Wikipedista:Pisekvac/editujte s odvahou

Historie

Jaderné pohony vděčí za své využití a vývoj studené válce z padesátých let minulého století, kdy probíhaly závody ve zbrojení mezi největšími mocnostmi světa. Již po druhé světové válce bylo jasné, že ten kdo bude schopný využít energii z jádra, bude mít obrovskou převahu. Vojenský vývoj jaderných pohonů pro lodě, ponorky, letadla, tanky a kosmické sondy byly předmětem vývoje zejména v SSSR a USA. Reaktory pro pohon ponorek se staly základem vývoje reaktorů pro jaderné elektrárny v USA i v Sovětském svazu. V roce 2014 vlastní jaderné pohony i jiné státy, jako např. Francie, Velká Británie, Čína, Indie[8].

Jaderný pohon se prosadil zejména v jaderných ponorkách. Hojně se využívá jaderného pohonu také na letadlových lodích (USA) a raketových křižnících (RUS). Jako jediné jaderné pohony pro mírové účely se prosadily jaderné ledoborce. V minulosti byly postaveny také tři nákladní lodě na jaderný pohon, ty jsou však dnes odstaveny, nebo přestavěny na konvenční spalovací pohon. Jaderná letadla ani tanky se neprosadily zejména z důvodu problému odstínění posádky od jaderného reaktoru. Jaderná letadla vznikla dvě, jedno v USA a druhé v SSSR. Projekt jaderného tanku skočil pouze u makety. Jaderný pohon se využívá i pro lety do kosmu, do roku 2014 se ho využilo v necelých 30 kosmických sondách. Tento zdroj vždy pracoval naprosto spolehlivě. Do budoucna lze předpokládat, že se bude radioizotopového pohonu hojně využívat k cestám do meziplanetárního prostoru, kde tyto sondy spolehlivě pracují na rozdíl od pohonů využívající sluneční záření.

Technická data

Jako pohonu lze využít tepelné energie ze štěpné reakce probíhající v jaderném reaktoru, nebo tepelné energie z radioaktivní přeměny a následné přeměně na elektrickou energii přes radioizotopový termoelektrický generátor (RTG).

1) Jaderný pohon využívající štěpnou reakci z jaderného reaktoru je velice efektivní pohon, dovolující plavidlům plout téměř kamkoliv bez nutnosti doplňování paliva a rychlostí, která je v případě potřeby vyšší než rychlost většiny „běžných“ pohonů. Jaderné pohony využívají od začátku svého vývoje díky limitovanému prostoru v drtivé většině „malé“ tlakovodní reaktory (PWR/VVER) s vysokou hustotou výkonu, později se přidaly také malé reaktory chlazené tekutým kovem Pb-Bi. Uvolněná energie ze štěpení pak přeměňuje vodu na páru, která pohání turbíny zajišťující pohon plavidel a také výrobu elektrické energie. Jako palivo pro reaktory atomových plavidel se používá izotop uranu U-235, stejně tak jako u komerčních reaktorů vyrábějících elektrickou energii, s tím rozdílem, že v jaderných plavidlech je vysoce obohacen.

2) Jaderný pohon využívající radioaktivní přeměnu je využit zejména v prostředí, kde nelze využít energie ze Slunce (práce velmi vzdálená od Slunce, práce na odstíněné straně planety atp.). Využívá se radioizotopový zdroj energie k udržení pracovních podmínek a hlavně jako zdroj elektrické energie získaný pomocí termočlánku (využitím Seebeckova jevu) pro pilotované i bezpilotní vesmírné sondy. Radioizotopový zdroj využívá rozpadu radioaktivních látek. Existuje však pouze několik radioizotopů, které mají vhodný poločas rozpadu a je tak možné je využít a dosáhnout požadovaného výkonu. Nejčastěji se pro kosmický průmysl využívá izotop 238Pu díky svému výhodnému poločasu rozpadu 87,7 roku.

schéma jaderného pohonu plavidel

Plavidla na jaderný pohon

Již ve 30.letech 20. století se objevila myšlenka vybavit plavidla jaderným pohonem, avšak její praktická realizace byla možná až o dvě desetiletí později. Jaderné reaktory pro pohon vojenských ponorek a hladinových lodí byly jedinečným technickým úspěchem 20. století. Jako první dostaly jaderný pohon ponorky, pro tuto kategorii plavidel obrovská síla získávaná štěpením atomů znamená zcela zásadní zvrat v konstrukci, výkonech, taktice i strategii. Do všech plavidel byly instalovány v drtivé většině malé jaderné reaktory typu VVER, v několika případech byly použity reaktory chlazené tekutými kovy Pb-Bi.

