Česká firma vyvíjí malý jaderný reaktor pro použití ve vesmíru i na Zemi

Mikroreaktor RAVEN, opírající se o zcela nový typ jaderného paliva i o nové konstrukční materiály, může zároveň dobře sloužit i na Zemi – všude tam, kde je potřeba mít v pohotovosti nebo rychle po ruce spolehlivý, bezpečný, stabilní a dlouhodobý zdroj energie. Informovala o něm nyní i Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská (FJFI) ČVUT v Praze.

Martin Ševeček, jaderný fyzik z FJFI ČVUT a technický ředitel firmy Stellar Nuclear, vysvětlil jejich hlavní filozofii následovně:

„Dostatek energie je klíčový pro jakoukoli lidskou činnost, nejen ve vesmíru. Pro kosmické mise se nejčastěji využívají špičkové bateriové a solární systémy, základní fyzikální principy však jejich využitelnost omezují. Pro mise, u kterých máme sníženou intenzitu slunečního záření (odvrácená strana Měsíce, vzdálenější tělesa Sluneční soustavy), dlouhodobé mise trvající desítky let (Voyager) nebo mise s vysokou energetickou náročností (povrchové základny na planetách) je nutné využít alternativní zdroje energie,“ upozornil.

„Současný stav poznání a technologií nám v tomto smyslu umožňuje v blízké budoucnosti využívat jaderné štěpení, případně radioaktivní rozpad. Z tohoto pohledu je zřejmé, že pokud dojde v blízké budoucnosti k výstavbě základen na Měsíci či Marsu, misím k měsícům Saturnu, Jupitera i dále nebo k většímu technologickému vzestupu lidstva, bez jaderné energie se to neobejde. Navíc se do vesmíru částečně přesunuly boje o budoucí mocenskou převahu mezi velmocemi. Proto se v této oblasti dá čekat velmi dynamický rozvoj,“ shrnul.

Konsorcium UJP PRAHA, ČVUT a Stellar Nuclear nedávno získalo grant na realizaci projektu mikroreaktoru RAVEN od Technologické agentury ČR, v rámci programu THÉTA 2. Projekt by měl být dokončen v roce 2029, pak by měly následovat další fáze: stavba pozemního demonstrátoru, poté kvalifikace a certifikace, tedy schválení příslušné technologie národními i mezinárodními úřady pro použití ve vesmíru.

Posledními fázemi jsou demonstrační mise mikroreaktoru v kosmu a jeho výroba a komerční nasazení. Jádrem firmy jsou zmínění bratři Jakub a Martin Ševečkovi, fyzik se zkušenostmi ze švýcarského CERNu Michal Marčišovský, dále vesmírný inženýr Ondřej Krepl a také již zmíněný Tomáš Svítek. Firma zaměstnává několik desítek lidí.

„Naším cílem je využít desítky let trvající tradice československého know-how v jaderné energetice. Zaměřujeme se na radioizotopové systémy, kde prakticky celý svět ještě donedávna spoléhal na Rusko, štěpné mikroreaktory pro pohony kosmických lodí i napájení základen, vývoj radiačně odolné elektroniky pro naše systémy a na bezpečnostní analýzy, které jsou v této oblasti před každým reálným využitím nutné,“ doplnil Martin Ševeček.

Stellar Nuclear se zaměřuje na několik klíčových oblastí. Kromě vlastního vývoje mikroreaktorů jako RAVEN, které fungují na principu štěpné jaderné reakce, se také zabývá jejich možným využitím na povrchu jiných planet i menších těles, jako jsou měsíce a asteroidy, také zapojením mikroreaktorů do systémů jaderného termálního a elektrického pohonu kosmických lodí a sond a v neposlední řadě otázkami jaderné bezpečnosti.

Bez spolehlivých a efektivních zdrojů energie si nelze představit skutečnou kolonizaci naší Sluneční soustavy, která obnáší mj. budování základen na planetách a zrychlení meziplanetární dopravy. Vedle modulárních jaderných mikroreaktorů nové generace se ovšem také firma zabývá konstrukcí a vývojem klasických radioizotopových termálních generátorů (RTG) elektrické energie s menšími výkony, které např. NASA používá již desítky let na kosmických sondách operujících na Marsu či v oblasti vnějších planet.

Koncept mikroreaktoru byl navržen pro použití v rámci základen na povrchu Měsíce či Marsu, na palubě kosmických lodí jako zdroj energie pro raketový pohon v kosmickém prostoru či pro jiné potřeby posádky, avšak potenciálně i na Zemi. Má sloužit k výrobě elektřiny a tepla pro dlouhodobé mise a expedice trvající až řadu let, zejména tam, kde fotovoltaika nestačí nebo je doprava chemického paliva neefektivní. V rámci jeho vývoje je třeba navrhnout a otestovat nový typ jaderného paliva a pokročilých konstrukčních materiálů, hlavně za účelem jeho provozní bezpečnosti i efektivity.

