Vysoké Učení Technické V Brně Brno University of Technology

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ENERGETICKÝ ÚSTAV

FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING ENERGY INSTITUTE

JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NUCLEAR FACILITIES IN TRANSPORT

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR´S THESIS

AUTOR PRÁCE NIKOLA BARTOŠEK AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE ING. LADISLAV SUK SUPERVISOR

BRNO 2013 Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství

Energetický ústav Akademický rok: 2012/2013

ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE student(ka): Nikola Bartošek který/která studuje v bakalářském studijním programu obor: Strojní inženýrství (2301R016)

Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem č.111/1998 o vysokých školách a se Studijním a zkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma bakalářské práce:

Jaderná zařízení v dopravě v anglickém jazyce:

Nuclear facilities in transport

Stručná charakteristika problematiky úkolu: Seznámení se s problematikou jaderných zařízení v dopravě. Vypracování rešerše shrnující možnosti využití jaderného zařízení v různých odvětvích dopravy.

Cíle bakalářské práce: 1.Popište historii jaderných zařízení (JZ)v dopravě. 2.Shrňte současné aplikace JZ v dopravě které jsou v provozu. 3.Popište pokročilé projekty JZ v dopravě. 4.Zhodnoťte možnosti dalšího vývoje odvětví. Seznam odborné literatury: Databáze technických článků ScienceDirect. Databáze publikací World Nuclear Association. Databáze publikací International Atomic Energi Agency.

Vedoucí bakalářské práce: Ing. Ladislav Suk

Termín odevzdání bakalářské práce je stanoven časovým plánem akademického roku 2012/2013. V Brně, dne 20.11.2012

L.S.

______doc. Ing. Zdeněk Skála, CSc. prof. RNDr. Miroslav Doupovec, CSc., dr. h. c. Ředitel ústavu Děkan fakulty JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

ABSTRAKT Bakalářská práce vytváří základní přehled použití jaderných zařízení v dopravě. Zaměřuje se na vývoj a aplikaci technologie. Na úvod je zmíněn stručný vývoj jaderné fyziky a hledání vhodných aplikací na počátku jaderného věku. Hlavní část práce se zabývá využitím ja- derných zařízení v námořní a vesmírné dopravě. Je pojednáno o typech reaktorů jaderných ponorek, hladinových válečných a civilních lodí. Je zmíněna problematika vyřazování z provozu a nakládání s jaderným zařízením po ukončení služby. Dále je popsána technologie radioizotopových a reaktorových článků. V poslední části je poukázáno na možnosti využití jaderných zařízení pro pohon tepelných a iontových motorů.

KLÍČOVÁ SLOVA jaderný pohon, námořní reaktor, ponorka, letadlová loď, ledoborec, radioizotopový článek, termoelektrický, termionický, pulsní pohon, iontový pohon

ABSTRACT Bachelor thesis summarizes a basic overview of the use of nuclear facilities in transport. It focuses on the development and application of technology. Brief introduction mentions the development of nuclear physics and the search for suitable applications at the beginning of the nuclear age. Main part deals with use of nuclear devices in maritime and space transport. It discusses the types of reactors used in nuclear submarines, navy and civil ships. The issues of decommissioning and dismantling nuclear vessels are mentioned. Next the technology of radioisotope and reactor generators is described. In the last part the possibilities of using nuclear power for thermal rockets and ion engines are pointed out.

KEY WORDS nuclear propulsion, naval reactor, submarine, aircraft carrier, icebreaker, radioisotope generator, thermoelectric, thermionic, pulse propulsion, ion propulsion JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

BIBLIOGRAFICKÁ CITACE BARTOŠEK, N. Jaderná zařízení v dopravě. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2013. 78 s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Ladislav Suk.

ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ AUTORA O PŮVODNOSTI PRÁCE Já, Nikola Bartošek, prohlašuji, že jsem bakalářskou práci Jaderné zařízení v dopravě vypracoval samostatně a že jsem uvedl všechny použité prameny a literaturu.

V Brně dne 24.5.2013

Nikola Bartošek JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

PODĚKOVÁNÍ V první řadě bych rád poděkoval vedoucímu práce Ing. Ladislavu Sukovi za ochotu, vstřícnost a čas věnovaný vedení bakalářské práce.

Dále také rodině a přítelkyni, kteří mě v mém úsilí ustavičně podporovali. JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

OBSAH 1 ÚVOD...... 7 2 HISTORICKÝ VÝVOJ...... 9

2.1 OBJEV JADERNÉHO ŠTĚPENÍ...... 9 2.1.1 STRUČNÝ CHRONOLOGICKÝ PŘEHLED UDÁLOSTÍ...... 9

2.2 POVÁLEČNÉ NADŠENÍ Z JADERNÉ ENERGIE...... 10 2.2.1 NEUSKUTEČNĚNÉ VIZE POUŽITÍ ATOMOVÉHO POHONU V DOPRAVĚ...... 10 3 JZ V NÁMOŘNÍ DOPRAVĚ...... 14

