Jaderná fyzika a energetika

Článků v rubrice: 348

Bude teplo, bude Mars?

První civilizace na Zemi začínaly vznikat v oblastech s vysokou intenzitou slunečního světla. Lidé pokrývali své energetické potřeby energií ze Slunce. Později ovládli oheň, naučili se využívat energii vody a větru. Objevení zásob uhlí a ropy pak umožnilo pokrývat vysoký nárůst poptávky po energiích.

Země je k lidem milosrdná. Mars první obyvatele rozmazlovat nebude. Spotřeba energie na Marsu bude velmi vysoká. Průměrná teplota vzduchu na Marsu je mínus 63 °C. V budoucí stanici bude potřeba všechny obývané prostory vytápět, energeticky náročné budou i provozy pro výrobu kyslíku, vrtání tunelů, doprava po Marsu, pěstování rostlin, získávání vody a osvětlení. Zdroje energie musí splňovat vysoké nároky. Primárním požadavkem je stabilita produkce minimální potřebné energie pro zachování stanice na Marsu. Problémem zde může být různorodost systémů. V případě, že by přestal fungovat hlavní zdroj, musí se minimální potřebná energie získat z jiných zdrojů. Bez zdroje energie prostě na Marsu existovat nelze. Cena a účinnost zdrojů nebude hrát tak významnou roli jako na Zemi. Limitujícím faktorem naopak bude hmotnost a velikost zařízení kvůli jejich dopravě na Mars. Oheň Varianta spalování libovolného paliva není použitelná. Bohužel, na Marsu nežily rostliny či živočichové, ze kterých by vzniklo uhlí, zemní plyn či ropa a doprava paliva ze Země je v dostatečném množství nemožná – byla by příliš drahá a neefektivní. Dalším faktorem, který mluví proti spalování, je nedostatek kyslíku pro hoření. Slunce Střední vzdálenost Marsu od Slunce je přibližně 205 miliónů kilometrů, Země – Slunce přibližně 150 miliónů km. Intenzita slunečního záření klesá se čtvercem vzdálenosti a je tedy na Marsu přibližně poloviční než na Zemi. Přesto se s využitím sluneční energie počítá, především pro specializované projekty a projekty mimo centrální základu. Při použití tenkých fólií z fotovoltaických článků a při dobrých světelných podmínkách lze získat 120 We/m2. Životnost článků omezuje velký rozdíl teplot mezi dnem a nocí či písečné bouře. Ostatní problémy solární energie jsou podobné jako na Zemi: problém natáčení panelů kolmo ke slunci, nesoulad poptávky po energii s její výrobou – potřeba baterií nebo palivových článků, a samozřejmě i na Marsu je noc. Další variantou využití sluneční energie je umístění velkých fotovoltaických článků a zrcadel na oběžnou dráhu kolem Marsu a získanou energii dopravovat na povrch Marsu. Zatím tato technologie není vyvinutá. Pro stavbu nosné konstrukce se předpokládá využití nanomateriálů a pro přenos energie mikrovlnné záření nebo laser. Využití nanomateriálů zvýší pevnost stavby, ale i její hmotnost. Zrcadla koncentrující sluneční energii na články by naopak jejich hmotnost mohly snížit. Přenos energie laserem, který má vysokou účinnost přenosu a lze jej dobře zaměřovat, je v současné době smlouvou mezi USA a Ruskem zakázán. Smlouva