Energetyka jądrowa w kosmosie – historia i plany na przyszłość
Reaktory jądrowe posiadające możliwość pracowania przez znacznie dłuższy czas bez przeładunku paliwa brzmią jak idealne rozwiązanie dla sektora kosmicznego. W artykule zostanie opisana historia reaktorów w kosmosie, jak dzisiaj sytuacja wygląda i co nam może przynieść przyszłość.
Zastosowania w kosmosie
Rozpatrując reaktory w kosmosie, ich wykorzystanie głównie będzie się odnosić do trzech kategorii: ogrzewanie i zasilanie urządzeń (np. satelity), napędu odrzutowego lub do zasilania baz kosmicznych, choć to są bardziej projekty koncepcyjne.
Zaczynając od zasilania maszyn
Pierwszą satelitą zasilaną materiałami jądrowymi była amerykańska satelita Transit 4A, która 29 czerwca 1961 r. została wysłana na orbitę, aby służyć jako satelita nawigacyjna. Ważyła ona prawie 72 kg, posiadała panele fotowoltaiczne połączone z niklowo-kadmowymi bateriami oraz radioizotopowym termoelektrycznym generatorem (RTG), z tlenkiem plutonu (Pu-238) jako źródłem energii. Nie możemy tu mówić o reaktorze, gdyż nie ma tu reakcji łańcuchowej, a jedynie spontaniczne rozpady atomów plutonu. Te rozpady powodowały nagrzewanie się paliwa. Przykładając odpowiedni materiał, można wykorzystać różnice temperatur między paliwem a przestrzenią kosmiczną do bezpośredniej konwersji energii cieplnej w energię elektryczną (proces ten nazywa się efektem Seebecka).
Baterie miały “powalającą” moc elektryczną na poziomie 2,7 W. Wysłano jeszcze 4 satelity z projektu Transit, i jako ciekawostka Transit 4B został uszkodzony podczas testu broni termojądrowej w przestrzeni kosmicznej – Starfish Prime, co miało miejsce w 1962 r.

Źródło: U.S. Navy
Pierwszy reaktor w kosmosie
Pierwszym reaktorem w kosmosie był SNAP 10A z misji SNAPSHOT. Reaktor wykorzystywał wzbogacony uran jako paliwo w formie wodorku cyrkonu (UZrH) i ciekłego stopu sodowo-potasowego jako chłodziwa. Posiadał on reflektory berylowe, które po udanym locie obracano specjalnym mechanizmem, aby rozpocząć łańcuchowy przebieg reakcji rozszczepienia. Reaktor został zaprojektowany, aby dostarczyć minimum 500 W elektrycznych, ale już po starcie i osiągnięciu nominalnych parametrów dostarczał 600 W. Chłodziwo rurami doprowadzało ciepło do systemu konwersji energii, a jego nadmiar był wypromieniowywany (prawdopodobnie w spektrum podczerwieni) w radiatorze. Lot odbył się 3 kwietnia 1965 r., ale już po 43 dniach reaktor został zatrzymany po awarii w systemie wysokiego napięcia.

Źródło: Department of Energy
W tym samym roku do gry dołączyli Sowieci, wysyłając dwie satelity: Kosmos 84 i 90. Działały one na podobnej zasadzie jak Transit 4A tylko, że zamiast plutonu, wykorzystywały izotop polonu (Po-210).
Lot na Księżyc
Kolejnym większym wydarzeniem w świecie energetyki jądrowej w kosmosie był lot Apollo 11 na Księżyc. Jest to pierwsza misja, która wykorzystała radioizotopową grzałkę (RHU). Na wyposażeniu były dwie jednostki RHU o sumarycznej mocy cieplnej ok. 30 W.