3.1 JADERNÝ POHON VOJENSKÝCH PLAVIDEL...... 14 3.1.1 PONORKY...... 14 3.1.2 HLADINOVÉ VÁLEČNÉ LOĎSTVO...... 27

3.2 CIVILNÍ NÁMOŘNICTVO...... 29 3.2.1 OBCHODNÍ LODĚ...... 29 3.2.2 LEDOBORCE...... 32

3.3 VYŘAZOVÁNÍ PLAVIDEL Z PROVOZU A NAKLÁDÁNÍ S JADERNÝM ODPADEM...... 36 3.3.1 DEMONTÁŽNÍ PROCEDURA JADERNÝCH PONOREK...... 37 4 JZ VE VESMÍRU...... 38

4.1 TRANSFORMACE TEPELNÉ ENERGIE NA ELEKTRICKOU...... 38 4.1.1 RADIOIZOTOPOVÉ TERMOELEKTRICKÉ ČLÁNKY...... 38 4.1.2 REAKTOROVÉ ČLÁNKY...... 40 4.1.3 DALŠÍ TYPY PŘEMĚN...... 42

4.2 JZ JAKO POHON...... 43 4.2.1 TEPELNÝ POHON...... 44 4.2.2 PULSNÍ POHON...... 46 4.2.3 IONTOVÝ POHON...... 46 5 ZÁVĚR...... 50 6 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ...... 51 7 SEZNAM OBRÁZKŮ A TABULEK...... 61 8 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ...... 63 9 SEZNAM PŘÍLOH...... 65 10 PŘÍLOHA...... 66

7 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

1 ÚVOD Jaderná energie je v obecném povědomí většinou spojována s jadernými elektrárnami posky- tujícími elektřinu do rozvodné sítě. O využití jaderné energie k pohonu dopravních prostřed- ků je už slyšet méně. Je to dáno velmi úzkým zaměřením technologie a převážně armádními aplikacemi. Kvůli složité komplexní technologii a značné finanční náročnosti se vývojem v tomto oboru zabývá pouze několik nejvyspělejších zemí světa. Obecně je jaderného pohonu využíváno tam, kde je třeba překonávat dlouhé vzdá- lenosti bez možnosti doplnění paliva. Nejúspěšnější aplikace jsou v námořní dopravě a to převážně ve vojenské sféře v podobě nukleárně poháněných ponorek a letadlových lodí. Dále se jaderná energie úspěšně využívá pro pohon ruských ledoborců. Významnou roli hraje ja- derná energie i ve vesmírných misích, ať už jako pohon meziplanetárních sond a robotů nebo ve formě tepelného zdroje pro udržení funkčnosti elektrických přístrojů. Dnes jsou v zásadě používány dva základní typy zdrojů jaderné energie - jaderné reaktory, ve kterých probíhají jaderné reakce ve formě štěpení těžkých jader, a radioizotpové články získávající energii z přirozeného rozpadu radioaktivních prvků. Energii z těchto zdrojů lze transformovat různými způsoby. V principu se převážně jedná o transformaci tepelné energie zdroje na energii mechanickou nebo elektrickou, kterou poté zařízení dále podle potřeby transformuje. Druhá kapitola bakalářské práce stručně seznamuje s historickým vývojem jaderné fyziky a poskytuje čtenáři malý náhled do poválečné doby tzv. Atomového věku, ve kterém byla jaderná energie uvažována jako zdroj energie budoucnosti pro mnohé dopravní prostředky. Třetí kapitola popisuje konkrétní aplikace a vývoj námořních ponorkových reaktorů a reaktorů vojenských a civilních hladinových plavidel od počátku jejich působení. Dále je zmí- něna problematika vyřazování plavidel z provozu a následné způsoby nakládání s jadernými zařízeními po ukončení jejich aktivní služby. Čtvrtá kapitola se zabývá využitím jaderné energie v kosmických programech. Je po- psána technologie radioizotopových a reaktorových článků a zmíněny některé aplikace. Kromě termoelektrické přeměny jsou uvedeny i další způsoby transformace na elektrickou energii. Druhá část kapitoly se zabývá možnostmi využití jaderných zařízení pro pohon tepelných raketových a elektrických iontových motorů.

8 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

2 HISTORICKÝ VÝVOJ Objev jaderného štěpení a jeho následné využití a vývoj, stejně tak jako u jiných objevů, je dán potřebami společností a situací, ve které se momentálně nachází. Pro úplné pochopení motivace a způsobu myšlení, je potřeba pohlížet na vývoj i z historického kontextu.

2.1 OBJEV JADERNÉHO ŠTĚPENÍ Úvahy o tom, že by se síla, skrytá v atomu, mohla využít k výrobě elektřiny, vyslovil už Tho- mas Alva Edison a nebyl sám, kdo přemítal o tomto „nekonečném“ zdroji energie. Nicméně samotnému objevu a řízenému štěpení jádra atomu předcházely převážně dílčí úspěchy vědy na poli jaderné fyziky na konci 19. a v první polovině 20. století.