zakazuje použití výkonných laserů ve vesmíru, aby se tím omezilo nebezpečí vedení „hvězdných válek“. Vítr Atmosféra Marsu má 10× nižší hustotu než na Zemi a na povrchu planety vanou větry rychlostí 1–30 m/s. Při těchto parametrech je kinetická energie větru velmi nízká a nevyplatí se stavět větrné elektrárny. Při větrných (písečných) bouřích, kdy rychlost větru dosahuje 100 m/s, je energie větru dostatečná, avšak písek by způsobil výraznou korozi elektrárny. Jaderná energie Možnost využití jaderné energie lze rozdělit do tří kategorií: rozpad, štěpení a fúze atomových jader.
• Rozpad jader je využíván v radioizotopových termoelektrických generátorech (RTG). Generátor funguje velmi jednoduše a nemá pohyblivé součásti. Skládá se z radioaktivního paliva ve formě pelet s kovovým (iridiovým) pokrytím, umístěných v grafitovém obalu. Palivo generátoru (izotopy s vhodnými poločasy rozpadu: 90Sr – 28.8 let, 137Cs – 30.1 let, 210Po – 0.38 let a 238Pu – 87.7 let) při samovolném rozpadu uvolňuje tepelnou energii a alfa částice. Teplo uvolněné radioaktivním rozpadem ohřívá jeden konec termoelektrických článků, druhý konec je ochlazován okolím. Teplotní rozdíl dosahuje přibližně 700 °C. Článek obsahuje dva polovodiče zapojené do smyčky a rozdílnost teplot obou konců vytváří v této smyčce elektrický proud (tzv. Seebeckův jev). Účinnost přeměny energie je 6–12 %, např. Plutonium dává 0,5 W/g.
• Jaderné reaktory, využívající štěpení jader, mají výborné teoretické předpoklady pro zásobování Marsu energií. Mohou být malých rozměrů, mají vysokou intenzitu dodávané energie na kilogram své hmotnosti, dodávaný výkon je stabilní, reaktor může pracovat i 20 let bez výměny paliva. Jaderný reaktor vhodný pro použití na Marsu je stále ve fázi výpočtů a zároveň probíhá vývoj reaktorů s podobnými parametry i pro použití na Zemi. S největší pravděpodobností bude reaktor pracovat s pomalými neutrony, bude chlazený plynným CO2 a bude navržen modulárně tak, aby jeho sestavení na Marsu bylo jednoduché. V počátcích mise na Mars se počítá s reaktorem o výkonu 200–500 kWe, později s reaktory 1–3 MWe. Takto malý reaktor obsahuje jen malé množství jaderného paliva a má jednoduchou obsluhu. Primární podmínkou použití jaderných reaktorů bude jejich bezpečnost během provozu a dopravy. Reaktor musí být ověřen v provozu na Zemi a palivo nebude dopravováno v jedné lodi.
• Elektrárny s fúzními reaktory v současné době nefungují ani na Zemi, avšak pro svůj výkon a minimální spotřebu paliva by mohly v budoucnu být nejvhodnějším zdrojem energie i na Marsu. Nalezení vhodných technologií pro získávání energie na Marsu je nutnou podmínkou pro dlouhodobou misi s lidskou posádkou na tuto planetu. Již dnes je velmi pravděpodobné, že se bez jaderné energie ani tam neobejdeme, protože sluneční záření jako primární zdroj energie na Marsu není spolehlivé. Použití jaderných reaktorů však je samozřejmě podmíněno minimalizací nebezpečí radiační nehody při dopravě i za provozu.