Jaderná ponorka

získala díky obrovské energii z jádra možnost vydržet pod hladinou velmi dlouhou dobu (běžně až 6 měsíců), neboť se nemusí vynořovat kvůli dobití baterií a současně dodává energii pro generování kyslíku. Obyčejné diesel-elektrické ponorky musí na své palubě nést těžké akumulátory, mají menší výkon a akční rádius (zhruba „jen“ desítky tisíc km). Další výhodou vysoké energie z jádra se stalo umožnění velmi rychlé plavby pod vodu (více než 45 uzlů, cca 85 km/h).

Jaderné ponorky hrály největší prim v druhé polovině 20. století během studené války, kdy USA a Sovětskému svazu sloužily k odstrašení nepřítele, hlavně díky svému jadernému arsenálu na palubě. Jako první se do tohoto úkolu postavit jadernou ponorku pustili Američané, od roku 1951 stál v čele projektu admirál Hyman G. Rickover (1900-1986). Již v roce 1955 se začala plavit první ponorka USS Nautilus pouze na jaderný pohon, tato ponorka byla vzor pro všechny pozdější jaderné ponorky. Bylo to první plavidlo, které dosáhlo geografického severního pólu pod ledem. V SSSR zkonstruovali první jadernou ponorku s názvem K-3 v roce 1958. Jaderné ponorky jsou však velmi drahé, proto si je mohou dovolit jen největší mocnosti světa. Koncem 80. let bylo v SSSR ve službě na 450 jaderných ponorek, což bylo téměř dvakrát tolik jako ve všech ostatních zemích. ^[8]

Jaderné lodě

– rozdělují se do dalších skupin. Letadlové lodě (USA), jaderné ledoborce, raketové křižníky (Rusko, bývalé SSSR) a nákladní lodě.

USS Enterprise (CVN-65)

Letadlové lodě

jsou konstrukčně takřka shodné s jadernými ponorkami, jsou však mnohem větší, což znamená větší hmotnost a s tím horší pohybové možnosti, oproti ponorkám. Roku 1961 vznikla první letadlová loď s názvem USS Enterprise. Její pohon zajišťovalo osm reaktorů o celkovém výkonu 200 MWe.

Ruské křižníky

jsou velké válečné lodě, které jsou určeny jednak pro monitorování, tak i pro útočení na více různých cílů. Jejich úkoly jsou velmi rozmanité, mohou sloužit jako ochrana námořních konvojů, dále pro útočné operace a ostřelování nepřátelského pobřeží (díky raketovému arsenálu na palubě), nebo jen jako průzkumná plavidla. V loděnici v Leningradu byl během studené války postaven např. křižník s názvem Petr Veliký, který pohání dva jaderné reaktory.

ledoborec Jamal

Jaderný ledoborec

je jedinou aplikací, která je stále využívána a jaderný pohon slouží výhradně pro mírové účely. Ledoborce se využívají pro plavbu po zamrzlých vodních plochách. Jsou to v podstatě velké nákladní lodě, určené k prorážení cest pro ostatní lodě nebo k vyprošťování lodí uvízlých v ledu. Tato jaderná plavidla jsou schopna, díky obrovské síle získané z jádra, prorazit led až o tloušťce 3 metry. Největší výhodou opět zůstává dlouhá doba, po kterou jsou schopna vydržet bez doplňování paliva na vodě, což například u „normálních“ (dieselových) ledoborců v arktických přístavech bývá s doplňováním paliva problém. Všechny, dosud existující ledoborce byly vyrobeny v Rusku, resp. bývalém SSSR.

Jaderné nákladní lodě

měly sloužit jako demonstrace mírového užití jádra. V USA v rámci programu Atoms for peace vznikla v roce 1959 obchodní loď NS Savannah. Loď poháněl tlakovodní reaktor a mohla pojmout 8500 t nákladu nebo 60 pasažérů. Loď byla koncipována ve velmi luxusním stylu, představovala spíše luxusní jachtu než nákladní loď. Během svého provozu urazila 450 tisíc mil, v roce 1972 skončil její provoz, neboť náklady na její roční provoz vycházely přibližně o dva miliony dolarů více, než v případě srovnatelné lodi s klasickým pohonem.

NS Savannah

V době, kdy se chýlil konec provozu NS Savannah, vznikla v Německu civilní loď na jaderný pohon s názvem NS Otto Hahn a uvezla až 14 000 tun nákladu. Tato loď sloužila zejména k výzkumu plavidel právě s tímto pohonem. Po devíti letech provozu, kdy urazila 650 tisíc mil, byla taktéž z ekonomických důvodů odstavena, avšak její osud byl odlišný než u americké lodi. NS Otto Hahn byla přestavěna na konvenční spalovací pohon, tak jak bylo počítáno v původním projektu.

