Na sovietskych špionážnych satelitoch nám nad hlavou krúžia jadrové reaktory

Než sa pustíme do našej (našťastie len na pohľad) veľmi "explozívnej" témy, dovoľte jedno upresnenie. Budeme sa venovať naozaj len "jadrovým reaktorom". Teda zariadeniam, v ktorých sa veľmi zjednodušene povedané nejakým spôsobom umelo rozbehne rýchlejšie štiepenie vhodného materiálu, uvádza v článku Technet.cz.

Pre výskum kozmu sa častejšie používajú tzv. rádioizotopové termoelektrické generátory, skrátene RTG. V tých sa prirodzeným tempom rozkladajú prvky, ktoré v prírode nenájdete (napríklad plutónium). Nenájdete ich prirodzene práve preto, že sa tak ochotne rozkladajú.

RTG zdroje sú pomerne bežné, do vesmíru sa ich dostalo niekoľko desiatok. Jeden poháňa napríklad sondy Voyager, vozidlo Curiosity na Marse, ďalšie sa používajú, alebo sa majú použiť na lety do vzdialenejších časti slnečnej sústavy, kde je slnečné žiarenie slabšie.

Na obežnej dráhe Zeme v tejto chvíli krúži 31 družíc s jadrovým reaktorom. Všetky ako palivo používali urán obohatený na úroveň, ktorú možno považovať za dostatočne vhodnú pre použitie v jadrových zbraniach skôr než pre bežné elektrárne. Všetky sú nefunkčné a "zaparkované" pomerne vysoko nad našimi hlavami.

Kto ich tam poslal a prečo?
S popisom reaktorov začnime v USA, a to len z toho dôvodu, že pôjde o krátku zmienku. USA vypustili do vesmíru jediný jadrový reaktor pod názvom SNAP-10A, a to v apríli 1965.

Mal hmotnosť zhruba 450 kilogramov, z čoho iba 1,3 kilogramu pripadalo na urán 235. Palivo bolo vysoko obohatené (90 percent tvoril U235, u bežných elektrární to nie sú ani štyri percentá). Pritom vyrábal len 35 kW tepla a len 600 W elektrického výkonu. Nestačil by teda v podstate ani na väčšinu mikrovlniek.

Príčina tkvie vo veľmi neefektívnom spôsobe premeny tepla na elektrinu, v prípade SNAP-10A s ani nie dvojpercentnou účinnosťou. Na Zemi používame turbíny, ktoré dnes majú účinnosť okolo 40 percent, pre použitie v kozme sa však nehodia. Chce to niečo jednoduchšieho a prvé, čo konštruktéri mohli reálne použiť, bola priama premena tepla na elektrinu pomocou termoelektrického javu.

Je to rovnaký princíp ako u radioizotopových zdrojov. Zjednodušene povedané sa urobí polovodičový okruh, ktorého jedna časť je v teple (pri uráne/plutóniu) a druhá v chlade. Čím väčší je rozdiel v teplotách medzi oboma stranami, tým väčšie sa vytvára napätie. V tomto prípade by teplo z reaktora vyvádzal tekutý sodík. Zohrieval jednu stranu obvodov, ktoré sa druhým koncom chladili vo vesmíre. Systém je jednoduchý, spoľahlivý, ale bohužiaľ veľmi neúčinný, ako bolo vidieť aj v prípade SNAP-u.

Americké plány odhadovali, že reaktor by na obežnej dráhe mohol pracovať zhruba rok. Po 43 dňoch ho bohužiaľ z prevádzky vyradila chyba úplne nesúvisiaceho komponentu (stabilizátora napätia), ktorá viedla k núdzovému odstaveniu reaktora a ukončeniu experimentu.

Žltou farbou vyznačené berýliové neutrónové
Zdroj: NASA / Kilowpower Report (2017)

Na sledovanie morí
SNAP-10A stále je na obežnej dráhe, ale čelí mnohonásobnej ruskej presile. Na rozdiel od USA totiž ZSSR používal jadrové reaktory na družiciach systematicky. Všetky zvyšné tri desiatky reaktorov na obežnej dráhe sú teda "Cделано в СССР".

