychlost 4.5 km/s 28. 7. 1999 průlet kolem asteroidu Braille září 2001 – průlet kolem komety Borrelly účinnost u Deep Space 10  větší První sonda s iontovým motorem (solárním) Test iontového motoru sondy Deep Space 1

7. Radioizotopové zdroje Princip: 1) Rozpad radioaktivních jader  uvolňuje se teplo (např. izotopy s vhodnými poločasy rozpadu 90Sr – 28,8 r, 137Cs – 30,1 r, 210Po – 0,38 r a 238Pu – 87,7 r) 2) Termoelektrický článek přeměňuje teplo na elektřinu ( Sebeckův jev - U T, účinnost 5 – 10%) Výhody: 1) dlouhodobá stabilita za všech podmínek (i v silných magnetických polích a ve vysoké radioaktivitě) 2) Nemá pohyblivé části → vysoká spolehlivost Nahrazení termolelektrického článku tzv. Stirlingovým motorem → efektivnější převod tepelné energie na elektrickou (až 20 %) nevýhodou jsou pohyblivé části Nevýhody: 1) Pokles výkonu v čase daný poločasem rozpadu daného radioizotopu 2) Možná radiační a ekologická rizika Pokles výkonu radioizotopového zdroje je dán poklesem radioaktivity a je exponenciální

8. Historie využití Nutno podmínka pro vyslání sondy k vnějším planetám U Jupitera ekvivalentní výkon slunečních článků o ploše 100 -200 m2. Pioneer 10 Využití Sebeckova jevu, vznik napětí na styku dvou kovů, které mají konce ohřáty na různé teploty Ue = (1-2)T křemíko-germániovými (SiGe) termoelektrickými dvojicemi U jednoho konce je 1273 K (1000oC) a u druhého 573 K (300oC). Hmotnost 10,9 kg PuO2 , délka 113 cm Cassini - tři zdroje, dohromady: 13,182 kW tepelných 0,882 kW elektrických Sonda Cassini a její radioizotopové zdroje

9. Současné i budoucí využití První testovací lety využívaly krátkodobější izotop 210Po (necelý rok) Většina pak dlouhodobější 238Pu ( 88 let) Radioizotopové zdroje napájely stanice, které umístěné a dlouhodobě pracující na Měsíci (musely přežít i lunární noc) Radioizotopové zdroje měly i přistávací moduly Viking na Marsu Napájely elektřinou a dodávaly teplo všem sondám, které letěly k velkým planetám Sluneční soustavy Výkony od desítek watů do desítek kilowat Instalace zdroje SNAP-27 Sonda Ulysses se vydává na pouť k Saturnu Přistávací modul sondy Viking

10. Bezpečnostní aspekty Havárie sond (nevedly k ohrožení): do r. 1964 – konstrukce zajistila shoření zdroje v atmosféře po r. 1964 – konstrukce zajišťuje dopad zdroje v kompaktní podobě (PuO2 – keramický materiál, grafitová a iridiová obálka)Nimbus B-1, SNAP-27 Apolla 13, Mars 8 (1996) Pouzdro každou havárii přežije a zabraňuje průniku radioaktivity do životního prostředí Havárie ruských družic s jadernými reaktory na palubě – viz dále Zatím žádná havárie nevedla k ohrožení životního prostředí a zdraví lidí Sonda Cassini, proti ní byla řada protestů ekologických skupin Radioizotopové články sondy Nimbus B-1 na mořském dně po havárii nosné rakety (1968)

11. Jaderné reaktory Proč jaderné reaktory? – v 1kg 235U 500 000 krát více energie než v rozpadu 1kg 238Pu Je účelný pro projekty, kde jsou potřeba velké výkony zdrojů Zdroj energie:štěpení Štěpná reakce- štěpení jádra samovolné nebo po získání energie - obvykle se dodá energie záchytem neutronu - doprovázena vznikem neutronů s energiemi v oblasti jednotek MeV ( 2 - 3 neutrony na štěpení) (část hned – část zpožděná) štěpení na dva přibližně stejně velká jádra Řetězová štěpná reakce: Štěpení nuklidů 235U, 239Pu ... záchytem neutronu 235U + n → 236U*: 85 % - štěpení 15 % - emise fotonu Štěpení - vznik štěpných produktů Záchyt  emise fotonu  rozpad beta vznik transuranů • Multiplikační faktor k - počet neutronů následující generace • neutronů produkovaných na jeden neutron předchozí generace • k < 1 podkritický systém • k = 1 kritický systém • k > 1 nadkritický systém při štěpení se produkuje i několik neutronů