RADIOACTIVE HEATER UNITS – ZAHŘÍVACÍ JEDNOTKY
Užívají se na vesmírných plavidlech pro udržování přístrojů v zahřátém stavu. Výkon bývá kolem 1 W a používají kolem 2,7 g 238Pu, typické rozměry 2,5 × 3 cm, váha 40 g. USA jich má už asi 240, jsou i v ruském Lunochodu na Měsíci. Citlivá elektronika by jinak v mrazivých vesmírných podmínkách těžko fungovala.

RADIOIZOTOPOVÉ TERMOELEKTRICKÉ GENERÁTORY
Používají se od 1961, jsou hlavním zdrojem energie pro vesmírné sondy USA Apollo, Pioneer, Viking, Voyager, Galileo, Ulysses a pro mnoho civilních i vojenských satelitů. Sondě Casini letící k Saturnu dodávají energii radioizotopové zdroje 870 W. Rusko vyvinulo RTG používající Polonium 210, dvě sondy jsou stále na orbitě už od r. 1965. Nejnovější model se jmenuje GPHS – General Purpose Heat Source. Je modulový, každý modul obsahuje 4 palivové pelety s 238Pu potažené iridiem, 5 cm vysoké, 10 cm2, váží 1,44 kg.
Výhody:
• malé rozměry,
• nezávislý na slunečním světle – možnost použít všude, stálost výkonu (v případě použití Plutonia 238 klesá výkon generátoru pouze o 0,81 % ročně),
• dlouhodobé a stabilní fungování i v náročných podmínkách vakua a silných elektrických a magnetických polích,
• jednoduchost, spolehlivost, nemá žádné pohyblivé části.
• V generátoru neprobíhá řetězová štěpná reakce, proto nemůže dojít k nekontrolovanému růstu výkonu. Izotop plutonia 238 není vhodný pro využití v jaderných zbraních což snižuje možnost zneužití. Palivo je ve vodě nerozpustné formě, lisováno pod vysokým tlakem. Uvolňované alfa záření je možné velmi lehce odstínit.
Nevýhody:
• nemožnost vypnutí generátoru
• manipulace s velmi horkým generátorem

SEEBECKŮV JEV
Seebeckův jev se projevuje u dvou vodičů z různého materiálu A a B, u kterých je udržována teplota jejich spojů na rozdílných teplotách T1 > T2. V obvodu se objeví napětí a začne jím protékat proud. Seebeckův jev se tedy projeví vznikem termoelektrického napětí. Pro elektromotorické napětí ΕAB a absolutní teploty spojů platí experimentálně zjištěný vztah: ΕAB = (aA - aB) (T2 - T1) + 0,5 (bA - bB) (T2 - T1)2 ΕAB – elektromotorické napětí a, b – Seebeckovy koeficienty T – teplota Prakticky se dnes využívá např. při měření teploty pomocí termočlánků.

Ivo Škola
Poslat odkaz na článek

Opište prosím text z obrázku

Nejnovější články

Československo – země radia

Letos si připomínáme 100 let od založení Státního ústavu radiologického a 70 let od vzniku Ústavu pro výzkum, výrobu a využití radioizotopů.

Centrální solenoid ITER

Který magnet tokamaku je nejdůležitější? Bez magnetů toroidálního pole vám plazma uteče na stěny komory, bez magnetů pole poloidálního nedosáhnete potřebného tvaru plazmového provazce, bez magnetů centrálního solenoidu nebude žádné plazma…Stop!

Dolivo - Dobrovolskij a počátky přenosu elektrické energie

Před sto lety zemřel dnes již málo známý ruský fyzik, elektrotechnik a vynálezce M. O. Dolivo-Dobrovolskij. Jako jeden z prvních fyziků a techniků teoreticky i prakticky odhalil možnosti využití trojfázového střídavého proudu.

Výletů do vesmíru se nebojíme, ale auto si raději budeme řídit sami

Mladí by chtěli profitovat z vědeckého pokroku okamžitě, starší generace se dívá spíše na jeho pozitivní vliv do budoucna, vyplývá z průzkumu 3M o postojích veřejnosti k vědě (State of Science Index).

Výroba vakuové nádoby ITER

Práce na staveništi tokamaku ITER pokročily a množí se zprávy o dokončených komponentách vlastního reaktoru tokamaku ITER, o jejich transportu z výrobních závodů na staveniště a jejich instalaci.

Nejnovější video

Bez jaderné energie se ve vesmíru daleko nedostaneme

Krátké výstižné video z dílny Mezinárodní agentury pro atomovou energii ve Vídni ukazuje využití jaderné energie a jaderných technologií při výzkumu vesmíru. Ne každý ví, že jádro pohání vesmírné sondy už po desetiletí. Zopakujme si to. (Film je v angličtině.)

close
detail