Za posledných päťdesiat rokov – od éry misií Apollo zameraných na skúmanie Mesiaca, až po projekty týkajúce sa Marsu a misie nazvaných Nové horizonty, slúžili rádioizotopové tepelné generátory (RTG) Pu-238 ako zdroj energie. Niektoré experimenty NASA sa budú naďalej spoliehať na tieto RTG generátory, ďalšie experimenty si však budú vyžadovať väčšie zdroje energie, ktoré umožnia človeku ďalší výskum v kozme, vrátane štúdia života na jednotlivých planétach, ako aj na zriadenie spoľahlivej širokopásmovej komunikácie vo vesmíre. Solárna energia tento cieľ zabezpečiť nevie. Je potrebný väčší zdroj energie využívajúci jadrovú energiu.

V článku nedávno publikovanom v novinách Washington Post zakladateľ internetového obchodu amazon.com a tvorca vesmírneho projektu Blue Origin (Modrý pôvod) Jeff Bezos povedal: „Myslím, že NASA by mala pracovať na jadrovom reaktore, ktorý je možné využiť v kozme. Jadrový reaktor v kozme je nevyhnutný, najmä ak chcete ísť ďalej ako je planéta Mars, vtedy skutočne potrebujete jadrovú energiu. Solárna energia sa stáva ťažšie dostupnou, ako sa vzďaľujete od Slnka. Je to uskutočniteľná vec, mať bezpečný jadrový reaktor určený pre vesmír.“

Výzvy týkajúce sa jadrovej energie vo vesmíre nie sú nové. V minulosti boli skutočne navrhnuté mnohé koncepty reaktorov. Ich vývoj bol často zastavený vnímaním, že zvládnutie jadra je príliš náročné, trvá príliš dlho a stojí veľa peňazí.

Národné laboratórium v Los Alamos v spolupráci s výskumnými centrami NASA a inými národnými laboratóriami ministerstva energetiky, vyvíjajú a dosahujú pokrok vo vývoji veľmi malých zdrojov energie využívajúcich štiepenie na to, aby naplnili potreby týkajúce sa energie od stoviek We (wattov elektrických) až po 100 kWe. Tieto projekty sa bežne označujú ako kiloPower reaktory a sú založené na premyslenej fyzike, ktorá paralelne zjednodušuje kontrolu reaktora potrebnú na prevádzku elektrárne a zahŕňa inherentné bezpečnostné parametre, ktoré strážia dôsledky vzniku nehôd a prechodových prevádzkových stavov.

„Solárna energia sa stáva ťažšie dostupnou, ako sa vzďaľujete od Slnka. Je uskutočniteľné mať bezpečný jadrový reaktor určený do vesmíru.”

Jeff Bezos, Amazon

Tento koncept, ktorý získal cenu za výskum a vývoj R&D 100 Award v roku 2013 je zobrazený na obr. č. 1. Je rovnako dôležité, že projektanti uplatnili rozdielny prístup a rýchlo vyvinuli koncept, ktorý následne pretavili do plnorozsahovej ukážky. Uskutočniteľnosť modelu bola demonštrovaná v roku 2012, pretože sa projektanti sa zamerali na úspešné vyriešenie zostávajúcich výziev vedúcich k predvedeniu modelu v plnom rozsahu v roku 2017.

Koncept, ktorý získal cenu za výskum a vývoj R&D 100 Award v roku 2013
Koncept, ktorý získal cenu za výskum a vývoj R&D 100 Award v roku 2013

Význam bezpečnosti projektu

Počas stálej prevádzky reaktor pracuje s neutrónovým multiplikačným faktorom 1 000, čo znamená, že počet neutrónov v jadre zostáva nemenný od jednej generácie po ďalšiu generáciu neutrónov. Takmer každá odchýlka v prevádzke reaktora sa premení buď na incident spojený s pozitívnou alebo negatívnou reaktivitou, čo je definované ako stav, keď sa neutrónový multiplikačný faktor jadra odchyľuje od svojej hodnoty pri stabilnej prevádzke. Náhle a výrazné zvýšenie pozitívnej reaktivity môže viesť k nekontrolovateľnej tvorbe kinetickej energie v reaktore, kedy teploty môžu veľmi výrazne prekročiť tepelné limity. Prístupy, ktoré boli uplatňované pri vývoji v minulosti sa spoliehali na sofistikované riadiace systémy na redukciu alebo eliminovanie takejto pravdepodobnosti. Reaktory majú našťastie vlastnú schopnosť samokorekcie prostredníctvom negatívnej teploty ako odozvy na reaktivitu, výkon reaktora sa automaticky znižuje pri zvyšovaní teploty jadra a naopak.