12. Typy reaktorů: 1) Klasické na pomalé neutrony Velmi vysoké hodnoty účinných průřezů záchytu neutronů pro malé energie neutronů (10-2 eV) Nutnost zpomalování neutronů - moderátor Palivo:1) přírodní uran - složen z 238U a jen 0.72 % 235U 2) obohacený uran - zvýšení obsahu 235U na 3-4% (klasické reaktory) 2) Rychlé (množivé) na rychlé neutrony Nemoderované neutrony→ nutnost vysokého obohacení uranu 20 - 50 % 235U (ekvivalentně 239Pu) Vysoké obohacení → vysoká produkce tepla →nutnost výkonného chlazení → roztavený sodík, olovo (teplota 550oC) Produkce 239Pu: 238U + n → 239U(β-) + γ → 239Ne (β-)→239Pu Z 239Pu více neutronů (3 na jedno štěpení) → produkce více plutonia než se spotřebuje (plodivá zóna) Je kompaktnější, produkuje více energie – dlouhodobá zkušenost s reaktory na ponorkách Např: ruské ponorky třídy Alfa – kompaktní (4,5 m x 7,5 m) rychlý reaktor chlazeny kapalnou směsí olova a bismutu, výkon 175 MW Ruská ponorka třídy Akula Typhoon vodou chlazený reaktor

13. Historie využití USA: Malý reaktor SNAP-10A  zdroj energie - družice SNAPSHOOT (1965) - výkon Projekt NERVA: raketový motor na bázi jaderného reaktoru plánován jako třetí stupně raket Reaktor ohřívá vodík  pohon expandující horký plyn Řada velmi úspěšných testů H. Finger vedoucí projektu Nedokončen – zastaveno – hlavně z finančních důvodů –chyběla mise, která by se bez něj neobešla NÁDRŽ NA VODÍK VÝFUK TURBÍNY TURBOČERPADLO Princip motoru NERVA REAKTOR Studené zkoušky motoru NERVA

14. SSSR - Rusko Jaderný reaktor na ruských vojenských družicích –program RORSAT (napájel radar), léta 1967-1988 - 35 družic v sérii Kozmos (první Kozmos 198) vysoce obohacen 235U (31,1 kg), účinnost 2-4%,elektrický výkon 3-5 kW aktivní činnost do 134 dní – po jejím ukončení vyneseny na vysokou orbitu 900 -1000 km Tři havárie – 1) zničení jedné z družic krátce po startu 2) zbytky Kozmosu 954 spadly na západní Kanadu 3) Kozmos 1402 shořel v atmosféře Reaktor TOPAZ I (rok 1987) elektrický výkon 5 - 6 kW, hmotnost okolo 1000 kg, účinnost 5 – 10 % nejméně po 180 dnů (Kozmos 1818 a 1867)a může pracovat rok chlazení tekutým kovem (slitina sodíku a draslíku) (pracovní teplota 610oC) Vylepšená varianta TOPAZ II – do vesmíru se už nedostal, testován i NASA Základ společné spolupráce USA a Ruska Využití ruských zkušeností Malý ruský kosmický reaktor TOPAZ

15. Zatím nenaplněné sny - projekt Orion Snaha o vybudování pohonu na základě výbuchů „malých jaderných bomb“ blízko lodi. Ty „postrkovaly“ loď díky odrazné desce. Velmi krátké působení velmi velké síly ↔ velké přetížení ↔ nutnost rozložení zrychlování Studie probíhala v letech 1958 – 1965↔ vedoucí T. Taylor Řada studií i praktických testů (např. odolnosti odrazné desky) Velmi krátký průběh exploze → poměrně malé poškození desky Testy pomocí chemických explozí – let sto metrů (šest nábojů) (září 1959) – prokázala stabilita pulzního pohonu Kosmická loď Orion v blízkosti Jupitera Model pro testování odrazné desky Náčrt lodi Orion