Poslední civilní jadernou lodí je nákladní loď vyrobená v Japonsku NS Mutsu, která však nikdy komerční náklad nevezla a byla pouze experimentální. Fungovala od roku 1972 až do roku 1992. Její provoz komplikovaly zpočátku obavy rybářů v domovském přístavu Ohminato, proto ho musela opustit a najít nový. I tato loď byla na konec přestavěna na konvenční spalovací motor.

Jaderné letadlo

tak jako byly vyvíjeny během studené války jaderné lodě, ruští a američtí inženýři dostali za úkol vyprojektovat letadlo, které by poháněl jaderný reaktor, a letadlo by bylo schopno vydržet ve vzduchu mnoho dnů až týdnů bez doplnění paliva a mohlo mít tak takřka neomezený dolet.

Convair B-36

Americký projekt. V letech 1955-1957 byl v Americe testován přestavěný bombardér Convair B-36 Peacekeeper bomber (v projektu Pluto) využívající jaderný pohon. Jaderný reaktor byl chlazený tekutým sodíkem a disponoval výkonem 1 MW. Pro start a přistání používal letoun klasické motory na chemické palivo, proto aby při případné kolizi nedošlo k úniku radioaktivních látek. Pětičlenná posádka byla od reaktoru odstíněna dvanáctitunovým olovo-pryžovým štítem. Tento letoun provedl 47 zkušebních letů, avšak ani jednou nebyl využit k pohonu letadla pouze přímý zdroj tepla z reaktoru. Lety, kdy byl spuštěn reaktor, sloužily pouze k měření a sběru dat pro další vývoj.

V roce 1960 bylo rozhodnuto o zastavení projektu jaderného letadla v Americe, ač se do tohoto letadla investovalo více než půl miliardy dolarů. Nevýhody, jako problém s odstíněním posádky od reaktoru nebo strach o pád letadla na obydlené území,  převážily nad výhodou neomezené délky pobytu ve vzduchu.

Sovětský projekt. I na druhé straně světa v SSSR se pokoušeli postavit letadlo na jaderný pohon. V SSSR se týmy jaderných inženýrů od roku 1955 snažily přestavět letoun Tu-95M. Přestavěný letoun nesl název Tu-119, byl charakteristický svým malým hrbem na trupu, kde vyčníval reaktor, který se celý nevešel do trupu letadla. V SSSR provedli přibližně 40 zkušebních letů, podle zdroje [5] na samotný jaderný pohon. Dle zápisů zkušebního pilota tohoto letadla však nebylo dbáno na odstínění posádky a navíc byl vypouštěn kontaminovaný vzduch. Ze dvou zkušebních posádek přežili jen 3 muži. Neřešitelným problémem inženýrů se stal,tak jako v Americe, problém s odstíněním posádky před radiací a přetížený letoun, proto i v SSSR byl vývoj jaderného letadla v roce 1969 zastaven.

Jaderný tank

se stal cílem pokusů projektů opět pro obě největší mocnosti studené války. USA a SSSR tak logicky navazovaly na vojenský vývoj jaderného pohonu v ponorkách, lodích a letadlech. Tank chtěly sestrojit hlavně proto, aby i v tanku dosáhly díky jadernému pohonu takřka neomezené výdrže, vysokého výkonu a nepřetržité pohotovosti a provozu.

Během vývoje šlo armádě prvotně o reaktory, které bude možné přesouvat a získat tak mobilní zdroje energie, které by například mohly dodávat energii pro vojenské základny. Američané vyvinuli pohyblivý reaktor APPR (Army Package Power Reactor), který dodával 2 MWe a bylo možné ho přemisťovat letadlem. Stejně tak vzniklo v SSSR několik pojízdných vojenských elektráren s označením TES-3, které byly přemisťovány na prodloužených podvozcích tanků, byly schopny vyrábět energii o výkonu přibližně 1,5 MWe.

Další krok byl přímo tank na jaderný pohon. Američané postupně vytvořili studie tanků, které měly být poháněny malým reaktorem. Jednalo se o studie s označením TV-1, Rex R-32, TV-8. Nejdále, až k maketě ve skutečné velikosti, byl vyvinut model TV-8, avšak stejně jako u jaderného letadla se zjistilo, že je takřka nemožné dostatečně odstínit posádku vozidla od jaderného reaktoru a umístit reaktor do tanku je neřešitelný problém. Z tohoto důvodu, kdy už armáda nechtěla dále podporovat vývoj, bylo rozhodnuto o zastavení projektu jaderného tanku. Nikdy nebyl vyroben tank na jaderný pohon.

