Pro efektivní a bezpečné využívání jaderných reaktorů ve vesmíru je nezbytné pochopit, jak dlouhodobě odolávají drsným podmínkám vesmírného prostoru. Pro ověření vlivu dlouhého pobytu reaktoru v tomto prostředí se dá využít studium vysloužilých reaktorů na oběžné dráze okolo Země. Na takový výzkum je zaměřen projekt CubeSatu REXIS s výraznou českou stopou.

Příprava návratu lidí na Měsíc a cesty na Mars vyžadují výkonný zdroj energie nezávislý na slunečním svitu. Takovými zdroji jsou jaderné reaktory. Dá se předpokládat, že řada těchto zařízení bude během svého provozu i po něm zůstávat na povrchu Měsíce i ve vesmírném prostoru. Zde budou vystavena vakuu, silné radiaci, mikrometeoritům, významným tepelným šokům a dalším velmi náročným vlivům podmínek ve vesmírném prostoru. Pro vývoj efektivních a bezpečných štěpných jaderných reaktorů je důležité znát, jaký vliv má toto prostředí na jednotlivé komponenty reaktoru, včetně jeho aktivního jádra s jaderným palivem.

Ve vesmírném prostoru pracovalo zatím něco přes třicet vesmírných reaktorů. Dominantní část z vysloužilých reaktorů a jejich aktivních zón vynesených na vyšší oběžnou dráhu je stále na orbitě. Díky tomu je možné prozkoumat jejich stav po desetiletích strávených ve vesmírném vakuu a radiaci.

To je důvodem, proč se připravují malé sondy REXIS (Reactor EXamination and Inspection Satellite) na platformě CubeSat, které by dálkovými neinvazivními metodami prozkoumaly vyřazené reaktory na oběžné dráze. Na sondě se pracuje ve spolupráci s českoamerickou firmou Stellar Nuclear Ltd. Výzkumu na této problematice se účastní i naši studenti. Na začátku června jsem byl na magisterských státnicích, kde Marek Strnad obhajoval velice pěknou diplomovou práci věnovanou jaderným vesmírným zařízením. Její částí byl i přehled projektu REXIS. Právě z ní jsem čerpal řadu informací o plánované sondě.

Na orbitě jsou zhruba tři desítky reaktorů

Existuje řada cílů, ke kterým by se mohlo zařízení REXIS vydat. Spojené státy vynesly do vesmíru jediný reaktor SNAP-10A. Družice, na které letěl, se označuje jako SNAPSHOT a byla vypuštěna 3. dubna 1965. Ačkoliv životnost reaktoru mohla být okolo roku, družice ukončila provoz již po 45 dnech kvůli selhání elektronického systému, který s reaktorem nesouvisel. Porucha však vedla i k odstavení reaktoru. Dráha pro družici byla vybrána ve výšce okolo 1300 km, kde zůstane nejméně několik tisíc let, tedy dostatečně dlouho dobu na potřebný pokles radioaktivity. V současné době má perigeum dráhy výšku 1277 km, apogeum má výšku 1326 km a sklon 90,2˚.

Sovětský svaz vypustil na oběžnou dráhu 34 jaderných reaktorů. Z nich 32 byly typu BESS a dva typu TOPAZ I. V tomto případě byl reaktor primárně určen pro napájení radaru, který v rámci projektu RORSAT umožňoval sledování jaderných ponorek a dalších vojenských zařízení Sovětského svazu. Zařízení tak bylo na nižší oběžné dráze s výškou okolo 250 km. Po ukončení činnosti se od družice oddělila aktivní zóna a byla vynesena na vyšší oběžnou dráhu přes 900 km.

Havárie postihly tři družice, ve kterých byly reaktory. V roce 1973 proběhla havárie hned po startu a reaktor nebyl aktivován a palivo bylo čerstvé.