Všeobecne a trochu zjednodušene sa uvádza, že Kremeľ využil svojich silných nosičov, aby kompenzoval slabosť elektroniky. Reaktory slúžili ako zdroj pre veľmi "hladné" radary na palube špionážnych družíc, ktoré mali sledovať hladinové lode USA a ich spojencov.

Oficiálne všetky tieto družice niesli názov Kosmos, pretože boli označované za prostriedky vedeckého výskumu Zeme. Ruský názov pre rad bol Управляемый Спутник Активный (teda Ovládateľná aktívna družica), na Západe sa vžila skratka RORSAT.

Radary na palube týchto družíc potrebovali cca 1 kW elektriny, satelity sa pritom pohybovali po dráhe od jedného pólu k druhom - čo znamená, že polovicu času boli v tme. Navyše využiteľnosť radarov rýchlo klesá so zvyšujúcou sa vzdialenosťou (presne so štvrtou mocninou), a tak satelity musia byť na nízkych obežných dráhach. Na nich by však fotovoltaické panely stále predstavovali aerodynamickú záťaž. Preto padla voľba na využitie jadrových reaktorov.

Väčšina, 31 z celkom 33 družíc tejto rady (zoznam napr. tu), mala na palube reaktor nazvaný BES-5 (či "Buk"). Palivom bol vysoko obohatený urán (90 percent tvoril aktívny izotop 235U), ktorého je na palube údajne zhruba od 30 do 45 kilogramov.

Celý reaktor má hmotnosť 900 kilogramov a vyrábal 100 kilowattov tepla. Elektrina sa vyrábala termoelektricky, takže nie veľmi účinne. Elektrický výkon bol zhruba od 1,3 do 4 kW. Maximálna dĺžka prevádzky bola pol roka, v praxi to častejšie bolo niečo medzi štyrmi až piatimi mesiacmi.

V ZSSR vyvíjali pre vesmírne využitie ešte niekoľko ďalších reaktorov. Tým najpokročilejším typom, ktorý ZSSR do vesmíru skutočne dostal, bol v roku 1987 typ označovaný ako TOPAZ. Rovnako ako predchádzajúce BES-5 pracuje s vysoko obohateným palivom, aby mohol byť reaktor čo najľahší a najvýkonnejší.

Samozrejme dizajn bol odlišný. Išlo o reaktor chladený tekutým kovom (konkrétne zliatinou sodíka a draslíka), ktorý mal pracovnú teplotu cca 610 ° C (maximálna teplota v aktívnej zóne mohla byť až trikrát vyššia).

Maketa je umiestnená v Polytechnickom múzeu v Moskve.
Zdroj: собственная работа, Creative Commons

​Vysoká teplota sa využila pri výrobe elektriny. Používal sa iný proces ako u BES-5 či Voyageri, a to tzv. termionické premeny. Tento jav bol v roku 1893 objavený v Edisonových laboratóriách. Veľmi jednoducho povedané znamená, že niektoré materiály pri veľmi vysokých teplotách uvoľňujú elektróny, čo je tiež spôsob, ako priamo z tepla vyrábať elektrinu.

Účinnosť je o niečo vyššia ako u termoelektrických článkov, ale teploty musí byť výrazne vyššie. Vyvinúť materiály, ktoré splnia všetky nároky vrátane odolnosti proti radiácii, nie je triviálne a v materiálovom ohľade bol po skončení studenej vojny jeho nástupca TOPAZ-II, o ktorom bude ešte reč, zaujímavým študijným materiálom.

Vďaka zvýšeniu účinnosti výroby elektriny na zhruba päť percent (z cca 1-2 percent) sa znížila hmotnosť celého reaktora aj paliva na palube. TOPAZ dodával 5-10 kW údajne až po dobu jedného roka pri celkovej hmotnosti 320 kilogramov a len s 12 kilogramami uránového paliva.