Jaderné pohony v kosmu

schéma RTG sondy

Kosmické sondy

Poprvé bylo využito jaderné přeměny v USA na vojenských komunikačních sondách v roce 1961, na sondách s názvem Transit 4a a 4b. V SSSR to byly roku 1965 sondy Kosmos 84 a 90. Ruské sondy využívaly izotop ²¹⁰Po, který má poločas rozpadu pouze 138 dní, po kterých aktivita rychle vymizela. Rusko se poté ve svém kosmickém programu uchýlilo k využívání malých jaderných reaktorů. Využití radioizotopů je v kosmickém programu velmi výhodné, mezi ty největší výhody patří dlouhá životnost, jednoduchost a funkční nezávislost na okolí (odolnost proti magnetickému poli, radiaci, okolní teplotě). Celkově bylo dosud využito radioizotopového termoelektrického generátoru v necelých 30 kosmických sondách. Tento zdroj vždy pracoval naprosto spolehlivě, došlo pouze ke třem haváriím nosných raket (ne radioizotopového pohonu). Pouze v jediném případě došlo k uvolnění radioaktivity do okolí, toto množství však bylo takřka zanedbatelné. Zdroj energie z radioizotopu bychom našli i na vědeckých přístrojích, zanechaných projektem Apollo na měsíci nebo i na sondách pohybujících se na únikové dráze ze Sluneční soustavy-Cassini, Voyager 1,2 a další.

Do budoucna lze předpokládat, že se bude radioizotopového pohonu hojně využívat k cestám do meziplanetárního prostoru, kde tyto sondy spolehlivě pracují na rozdíl od pohonů využívající sluneční záření. V USA již projektují nový radioizotopový termoelektrický generátor, u kterého chtějí vytvořit generátor s vyšší účinností konverze tepla. Nové materiály by mohly zvýšit účinnost konverze až na několik desítek procent.

Projekty vesmírných pohonů.

Po druhé světové válce byly spuštěny programy využívající jadernou energii jako impulsový pohon pro zkoumání sluneční soustavy. Šlo o reaktory, které by za pomocí paliva ohřívaly plyn na velmi vysokou teplotu, a poté by plyn expandoval v raketových tryskách a umožňoval tak pohyb kosmického plavidla. Projekty na tento pohon Rover/NERVA měly dva hlavní cíle. Vytvořit impuls a vytvořit tah, který by kosmickou loď rozpohyboval. Jako palivo pro tyto pohony byl použit vodík. Programy NERVA/Rover byly ukončeny v roce 1973, neboť mise na Mars a Lunární mise byly odloženy na neurčito.

Dalším podobným projektem je např. projekt VASIMR. Energie pro tento pohon vychází z jaderné syntézy, která se v dnešní době používá u malých jaderných reaktorů třídy "tokamak". Jako palivo se u tohoto druhu pohonu využívá neutrálního plynu jako je helium, argon nebo xenon. Tento pohon může být spuštěn na nízký tah (systém poháněn malým proudem plazmy), nebo na vysoký tah, nýbrž v tomto stavu se musí motor vypínat, dochází pouze k jednorázovému tahovému impulzu. Tento projekt má nevýhodu v tom, že člověk ještě dokonale neumí ovládnout fúzní reaktor.

Zdroje:

[1]          http://vetrovec.blog.idnes.cz/

[2]          http://atominfo.cz/2014/01/civilni-lode-s-jadernym-pohonem/

[3]          http://www.uboat.cz/tech/pohon/pohon.htm

[4]          http://www.militarybox.cz/news/vyvoj-nuklearnich-ponorek-v-obdobi-studene-valky/

[5]          KEREVAN, George, 2003. Letadla, která nikdy nevzlétla [videozáznam]. SOUTHERN STAR 2003.  Dostupné z: http://zoom.iprima.cz/porady/letadla-ktera-nikdy-nevzletla-4

[6]          http://paluba.eu/tag/plavidlo-na-jaderny-pohon/

[7]          WAGNER, Vladimír. Jaderná energie pro meziplanetární sondy [online]. Zpravodaj české astronomické společnosti  č.9 a 10 [cit. 1999]. Dostupné z: http://hp.ujf.cas.cz/~wagner/popclan/sondy/sondy.html

[8]          VANĚK, Václav, 2008. Bez jádra to nepůjde[online] vyd. ČEZ a.s. 2008 Dostupné z: http://www.cez.cz/edee/content/file/vzdelavani/bezjadratonepujde-2.doc