Kosmos 954 byl vypuštěn 18. září 1977 a pravděpodobně při střetu s jiným tělesem byl poškozen. Dne 24. ledna 1978 se tak dostal do atmosféry Země a zřítil se na zemský povrch. Většina družice i reaktoru shořela v atmosféře a jen nepatrné zbytky dopadly na území Kanady. Zde se našlo po intenzivním hledání několik malých radioaktivních kousků. Jejich aktivita však byla natolik malá, že nepředstavovala nebezpečí pro lidské zdraví a životní prostředí.

Kosmos 1402, který startoval 30. srpna 1982, se 28. prosince 1982 při selhání systému pro oddělení aktivní zóny rozpadl a reaktor se postupně dostal v lednu a únoru 1983 do atmosféry. Případné neshořelé zbytky družice dopadly do jižní části Atlantského oceánu.

Ještě je možné připomenout problémy s družicí Kosmos 1900, nad kterou by ztracena kontrola. Startovala 12. prosince 1987, svou aktivní činnost ukončila 10. dubna a 13. května 1988 Sovětsky svaz přiznal, že ji nedokáže ovládat. Jádro reaktoru bylo nicméně 30. září 1988 autonomně převedeno na odkládací dráhu. Problémy s družicí s jaderným reaktorem vedly k velkému ohlasu ve společnosti a byly jedním z důvodů, proč Sovětský svaz a Rusko přestaly reaktory na oběžné dráze okolo Země využívat.

Nyní je tak na orbitě jeden americký reaktor SNAP-10A, 29 reaktorů BES-5 a dva TOPAZ-I. Zařízení jsou v různém stavu a na různých drahách. Americký reaktor je ve výšce zhruba 1300 km a také poloha kosmodromu, ze kterého byl vypuštěn, definovala sklon dráhy, který je 90,2˚. Ruské reaktory jsou ve výškách mezi 780 až 1050 km a sklon dráhy je okolo 65 ˚. Podrobnější rozbor využití jaderných reaktorů ve vesmíru je v druhé části cyklu o vesmírných jaderných zdrojích v časopise Jaderná energie (1. číslo z roku 2022).

Tyto reaktory jsou velmi zajímavou laboratoří pro zkoumání dlouhodobého vlivu vesmírného prostředí na již nefunkční jaderný reaktor. Jejich studium by pomohlo ověřovat výsledky různých simulačních programů, které umožňují popisovat chování a změnu vlastností zařízení vlivem pobytu ve vesmíru.

Předpokládané metody distanční diagnostiky

Pro jejich průzkum se předpokládá sice relativně blízké přiblížení, ale pouze distanční zkoumání. Pro takové studium by měla mít družice vybavení. Bude měřit záření alfa i gama z analyzovaného zařízení a provede jeho optickou prohlídku i určení tepelných charakteristik. Úkolem je lokalizovat polohu těles a ověřit, zda je přítomna aktivní zóna. Důležitá je také kontrola, zda neunikají štěpné produkty a transurany. Družice prostuduje následky dlouhého pobytu reaktoru ve vesmírném prostoru a jeho vliv na nejbližší vesmírné prostředí. U ruských zařízení mohl mít na jejich stav vliv i pobyt na nízké oběžné dráze s významnými zbytky zemské atmosféry během jeho aktivní činnosti. Fotometrie a radiometrie umožní prozkoumat vizuální a tepelný stav objektu. Získané informace umožní modifikovat projekty, bezpečnostní parametry a protokoly budoucích vesmírných reaktorů.

Spektrometrie gama umožní prokázat, že v objektu je aktivní zóna, která byla v provozu a obsahuje štěpné produkty. Přesně dané energie záření gama identifikují specifické radionuklidy.

Detekce alfa částic, které jsou pohlceny i minimální tloušťkou materiálu, s odpovídající energií by byla jasným přímým důkazem úniku paliva a transuranů z aktivní zóny reaktoru a tím její dehermetizace.  Spektrometrie alfa a gama umožňuje také studovat charakteristiky vesmírného prostředí v okolí reaktoru, které ovlivňuje interakce objektu se slunečním větrem a magnetickým polem Země. Předpokládá se dlouhodobá práce sondy v blízkosti reaktoru.