16. Uvažovala se řada typů pro cestu na Mars i dále, včetně mezihvězdných vždy jako lodě s lidskou posádkou Zpočátku plány i pro použití v atmosféře, později pouze ve vesmíru Radiační riziko, možnost ohrožení životního prostředí Uvažovalo se použití i vodíkových bomb – projekt Daedalos V současnosti opětné oživení zájmu i o tuto koncepci animaci spusťte kliknutím na ni

17. Projekt Prometheus – nové jaderné reaktory Návrat na Měsíc a cesta na Mars, komplexní sondy do vzdálených částí sluneční soustavy → potřeba jaderných zdrojů energie a pohonu Start programu v roce 2003 Spolupráce NASA s DOE (Úřad pro energetiku USA) maximální využití zkušeností předchozích projektů spolupráce s Ruskem (reaktor TOPAZ) Pohonná jednotka blízko Země Vývoj nových radioizotopových zdrojů a hlavně reaktorů pro pohonné jednotky i pro dodávku energie a tepla Projekt sondy obíhající kolem Jupitera a přesunující se od jednoho měsíce k druhému Let lidí na Mars by mohly jaderné zdroje velmi ulehčit

18. SAVE 400 - reaktor- zdroj elektrické energie pro iontový motor i přístroje sondy Dlouhodobě pracující motor s malým zrychlením  cesty ke vnějším planetám Spolupráce NASA a Los Alamos Výkon: 400 kW tepelný, 100 kW elektrický Palivo: vysoce obohacený uran (97% 235U) Typ : rychlý reaktor Chlazení: plyn (He+Xe) T ~ 1000oC Hmotnost: 512 kg (100 kg 235U) Tepelný test reaktoru SAVE 30 Koncept sondy s jaderným iontovým motorem pro průzkum vnějších částí Sluneční soustavy (NASA) Sonda pro průzkum ledových měsíců Jupitera

19. Jaderné reaktor pro vozítka a přistávací moduly HOMER-15- malý reaktor, vysoce obohacený uran (72 kg) Výkon: 15 kW tepelných a 3kW elektrické Soužil by pro menší stanice, přistávací pouzdra, vozítka a sondy V některých variantách by mohl být nahrazován radioizotopovým zdrojem Přistávací modul na Marsu Marsovské vozítko Test reaktoru HOMER 15

20. Hlavní cíl - bezpečnost a efektivita Vysoká bezpečnost - podkritický při všech haváriích SAFE 400 – rotující kontrolní tyče z berylia na jedné straně (odráží neutrony) a absorpční vrstvy na druhé, pokud nerotují, reaktor je podkritický → není štěpná reakce Hlavní důraz na ekologickou bezpečnost za všech okolností – nutnost přesvědčit o ní veřejnost Schematický náčrtek reaktoru SAFE 400 Na oběžnou dráhu se dostává před zahájením činnosti – vysoce radioaktivní jsou produkty štěpení a transurany, uran není tak nebezpečný Při každé havárii zůstává uran kompaktně v celku a v obalu – co nejodolnější obal schopný efektivně odolávat teplu a destruktivním silám Malá radiační zátěž i během provozu  možnost práce na oběžné dráze okolo Země Hledání co nejefektivnější konverze tepelné energie na elektrickou a pohybovou.

21. Termojaderné zdroje energie Slučování lehkých prvků: d, t, 3He Uvolnění velkého množství energie v podobě kinetické energie produktů nebo gama záření Jaderné reakce za vysokých teplot (107 - 109 K)  termojaderné reakce Výhoda oproti štěpení je poměrně malá produkce radioaktivních elementů (pouze reakcemi neutronů s materiálem komory Vhodné reakce jsou d + t a d + 3He Teodor Rotrekl: „Záhady pro zítřek“ V přírodě probíhá jaderná fůze na Slunci

