Na vesmírne programy sa bude viac využívať jadro


Na vesmírne programy sa bude viac využívať jadro

Na rôzne vesmírne misie či experimenty vrátane tých, ktoré realizuje NASA, sa doteraz využívali rádioizotopové tepelné generátory (RTG) Pu-238 ako zdroje energie. Niektoré experimenty sa na ne budú aj naďalej spoliehať, no vedci sa zhodujú, že ďalšie misie si budú vyžadovať väčšie zdroje energie, ktoré umožnia človeku podrobnejší výskum v kozme vrátane štúdia života na jednotlivých planétach, ako aj zriadenie spoľahlivej širokopásmovej komunikácie vo vesmíre. Dasari V. Rao, riaditeľ Úradu pre civilné jadrové programy a Patrick McClure z projektovania a analýzy systémov (obaja z Národného laboratória v Los Alamos) uvádzajú, že solárna energia tento cieľ zabezpečiť nevie, pričom je potrebný väčší zdroj energie využívajúci jadrovú energiu.

Práve preto 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,“ píšu autori vo svojom príspevku.

KiloPower reaktory – koncept, ktorý získal cenu za výskum a vývoj R&D 100 Award v roku 2013. Je rovnako dôležité, že projektanti uplatnili rozdielny prístup a rýchlo vyvinuli koncept, ktorý následne pretavili do plnorozsahovej ukážky.Ako vo svojej práci Geografické aspekty využívania jadrovej energie v Európe pripomína Mgr. Svetlana Kurucová, jadrové reaktory už boli použité vo viacerých vesmírnych misiách. Cituje portál world-nuclear.org, podľa ktorého Rusko (resp. bývalý ZSSR) vo vesmíre použilo viac ako 30 jadrových reaktorov. „Už viac ako polstoročie jadrová energetika slúži na výrobu elektrickej (a tepelnej) energie, jadrová energia sa ďalej používa pre výskumné, medicínske, priemyselné a poľnohospodárske účely, taktiež pre pohon civilných plavidiel s jadrovými reaktormi, jadrové reaktory boli použité aj vo vesmírnych misiách.“  

Ako ale vlastne funguje taký kiloPower reaktor? Počas stálej prevádzky 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,“ uvádzajú Dasari V. Rao a Patrick McClure.

Riadené odporové ohrievače boli podľa nich 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 v roku 2017,“ konštatovali obaja odborníci.

Konkrétne by skúška jadra reaktora mala prebehnúť koncom leta alebo začiatkom jesene 2017. Bude zrealizovaná v Montážnom zariadení Národného bezpečnostného podniku v Nevade. 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 uskutočnila 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,“ pripomínajú Dasari V. Rao a Patrick McClure .

Získané údaje majú 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.

Očakávaná tepelná stopa 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.

Ako uvádzajú Dasari V. Rao a Patrick McClure, po ukončení 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 má 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,“ hovoria vedci.

Na začiatku by sa 40 kW mohlo podľa nich 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.“

Dasari V. Rao a Patrick McClure v závere konštatujú, že vývojový program reaktora kiloPower sa využije na vývoj megawattovej triedy reaktorov, ktoré boli nazvané 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.“

Projekt Mega Power a proces jeho vývoja bude podľa dvojice odborníkov 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.“

 

Čerpané z článku autorov: Dasari V. Rao, riaditeľ Úradu pre civilné jadrové programy, a Patrick McClure z projektovania a analýzy systémov, obaja z Národného laboratória v Los Alamos   

Spracovala: Slávka Habrmanová, NCP VaT pri CVTI SR

Správnosť prevzatých informácií potvrdil predseda Slovenskej nukleárnej spoločnosti prof. Ing. Vladimír Slugeň, DrSc.

Foto: http://www.snus.sk/index.php/2017/03/06/jadrove-reaktory-poskytnu-energiu-pre-objavovanie-vesmiru/

Ilustračné foto: Pixabay.com

Uverejnila: ZVČ

Hore
kúpa časopisov jún 2016
Aurelium - centrum vedy
Publikácie Veda v CENTRE
Quark_2019
TAG Slovenská veda
banner záhrady
Zaujímavosti vo vede
Biodiverzita je široký a komplexný pojem, ktorý reprezentuje rozmanitosť života na našej planéte.
Zistite viac