Źródło: Department of Energy
Pierwszy łazik pozaziemski
Kolejnym przełomem była radziecka misja Lunokhod 1, gdzie po raz pierwszy został użyty łazik pozaziemski. Korzystał on również z systemu RHU na polon (Po-210), aby przetrwać “zimne księżycowe noce”. Przewidywano, że łazik będzie sprawny tylko przez trzy księżycowe dni (ok. 3 miesiące na Ziemi), ale udało mu się wytrzymać aż 11 dni. Wiedza z tej misji i następnych tego typu posłużyła Sowietom podczas oczyszczania Czarnobyla za pomocą zdalnie sterowanych robotów.

Zdjęcie ze strony moskiewskiego muzeum z wydziału lunarnego i planetarnego
Coraz większe moce
Później, choć wysłano wiele jednostek w kosmos, nie było wielkich przełomów. Z ciekawszych można wspomnieć reaktor Topaz-I, ale można również wspomnieć o paru modyfikacjach RTG. MHW (Multi Hundred Watt) RTG został zaprojektowany dla misji Voyager. Miały one znacznie większą moc w porównaniu do poprzednich, gdyż miały prawie 500 W mocy elektrycznej. Ich następstwem były systemy GPHS (General Purpose Heat Source) RTG. Poprzez ich znaczną moc termiczna (bliską 4400 W) mogły ogrzewać jednostkę i produkować energię elektryczną (ok. 300 W). MHW i GHPS charakteryzują się podobną sprawnością pomiędzy 6% a 7%. GPHS użyto np. w misji Galileo. Kontynuacją rozwoju systemów RTG jest Multi Mission (MM) RTG. Znalazły one zastosowanie w łaziku Curiosity na Marsie. Ich dodatkową zaletą jest możliwość działania na powierzchni planety i w kosmosie.

Źródło: nuke.fas.org

Źródło: nuke.fas.org
Zawieszony projekt kosmicznych reaktorów
ASRG (Advanced Stirling Radioisotope Generator) był projektem NASA, w którym ciepło rozpadowe byłoby wykorzystane za pomocą silnika Stirlinga. Miał on spełniać rolę MMRTG, czyli operować na planecie, jak i w kosmosie. W skład ASRG wchodzi GPHS, który podgrzewa głowice. Następnie podgrzany gaz się rozszerza, co powoduje pracę swobodnego tłoka. Sprawność ASRG była blisko 4-krotnie wyższa od GPHS RTG i wynosiła ok. 30%. Ze względu na wysokie koszty programu (ok. 450 mln dolarów) i posiadanie tylko 30 kg Pu-238, w listopadzie 2013 r. NASA zatrzymała program. Jest to dość ironiczna decyzja pod względem zaoszczędzania plutonu, gdyż ASRG zużywa 6 razy mnie plutonu (0,8 kg), generując większą moc elektryczną (140 W), w porównaniu do MMRTG (odpowiednio 4,8 kg i 110 W). NASA przewidywała, że zaoszczędzi 170 milionów dolarów, wstrzymując ten projekt.

Źródło: NASA
Coraz większe moce reaktorów w kosmosie
Wcześniej wspomniany Topaz-I był radzieckim reaktorem na ciekły metal. Jest on reaktorem termicznym, wysokotemperaturowym z wodorkiem cyrkonu jako moderatorem oraz ciekłym stopem sodu i potasu (NaK) jako chłodziwem. Dla temperatury chłodziwa osiągającej 1500°C został zastosowany unikatowy sposób konwersji energii cieplnej na elektryczną – termoelektronowy konwerter energii (Thermionic power converter). Jest to typ konwersji energii, gdzie w wysokich temperaturach (1500-2000 K) między elektrodami występuje emisja termoelektronowa. Z emitera następuje emisja elektronów, które płyną w kierunku kolektora. Powstałą różnicę napięć można wykorzystać jako energię elektryczną. Z mocą termiczną 150 kW i elektryczną 5 kW, prawdopodobnie jest to reaktor o największej mocy w kosmosie.

Źródło: 1999 Encyclopedia Britannica, Inc.