Je známe, že výkonné malé kompaktné rýchle reaktory typu kiloPower môžu byť naprojektované tak, aby maximálne využívali tieto mechanizmy až do takej miery, že sa stanú celkom samoregulovateľnými. Našim cieľom je naprojektovať samoreguláciu ako najdôležitejší parameter s cieľom minimalizovať technické a programátorské riziko a predviesť počas testovania, že samoregulácia je jednak spoľahlivá a opakovateľná. V tejto súvislosti sa používajú širokorozsahové simulácie a simulácie zahŕňajúce mnohé fyzikálne veličiny, aby sa mohli zrealizovať projektové štúdie potvrdzujúce vysokú spoľahlivosť projektu a preskúmať ako (a) voľby súvisiace s výrobou, používaním zliatin a techník na spájanie komponentov môžu ovplyvniť vnútornú kryštalickú štruktúru každého jadrového komponentu a tiež (b) ako táto morfológia ovplyvňuje tepelnú, mechanickú a jadrovú výkonnosť v podmienkach, ktoré sú predmetom záujmu.

Na obrázku č. 2 vidíme očakávanú tepelnú stopu kiloPower reaktora vystaveného náhlej strate 25 % Stirlingových motorov, a tiež veľkému výkonovému nesúladu medzi jadrom a systémom na konverziu energie. Reaktor však je schopný dostať sa z tejto odchýlky a vrátiť sa do stabilnej prevádzky, čo nás ubezpečuje, že nie je potrebné mať čo najmodernejší nezávislý riadiaci systém.

Na obrázku č. 2 vidíme očakávanú tepelnú stopu kiloPower reaktora vystaveného náhlej strate 25 % Stirlingových motorov, a tiež veľkému výkonovému nesúladu medzi jadrom a systémom na konverziu energie.
Na obrázku č. 2 vidíme očakávanú tepelnú stopu kiloPower reaktora vystaveného náhlej strate 25 % Stirlingových motorov, a tiež veľkému výkonovému nesúladu medzi jadrom a systémom na konverziu energie.

Rýchla príprava prototypu a inžinierske predvedenie

Kľúčovým cieľom dostupnej stratégie je, že jadrové komponenty môžu byť vyrobené s presnými toleranciami, ktoré sú požadované zo strany projektantov. Toto zahŕňa nie len fyzické rozmery, ale aj hustotu a kryštalickú fázu zliatin. Materiálové charakteristiky určujú tepelný a mechanický výkon jadra, čo na druhej strane ovplyvňuje jadrový výkon. Po viacerých spoločných snahách bola v roku 2012 vyrobená presná replika jadra reaktora kiloPower so zredukovaným uránom. Toto poskytlo potrebné skúsenosti a údaje týkajúce sa odliatia, strojného spracovania a materiálových vlastností jadra reaktora. Druhá fáza zahŕňala inžinierske predvedenie, kde bolo DU jadro zmontované so zvyškom systému (vrátane tepelných potrubí a Stirlingových motorov), v konfigurácii, ktorá je potrebná pre lietajúci vesmírny reaktor.

Riadené odporové ohrievače boli na záver použité na presné imitovanie jadrového tepelného profilu, ktorý sa očakáva v jadre reaktora počas bežnej prevádzky. Tieto skúšky boli urobené vo vákuovej komore, aby sa simulovalo prostredie v medziplanetárnom priestore.

Údaje zozbierané počas týchto skúšok potvrdili predpovede počítačových simulácií reaktora. Údaje preukázali dobre charakterizovanú tepelnú odozvu systému vrátane preukázania skutočnosti, že Stirlingove motory sú schopné poskytnúť požadovaný elektrický výkon. Ostatné údaje, ako napríklad tepelná rozpínavosť jadra reaktora bola meraná ako vstup počítačových simulácií kinetickej energie jadra a dynamiky systému. Tieto údaje boli následne použité, ako pomôcka, aby bol projekt skompletizovaný a pripravený na experiment, súčasťou ktorého je demonštrovanie jadra reaktora, čo je plánované neskôr roku 2017.

Plnorozsahová skúška jadra reaktora

Skúška jadra reaktora je naplánovaná na koniec leta alebo začiatok jesene 2017. Táto skúška bude zrealizovaná v Montážnom zariadení Národného bezpečnostného podniku v Nevade (NNSS). Bude sa skladať z 32 kg vážiaceho jadra s obohateným uránom (v približnej veľkosti kruhovej nádoby na ovsenú múku) vyrobeného z uránového kovu prechádzajúceho do kritickosti a generujúceho teplo, ktoré bude transportované cez sodíkové tepelné potrubie do Stirlingových motorov, ktoré budú vyrábať elektriku.

