Jaderný pohon

Jaderné pohony vděčí za své využití a vývoj studené válce z padesátých let 20. 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 současnosti (2015) vlastní jaderné pohony i další státy, jako např. Francie, Velká Británie, Čína nebo Indie. [2] 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, na rozdíl od pohonů využívajících sluneční záření, pracují spolehlivě.

Jako pohonu lze teoreticky využít všech tří zdrojů jaderné energie. V současnosti výrazně převládá využití tepelné energie ze štěpné reakce probíhající v jaderném reaktoru, nebo tepelné energie z radioaktivní přeměny a následné přeměně na elektrickou energii pomocí 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 konvenčních pohonů. Jaderné pohony využívají od začátku svého vývoje díky limitovanému prostoru v drtivé většině tlakovodní reaktory (PWR/VVER) s vysokou hustotou výkonu, později se přidaly také reaktory chlazené tekutým kovem Pb-Bi. Uvolněná energie ze štěpení ve formě tepla pak předává energii do chladiva - vodě. V parogenerátoru je teplo dále předáváno do sekundárního okruhu, kde vzniká pára. A ta pohání turbíny zajišťující pohon plavidel a také vyrábí elektrickou energii. Jako palivo pro reaktory plavidel s jaderným pohonem se používá izotop uranu U235, stejně tak jako u komerčních reaktorů vyrábějících elektrickou energii, s tím rozdílem, že v jaderných plavidlech má uran vyšší obohacení U235. [3]

2) Jaderný pohon využívající radioaktivní přeměnu je využit zejména v kosmu v podmínkách, kde nelze využít energie ze Slunce (sondy velmi vzdálené od Slunce, práce na odstíněné straně planety atp.). Využívá se radioizotopový zdroj energie 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 Pu238 díky svému výhodnému poločasu přeměny 87,7 roku.

schéma jaderného pohonu plavidel

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, vojenské taktice i strategii. Do všech plavidel byly instalovány v drtivé většině malé tlakovodní reaktory, v několika případech byly použity reaktory chlazené tekutými kovy Pb-Bi.

Hladinová plavidla

Hladinová plavidla se rozdělují do dalších skupin - letadlové lodě (USA), jaderné ledoborce (Rusko/bývalé SSSR), raketové křižníky (Rusko/bývalé SSSR) a nákladní lodě. [5]

USS Enterprise (CVN-65)

Raketové křižníky

Jedná se o velké válečné lodě, které jsou určeny jednak pro monitorování, tak i pro účely útoků na více různých cílů. Byly vyráběny jak v bývalém SSSR, tak v USA. 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. První válečné hladinové palvidlo na jaderný pohon byl právě raketový křižník USS Long Beach vyrobený v roce 1961. V loděnici v sovětském Leningradu byly v rámci projektu 1144.2 od roku 1980 postaveny celkem 4 křižníky s jaderným pohonem, dnes (2015) je aktivní už jen křížník Pjotr Velikij.

Ledoborec Jamal

Nákladní lodě

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 její roční provozní náklady vycházely přibližně o dva miliony dolarů více, než v případě srovnatelné lodi s klasickým pohonem. [8]

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 v projektu lodi původně počítáno.

Poslední civilní jadernou lodí je nákladní loď vyrobená v Japonsku NS Mutsu, která však nikdy komerční náklad nevezla a byla pouze experimentální. Fungovala mezi lety 1972 a 1992. Její provoz komplikovaly zpočátku obavy rybářů v domovském přístavu Ohminato, proto ho musela opustit a najít si přístav nový. I u této lodi byl nakonec jaderný pohon nahrazen konvenčním spalovacím motorem.

Tak jako byly vyvíjeny během studené války jaderné lodě, ruští a američtí inženýři dostali za úkol vyprojektovat letadlo na jaderný pohon s takřka neomezeným doletem, a tedy operovat ve vzduchu celé týdny bez doplňování paliva.

Convair B-36

Americký projekt. V letech 1955-1957 byl v Americe testován přestavěný bombardér Convair B-36 Peacemaker (v projektu Pluto) využívající jaderný pohon. Jaderný reaktor byl chlazen tekutým sodíkem a disponoval tepelným výkonem 1 MW. Pro start a přistání používal letoun klasické motory na chemické palivo tak, 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 k pohonu letadla využit 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 tohoto projektu, ač se do tohoto vývoje investovalo více než půl miliardy dolarů. Nevýhody, jako problém s odstíněním posádky od reaktoru nebo strach z pádu letadla na obydlené území, převážily nad výhodou neomezené délky pobytu ve vzduchu.

Sovětský projekt. I na druhé straně světa vznikly pokusy postavit letadlo na jaderný pohon. V SSSR se týmy jaderných inženýrů od roku 1955 snažily přestavět letoun Tu-95M. Nový letoun pak nesl název Tu-119, byl charakteristický svým malým hrbem na trupu, kde vyčníval reaktor, který se nevešel celý do trupu letadla. Bylo provedeno přibližně 40 zkušebních letů na samotný jaderný pohon. Dle zápisů zkušebního pilota tohoto letadla však nebylo dbáno na dostatečné odstínění posádky a navíc byl vypouštěn do ovzduší kontaminovaný vzduch. Ze dvou zkušebních posádek přežili jen 3 muži. Neřešitelným problémem inženýrů se tedy 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. [9]

Zkonstruovat tank na jaderný pohon se stal cílem 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 něm dosáhly díky jadernému pohonu takřka neomezeného akčního rádiusu, vysokého výkonu a nepřetržité provozní pohotovosti.

Během vývoje armáda navrhovala 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 elektrický výkon 2 MW 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. Ty byly schopny vyrábět elektrickou energii o výkonu přibližně 1,5 MW.

Dalším krokem byl přímo tank na jaderný pohon. Američané postupně vytvořili konstrukční návrhy tanků poháněných přímo 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. Zejména z tohoto důvodu bylo nakonec od dalšího vývoje jaderného tanku upuštěno. Tank na jaderný pohon tak nebyl nikdy vyroben. [10] [11]