Źródło: Gary L. Bennett, 1989
Jest jednak problem z wysyłaniem rzeczy w kosmos, ponieważ mogą one spaść. Jednym z takich przypadków jest radziecka satelita Kosmos 954. Spadła ona na niezamieszkałym terenie w Kanadzie. Skutkiem wypadku było rozprzestrzenienie materiałów promieniotwórczych na 600-kilometrowej ścieżce spadającej satelity. Nie był to pierwszy ani ostatni wypadek tego typu.
Innym problemem wynikającym z operowania reaktorów na orbicie były wycieki NaK. Jak wcześniej wspomniano, było to chłodziwo reaktora TOPAZ-I (oraz BES-5). Przypuszcza się, że z 16 reaktorów, które wysłano, ok. 5,3 kg chłodziwa wyciekło na orbitę. Jest to problemem, ponieważ te kropelki, podobnie jak inne kosmiczne śmieci, stwarzają zagrożenie dla innych satelit i misji kosmicznych. Kropelki różnią się rozmiarem od paru milimetrów, do pięciu centymetrów i ze średnią prędkością 15 km/s stwarzają duże niebezpieczeństwo.
Dodatkowym problemem dla instrumentów w kosmosie są fotony gamma z reaktora. Mogą one wydostać się poza reaktor i trafić w inną satelitę. Powyżej 1 MeV fotony w interakcji z materią mogą stworzyć parę elektron-pozyton. Następnie ten pozytron anihiluje się z elektronem (niekoniecznie tym samym z kreacji) i wytwarza dwa fotony gamma. Te fotony mogą interferować z instrumentami satelity.
Najpotężniejsza rakieta w historii nie była atomowa
Nie wchodząc w dokładne szczegóły, reaktory jądrowe można również wykorzystać do napędu rakiet i statków kosmicznych. Ten typ napędu można podzielić na dwa rodzaje, najpierw będzie o zamkniętym obiegu paliwa, gdzie reaktor podgrzewa gaz, który później wylatuje ze znaczną prędkością. Ten typ napędu jest podobny do wysokotemperaturowych gazowych reaktorów na Ziemi i nie uwalnia dużych ilości promieniowania do otoczenia. Dla zilustrowania różnic tego typu napędu z konwencjonalnym chemicznym napędem zostanie porównany prototypowy reaktor Phoebus 2 i Rocketdyne F-1 z rakiety Saturn V, najpotężniejszej rakiety w historii.
Porównanie napędu konwencjonalnego z atomowym
Zaczynając od F-1, jest on napędzany mieszanką ciekłego tlenu z RP-1 (nafta wysokiej jakości). Zużywa on 788 kg/s RP-1 i 1789 kg/s tlenu, co daje razem 2577 mieszanki palnej zużywanej na sekundę. Osiąga przez to ciąg 6770 kN (na poziomie morza), impuls specyficzny (jednostka do mierzenia wydajności silników rakietowych) 304 sekund i pracuje on przez 160 sekund. W ciągu swojej pracy zużyje 412 ton czynnika. To jest tylko na jeden silnik, pierwsza część Saturna-V miała ich pięć.
Natomiast Phoebus 2 jako czynnika używał ciekłego wodoru, ponieważ wyrzucanie lekkich cząsteczek jest wydajniejsze. Z mocą nominalną 5000 MW, strumieniem czynnika 129,3 kg/s o temperaturze 2200℃ i czasie pracy 1540 sekund (dana ekstrapolowana z 32-minutowego testu) silnik zużyje 198,5 ton ciekłego wodoru. Dostarczy natomiast on ciąg wynoszący 1112,5 kN i specyficzny impuls o wartości 820 sekund. Co więcej, po teście silnik wykazywał minimalne zużycie i można było go przetestować ponownie. Planowano używać tego typu silników tylko w kosmosie – w misjach na Marsa lub Księżyc, a na orbitę miały być wysyłane przy pomocy silników chemicznych. Powodem tego było ryzyko wybuchu rakiety w atmosferze ziemi, nawet przeprowadzono test wybuchu silnika wykazujący brak wydostania się radioizotopów podczas eksplozji (test był na reaktorze typu KIWI).
Choć projekt istniał w latach 60. i jeszcze nie stanął na Księżycu, to już zaczęto obcinać budżet. NASA ze zmniejszonymi zasobami skupiła się na misji Voyager, wstrzymując rozwój napędu jądrowego. Jednakże w 2023 r., NASA ogłosiła współpracę z DARPA nad rozwojem nowych silników z napędem jądrowym. Pierwsze urządzenia demonstracyjne mają być najprędzej w 2027 r.