Existovala už spomínaný vylepšený variant TOPAZ-II, ktorý bol pripravený na cesty na obežnú dráhu, ale nakoniec putoval len po Zemi. Išlo o väčšie zariadenie s hmotnosťou okolo tony, ktoré malo zhruba rovnaké výkony (vyrábalo 135 kW tepla, 6 kW elektrických), ale vďaka svojej veľkosti mohlo energiu dodávať dlhšiu dobu, údajne zhruba tri roky. V aktívnej zóne bolo približne 27 kilogramov paliva.

TOPAZ-II už ZSSR ani Rusko do vesmíru nevyslalo. V 90. rokoch krátko žila nádej, že by mohli letieť v spolupráci s cudzinou, dokonca sa niekoľko zariadení na Západe intenzívne testovalo, údajne úspešne. Konkrétny výsledok v podobe letu sa však nedostavil.

Kedy nám to spadne na hlavu? Čas máme
Toľko k tomu, aké reaktory na obežnej dráhe sú. Ale čo bude, až sa na nej neudržia? Našťastie táto otázka nenapadla len nám, ale aj konštruktérov a zadávateľov.

Vďaka tomu môžeme povedať, že nebezpečenstvo, ktoré od týchto "vrakov" hrozí, je smiešne malé. Družica a ich reaktory boli postavené tak, aby mali niekoľko poistiek. Ako sme už uvádzali, reaktory slúžili svojmu účelu pomerne krátku dobu. Po skončení životnosti u drvivej časti naskočila naprogramovaná "poistka" a raketový motor reaktorovou časť vyniesol na vyššiu obežnej dráhy (takmer kruhové dráhy cca 800 až 900 kilometrov nad povrchom).

Na tej by mali zostať tak dlho, že v "dohľadnej dobe" nebudú predstavovať problém. Neznamená to, že na Zem sa prípadne vrátia úplne neaktívne. Väčšina U235 na palube sa počas doby fungovania reaktora premenila na iné prvky, ktoré všeobecne povedané sa rozpadajú relatívne rýchlo. V čase návratu satelitu na Zem najskôr za niekoľko sto rokov a skôr neskôr by teda celková svietivosť materiálu satelitu mala byť mnohonásobne nižšia ako v okamihu štartu.

Nešťastie však nechodí len po ľuďoch, a v niekoľkých prípadoch všetko nezafungovalo, ako malo. Napríklad jediná americká "jadrová" družica SNAPSHOOT s reaktorom SNAP-10A na palube bola po ukončení prevádzky síce zaparkovaná na vysokej obežnej dráhe, ale v bezpečí napriek tomu evidentne nebola. V roku 1979 sa z nej postupne začali "drobiť" menšie kusy, dnes už ich máme napočítaných viac ako 110. Väčšina z nich je vyslovene drobných, menších ako desať centimetrov.

V roku 1985 sa tiež z neznámych dôvodov na obežnej dráhe rozpadla družica Kosmos 1461. Celkovo sa rozložila na 180 kúskov, z ktorých je ešte niekoľko na obežnej dráhe. Nemala by spadnúť skoro, rádovo až za tisíce rokov.

Tento konkrétny problém teda najskôr prenecháme budúcim generáciám. S dodatkom, že to asi nebude ten najväčší problém, ktorý po nás zdedí.

Tri družice z "jadrovej rady" na Zemi však už dopadli. Konkrétne to bol Kosmos 556 (v roku 1973), 954 (v roku 1977) a 1402 (v roku 1983). Dve z nich spadli do oceánu, Kosmos 556 do Tichého oceánu krátko po štarte kvôli zlyhaniu nosnej rakety. Kosmos 1402 sa rozpadol pri pokuse o vynesenie reaktora na vyššiu dráhu v troch väčších kusoch medzi 30. decembrom 1982 a 7. februárom nasledujúceho roka. Posledný padol k zemi práve reaktor a zanikol nad južným Atlantikom.

Tretí z postihnutých, Kozmos 954, bol jediný, ktorý dopadol na pevninu. Smolu v lotérii mala Kanada.

Koniec prvého dielu. Ako najslávnejšia havária jadrového satelitu dopadla, sa dočítate v zajtrajšom pokračovaní článku.