Velmi detailní by měl být optický průzkum pomocí kamery s vysokým rozlišením, který pomůže identifikovat různá poškození, známky koroze, dopady mikrometeoritů a celkový stav jaderného zařízení. Sledování v infračervené oblasti umožní studovat rozložení teploty v bývalém reaktoru.

Plánovaná sestava

Předpokládá se využit sestavu CubeSatu 12U nebo 16U (připomeňme, že U znamená rozměr 10×10×10 cm). Větší sestava by umožnila objemnější zásoby paliva a rozsáhlejší změnu rychlosti v průběhu mise, ať už při cestě k cílovému objektu nebo při jeho sledování. Značnou výzvou je velký rozdíl mezi sklonem dráhy amerického a ruských zařízení. Předpokládá se, že tak budou zapotřebí různé mise k americkému reaktoru a těm ruských. Napájení zajistí fotovoltaické panely.

Družice REXIS by měla být vynesena při startu evropské rakety Ariane do výšky 550 km. Pro dosažení cíle, potřebné výšky a sklonu dráhy, a jeho sledování bude využívat hydrazinový raketový motor. Je potřeba využít velmi přesný navigační systém a jemné manévrování, protože družice bude pracovat v blízkosti od sledovaného objektu až jednotky metru. Zároveň je třeba minimalizovat riziko kolize. Většina vybavení musí být radiačně odolná, protože se bude pohybovat v dozimetricky velmi náročných podmínkách na drahách, které jsou už nad vnitřním van Allenovým pásem.

Pro získávání spekter gama se využije kompaktní scintilační nebo polovodičový detektor, například LaBr₃(Ce) nebo CdZnTe, s odpovídajícím energetickým rozlišením. Kompaktní polovodičový spektrometr se využije pro detekci a určení energie částic alfa. Použitá optická kamera bude mít široký dynamický rozsah a vysoké rozlišení. Je nutné nízké pozadí i v radiačně náročném prostředí. Tepelné infračervené senzory a minibolometr se využije pro sledování tepelných charakteristik a jejich změn v závislosti na stupni osvitu sluncem. Pro sledování dozimetrické situace se použijí odpovídající dozimetry.

Plánované mise

Předpokládají se tři mise. První by byl menší zkušební REXIS-DEMO, který by testoval práci sestavy. Využil by i subsatelity, které by simulovaly budoucí cíle misí. Ověřila by se přesnost navigace a bezpečnost manévrování sondy REXIS.

Následně by byly vyneseny dvě funkční mise. První REXIS-A by se vypravila k americkému reaktoru SNAP-10A. Druhá mise REXIS-B by se vyslala k ruským zařízením. Paliva k manévrování by mohlo stačit k návštěvě čtyř až šesti reaktorů.

Závěr

Projekt REXIS by mohly významně zlepšit simulace bezpečnostních charakteristik našich budoucích vesmírných reaktorů, na kterých se pracuje v EU, USA, Číně i Rusku. Poskytne také informace vládním a mezinárodním organizacím o stavu jaderných zařízení na oběžných drahách okolo Země a rizicích, které od nich hrozí. Zároveň by mohl přispět k nalezení postupů, které umožní bezpečné vyřazení vysloužilých vesmírných reaktorů. Úspěšné mise by ověřily možnosti práce CubeSatů na vysokých oběžných drahách při dlouhodobém bezpečném sledování významného objektu.

Klíčové pro realizaci projektu REXIS bude povolení velmocí, které jsou vlastníky reaktorů, k jejich zkoumání s velmi těsným přiblížením. Obdržet svolení americké strany by pro ESA mohlo být jednodušší, získat souhlas ruské strany bude pravděpodobně mnohem náročnější. Možnou cestou by bylo využití Mezinárodní agentury pro atomovou energii, která by mohla podpořit hledání možností studia starých jaderných zátěží na oběžné dráze okolo Země. Šlo by o významný krok ke snížení možného rizika s potenciálem pro smysluplnou mezinárodní spolupráci.

Poděkování Markovi Strnadovi za pěknou prezentaci i jeho zajímavou diplomovou práci.

Psáno pro Osla a Kosmonautix