Źródło: NASA.
- Zobacz również: Jak nie magazynować odpadów radioaktywnych? Historia i przyszłość Centrum Szkolenia Załóg Atomowych Łodzi Podwodnych w miejscowości Paldiski
Obieg otwarty silnika w rakietach
Drugim typem rakiet o napędzie jądrowym są silniki z obiegiem otwartym. Działają one na zasadzie wyrzutu produktów rozszczepieniowych z silnika. Jest kilka wersji tego silnika, między innymi to reaktor o ciekłym rdzeniu, gazowym, pulsującym strumieniu neutronów, wodno solankowym (też zwanym detonacyjnym) i wiele innych. Napęd tego typu potrafi mieć od kilku do tysiąckrotnie większy specyficzny impuls niż napęd w obiegu zamkniętym. Wadą tych rozwiązań jest ilość skażenia radiacyjnego, jakie wyrzucają do otoczenia. Praktyczne ich zastosowanie jest tylko możliwe w przestrzeni kosmicznej, daleko od orbit planetarnych. Z tego, co wiadomo poza pracą teoretyczną, żadne instytuty naukowe nie prowadzą rozwoju tego typu napędu. Jednakże są przypuszczenia, że Rosjanie posiadają rakietę tego typu, o natowskiej nazwie SSC-X–9 Skyfall. Przypuszczenia te wynikają z wykrycia rutenu (Ru-106) w atmosferze, podczas testów w 2017 r.

Źródło: NASA.
Elektrownie jądrowe w kosmosie – jakie plany na przyszłość mają liderzy przemysłu kosmicznego?
W tej części można tylko mówić o planach, jakie mają agencje rządowe albo firmy, bo nigdy nie wysłano w kosmos reaktora o większej mocy niż TOPAZ-I. W 2022 r. NASA ogłosiła plan rozwoju elektrowni jądrowej na Księżycu. Wymagają, aby reaktor miał moc 40 kW, ważył mniej niż 6 ton i miał możliwość pracy na powierzchni przez 10 lat. Z bardziej znanych marek, w projekcie wzięły udział m.in. Lockheed Martin, Westinghouse oraz Boeing. W styczniu 2024 ogłoszono koniec fazy I projektu. Na 2025 planują przetargi i rozmowy z dostawcami, jakie są ich możliwości, aby określić wymagania fazy 2. Kolejnym etapem będzie wysłanie prototypu na Księżyc, na początku lat trzydziestych.
W grudniu 2024 r. Włosi również zaczęli badania nad reaktorem na Księżycu, projekt nosi nazwę SELENE, ma on trwać 3 lata. W ramach projektu wprowadzono kolejny akronim w obrębie technologii jądrowych – SNR (Surface Nuclear Reactor). W marcu 2024 r. Chiny i Rosja ogłosiły, że planują wspólnie zbudować reaktor na Księżycu. W październiku 2023 francuska firma Framatome ogłosiła utworzenie dywizji kosmicznej.
Źródła: space.com, energy.gov, nssdc.gsfc.nasa.gov, ntrs.nasa.gov, nuke.fas.org, britannica.com, planetary.org, discovery.larc.nasa.gov, youtube.com, grc.nasa.gov, conference.sdo,esoc,esa.int, universetoday.com, nasa.gov, interestingengineering.com, neimagazine.com, livescience.com, popularmechanics.com, framatome.com
Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Energetyków Jądrowych URANIUM, AGH.
inż. Dawid Borowski