Firma počítá s novým typem paliva na bázi tzv. trikarbidu obsahujícího uran, s houbovitou strukturou a ochrannými vrstvami. Toto palivo je velmi odlišné od palivových tyčí, které se používají v běžných jaderných elektrárnách. Mělo by odolat extrémním teplotám přes 2500 stupňů Celsia a zajistit vysoký výkon reaktoru při jeho relativně malé hmotnosti (hmotnost aktivní zóny bude činit kolem 2,2 tuny). Brzy bude otestován tzv. simulátor paliva (bez uranu), aby bylo možno vyladit jeho vlastnosti.

V rámci konstrukce reaktoru budou místo klasických kovových materiálů použity kovové pěny s vysokým procentem vnitřních dutin, aby byl reaktor maximálně odlehčen a zároveň bylo zabezpečeno dobré biologické stínění proti ionizujícímu záření. Půjde jak o materiál pro stínění ionizujícího záření, tak pro tepelný výměník. RAVEN také počítá s využitím CO₂ z atmosféry Marsu jako teplosměnné látky v rámci konverzního cyklu, kdy se teplo mění na elektřinu.

„Součástí vývoje je také optimalizace oběhových cyklů a mikroturbín, které zvyšují celkovou účinnost systému a snižují jeho prostorové nároky. Tyto turbíny jsou navrhovány s ohledem na minimální hmotnost, vysokou spolehlivost a schopnost dlouhodobého autonomního provozu bez údržby,“ řekl jeden z vývojářů konsorcia Václav Dostál z Ústavu energetiky Fakulty strojní ČVUT.

Aktuálně se tedy projekt nachází ve fázi návrhu konstrukce reaktoru, testování vyvíjených materiálů a ověřování počítačových simulací. Následovat bude zajištění bezpečnostní certifikace a finální integrace celého systému.

„Malá poznámka: název RAVEN (Havran) není zkratkou, ale dalším ‚ptačím‘ názvem, symbolicky navazujícím na školní reaktor VR-1 ‚Vrabec‘, na kterém jsme se učili během studií na FJFI nebo MFF UK. Havran je větší než Vrabec, ale ne zas úplně velký,“ přidal Martin Ševeček jednu zajímavost.

Vývoj mikroreaktorů jako RAVEN a souvisejících inovací (nové palivo, lehké materiály) může mít pozitivní dopad i na pozemskou energetiku, průmysl a ekonomiku. Jaderná energie jakožto bezpečný, spolehlivý a ekologický zdroj je navíc přirozeným a hladkým nástrojem dekarbonizace, protože nevyžaduje prakticky žádnou změnu chování lidí ani omezování ekonomických toků. Tento zdroj také může být dále průběžně modernizován.

Speciální kapitolou je využití jaderných mikroreaktorů v extrémních podmínkách, např. pod mořem, v Antarktidě nebo v jiných odlehlých koutech Země. Konkrétně se ve výhledu hovoří o napájení datových center v arktických oblastech nebo jiných zařízeních, která vyžadují stabilní a dlouhodobý přísun energie bez ohledu na okolní podmínky.

Mikroreaktory by byly prospěšné i při řešení krizových situací – mohly by být v podobě uzavřeného kontejneru rychle dopraveny do oblastí postižených přírodní katastrofou, kde by okamžitě zajistily energii např. pro nemocnice nebo záchranné operace.

Firma také plánuje vyvíjet nové systémy využívající přirozeného radioaktivního rozpadu jader izotopů k výrobě tepelné anebo elektrické energie, ve spolupráci s ESA BIC a sesterskou firmou Stellar Exploration. Tento způsob výroby energie bude určen zejména pro družice Země a kosmické sondy. Někdy se těmto zdrojům říká „radioizotopové baterie“. Cílem je vyvinout novou generaci těchto baterií s životností přesahující 50 let.

Martin Ševeček rovněž pochopitelně sleduje, co se v této oblasti děje ve světě. „Navzdory výrazným škrtům a propouštění v NASA oznámilo americké ministerstvo dopravy, že chce kolem roku 2030 umístit na Měsíci povrchovou základnu, vybavenou malým štěpným jaderným zdrojem energie. Jedná se o jasnou reakci na podobné oznámení Číny a Ruska z května. NASA již delší dobu sponzorovala několik projektů spojených s vývojem jaderného reaktoru pro vesmírné aplikace, takže nebudou začínat od nuly,“ poznamenal.