Test bude zahŕňať prepojovacie tepelné potrubia a Stirlingové motory uzavreté vo vákuovej komore umiestnenej na vrchu kritického experimentálneho stendu. Kritický experimentálny stend má dolnú platňu, ktorú je možné zvyšovať a znižovať. Na tejto platni budú umiestnené krúžky s oxidom berilnatým (BeO), ktorý tvorí odrážač elektrónov v koncepcii reaktora. Kritická hmotnosť sa dosiahne zvýšením odrážača BeO, aby sa ukutočnila štiepna reakcia v jadre reaktora. Po začatí štiepenia sa odrážač BeO pomaly zdvihne, aby sa zvýšila teplota systému na 800 stupňov Celzia. Tepelné potrubia odovzdajú teplo z jadra Stirlingovým motorom a umožnia systému vyrobiť približne 250 W elektriny. Len pre účely testovania, dva z ôsmych Stirlingových motorov budú vyrábať elektrinu, ostatné budú teplo odvádzať.

Získané údaje budú informovať inžinierov o nábehu a odstavení reaktora, o jeho výkone v stabilnej prevádzke, ako postupuje zaťaženie reaktora pri zapnutí a vypnutí Stirlingových motorov a ako sa systém správa, keď je chladenie odstránené. Tieto údaje sú veľmi dôležité pre posunutie sa do záverečnej projektovej fázy.

Potenciál pre misie na Mars

Po ukončení tejto testovacej fázy bude trvať ešte niekoľko rokov, pokiaľ NASA použije jadrový reaktor pri svojich misiách zameraných na výskum kozmického priestoru alebo povrchu Marsu. Finalizovaný projekt musí byť dokončený spolu s dôkladným vyskúšaním systému z hľadiska spoľahlivosti a bezpečnosti.

Najnovšie štúdie NASA sú zamerané na využitie potenciálu reaktora kiloPower na možný prieskum Marsu človekom. NASA skúma potrebu energie na Marse a určila, že by bolo treba približne 40 kW. Päť 10-kilowattových reaktorov kiloPower (štyri základné reaktory plus jeden náhradný) by tento problém mohlo vyriešiť.

Na začiatku by sa 40 kW mohlo použiť na výrobu kyslíka a možno aj pohonných hmôt, ktoré potrebuje vesmírne vozidlo pohybujúce sa po povrchu Marsu nazvané Mars Ascent Vehicle, aby pomohlo astronautom dostať sa naspäť na obežnú dráhu Marsu. Po vyrobení kyslíka a paliva by energia bola k dispozícií pre obytné jednotky na Marse alebo sa poskytla roverom – vozidlám skúmajúcim povrch planéty. Jadrová energia má tú výhodu, že ju možno vyrábať vo dne aj v noci, a reaktor je tiež možné umiestniť bližšie k pólom Marsu, na ktorých sa predpokladá prítomnosť značných množstiev vody.

Poučenie

Poučenie z vývojového programu reaktora kiloPower sa využije na vývoj megawattovej triedy reaktorov, ktoré boli nazvané ako reaktory MegaPower. Tieto koncepty zahŕňajú vlastné bezpečnostné parametre podobné tým, ktorými disponuje reaktor kiloPower, vrátane samoregulácie, nízkeho výkonu jadra reaktora a využitia tepelných potrubí na odvod tepla. Tieto reaktory s vyšším výkonom sa dajú použiť aj na Zemi, ako napríklad prívod energie do odľahlých lokalít. Je ich možné využiť aj pre ľudské kolónie na jednotlivých planétach.

Koncept reaktora MegaPower vyrába cca dva megawatty elektriny. Reaktor bude pripojený na otvorený vzduchový Braytonov cyklus transformácie energie. Braytonov cyklus transformácie využíva vzduch ako pracovné médium, aj ako spôsob odvodu zvyškového tepla.

Projekt Mega Power a proces jeho vývoja bude založený na pokrokových výrobných technológiách jadra reaktora, reaktorového paliva a iných prvkov. V rámci výskumu boli tiež navrhnuté spôsoby výroby a  vysokoteplotné moderátory, ktoré môžu zvýšiť využitie paliva a teda znížiť obohatenie paliva.

Tento článok napísali: Dasari V. Rao, riaditeľ Úradu pre civilné jadrové programy, a Patrick McClure z projektovania a analýzaysystémov, obaja z Národného laboratória v Los Alamos.