22. Fyzikální principy a technické problémy Zdroj pohonu (např. termojaderné mikrovýbuchy  horké plazma tryská s vysokou rychlostí) i energie (termojaderné elektrárny) Problém umělé fůze – zajištění produkce a udržení dostatečně horkého a hustého plazmatu zatím nezvládnuto ani na Zemi Experimentální "termojaderné reaktory" typu Tokamak:Prstencová komora - prstencové magnetické pole(výška komory 2 - 4 m, B = 2 - 5 T, proudy 2∙106 A): Lawsonovo kriterium - podmínka pro to, aby termojaderná reakce produkovala více energie než se spotřebuje na ohřev paliva: Pro DT reakci: τρ ≥ 3∙1020 s∙m-3 τ - doba udržení horké plazmy, ρ - hustota jader v plazmatu Teplota 108 - 109 K ITER - mezinárodní termojaderný experimentální reaktor: Prstenec: poloměr 8 m, výška 9 m Výkon  500 MW, vyprodukuje 5 krát více energie než spotřebuje Experimentálního zařízení JET v Culhamu (výška 12 m, průměr 15 m)

23. Projekty - zatím jen na papíře Mikrofúze inicializovaná lasery, antihmotou Nejpropracovanější projekt Pensylvánské university – ICAN-II Projekt fúzně poháněné sondy využívající pro inicializaci antiprotony skladované v magnetickém prstenci. využívaly by se reakce deuteria a tritia katalizované nebo inicializované antiprotony

24. Pohon založený na antihilaci Setkání hmoty a antihmoty – anihilace → přeměna hmoty na fotony a mezony → mezony se rozpadají v konečném důsledku na fotony → uvolnění energie:E = mc2 přeměna klidové hmotnosti (energie) na energii kinetickou → nejkompaktnější zdroj energie Ekvivalent pohonu raketoplánu – ~ 100 mg antihmoty Problém: Nemáme zdroje antihmoty → musíme ji vyrobit – potřebujeme mnoho energie Nutná energie větší než klidová energie (hmotnost) páru částice a antičástice ( E = mc2 ) Urychlovače jako zdroje energie pro produkci antičástic Účinnost výroby antiprotonů (nyní) – 105 protonů (Ep=120 GeV) na jeden antiproton → 1,2∙1016eV/antiproton → 1,16∙1021 J/g . Efektivita 10-8. v současnosti se produkuje okolo 10 ng antiprotonů za rok

25. Současné metody umožňují – zlepšení o 3-4 řády Současná produkce stačí jen na kombinovaný pohon během letu je možno antihmotu uchovávat v magnetické prstenci (AIMstar potřebuje 28,5 μg) Dnes jsme schopni udržet antiprotony v magnetické pasti i stovky dní Velké zkušenosti s produkcí pomalých antiprotonů v CERNu Část zařízení LEAR pro produkci pomalých antiprotonů (protonový urychlovač v CERNu) Skladování – magnetická a elektrická pole Produkce antiprotonu – animaci spustit kliknutím na ni Mezihvězdná loď AIMstar (studie provedená na Pensylvanské universitě)

26. Závěr 1) K intenzivnější činnosti člověka v blízkém i vzdálenějším vesmírném okolí jsou nutné velmi výkonné zdroje energie – zajištění přepravy, tepla a elektrické energie 2) Těmito zdroji musí být s největší pravděpodobností zdroje jaderné 3) Jsou tyto možnosti: Radioizotopové, štěpení, jaderná fůze a využití antihmoty 4) Zatím se využívají radioizitopové zdroje (menší výkony) a štěpné reaktory (větší výkony) Od roku 2003 nová etapa zájmů o tyto zdroje. Nutná „politická zakázka“ – mise, která by takové zdroje požadovala. 5) Takovou misí by mohla být A) trvalá měsíční základna B) cesta lidí na Mars C) komplexní sonda do vnějších částí Sluneční soustavy 6) Využití předchozích zkušeností z vesmíru i ze Země 7) Pro intenzivní osvojení meziplanetárního prostoru a mezihvězdné lety – nutnost osvojení jaderné fúze či využití antihmoty 8) Technicky jsou problémy řešitelné, jde o to, zda se lidstvo pro toto dobrodružství rozhodne Zdeněk Rotrekl