2.1.1 STRUČNÝ CHRONOLOGICKÝ PŘEHLED UDÁLOSTÍ 1895 - Wilhelm Conrad Roentgen objevil při experimentech s výbojovou trubicí nový druh pronikavého záření, které nazval „paprsky X“ (rentgenové záření). 1896 - Antoine Henri Becquerel při studiu luminiscence minerálů objevil radioaktivní záření vydávané přírodním uranem - tento jev studovala dále Marie Curie a nazvala jej „radioaktivitou“. 1898 - Marie a Pierre Curieovi objevili v jáchymovském smolinci nové radioaktivní prvky (polonium, rádium). 1899 - Ernest Rutherford objevil alfa a beta záření. 1905 - Albert Einstein formuloval speciální teorii relativity a popsal souvislost mezi hmotou a energií. 1911 - Ernest Rutherford dokázal, že atom je tvořen velmi malým kladným jádrem a elektronovým obalem. 1913 - Niels Bohr vytvořil pomocí kvantové teorie model atomu vodíku. 1926 - Geiger a Müller zkonstruovali detektor ionizujícího záření (Geiger-Müllerova trubice). 1932 - James Chadwick objevil elektricky neutrální částice s vysokou schopností pronikat do atomových jader - neutrony. 1933 - Irene a Frederic Joliot-Curieovi při ozařování hlíníkového plíšku alfa částicemí vyrobili prvek s umělou (tzv. indukovanou) radioaktivitou. 1934 - Enrico Fermi studoval dále umělou radioaktivitu a potvrdil existenci nových radioaktivních prvků, vytvořených ozařováním neutronů. Snažil se ostřelováním uranu vytvořit transuranový prvek (prvek s protonovým číslem vyšším než 92). Výsledky pokusu byly ale jiné, než se očekávalo. Na odpověď, co se s uranem opravdu po ostřelování neutronovými částicemi děje, si musel ještě čtyři roky počkat. Aplikoval poprvé ozařování pomalými neutrony, když mezi zdroj neutronů a ozařovanou stříbrnou fólii umístil parafín. Lehké atomy parafínu při srážkách přebíraly kinetickou energii a zpomalovaly neutrony, přičemž se indukovaná radioaktivita zvětšila stokrát. 1938 - Otto Hahn a Fritz Strassmann pracovali na objasnění výsledku Fermiho výzkumu. Zjistili, že nevznikl transuran, jak původně předpokládali, ale naopak mnohem lehčí prvky. Hypotézu jejich spolupracovnice Lisy Meitnerové, že se jádra uranu rozštěpila na dvě lehčí jádra, poté potvrdili. Objev jaderného štěpení byl na světě. [5][11][42]

9 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

2.2 POVÁLEČNÉ NADŠENÍ Z JADERNÉ ENERGIE Shodou nešťastných dobových okolností druhé světové války bylo rozhodnuto, že první prak- tické využití jaderného štěpení bude využito pro výrobu a následné použití atomových bomb. Po válce se začalo uvažovat o dalším využití jaderné energie. Její vývoj byl teprve na začátku a možnosti a způsoby využití se zdály být skoro neomezené. V ranných letech tzv. „Atomového věku“ vlády USA a Sovětského svazu utratily enormní prostředky na technologický vývoj a výzkum jaderných reaktorů a jejich aplikace. Úspěchy v této oblasti se staly národním symbolem pokroku a moci. Budoucí vyhlídky výhod plynoucích z široké aplikace jaderné technologie se zdály být velice lákavé a návratné. [67] V dnešní době je jaderná energetika díky její potenciální hrozbě mnohdy obávaná až nedůvěryhodná. Tehdy se však těšila velké popularitě a mezi lidmi se optimisticky věřilo, že bude v dohledné době hlavním energetickým zdrojem lidstva a bude pohánět automobily, letadla, vlaky, lodě a jiné dopravní prostředky, které by díky ní získaly nesrovnatelně větší akční rádius, bez doplňování paliva, než u konvenčních pohonů. Myšlenka takového zdroje energie přímo vybízela k představě ideálního pohonu pro dopravní prostředky.

2.2.1 NEUSKUTEČNĚNÉ VIZE POUŽITÍ ATOMOVÉHO POHONU V DOPRAVĚ

POZEMNÍ DOPRAVA První jednoduchý koncept automobilu na atomový pohon se objevil už v roce 1941 v americkém magazínu The Po- pular Mechanics, kde se mluví o uranové houbě zahřívají- cí vodu v kotli a parou poháněné turbíně. Po válce, která odkryla možnosti proudových motorů a nukleární energie, zahltila svět móda futurismu. Automobilový průmysl byl v padesátých letech jedno z největších odvětví s nemalým obratem. Proto si mohl dovolit investovat i do diskutabi- lních projektů, podporující spíše propagandu, než prak- tické využití. Po futuristickém Fordu FX Atmos (1954) a Obr. 1 Ford Nucleon 3/8 model [1] Fordu Mystere (1955) byl v roce 1958 představen návrh automobilu na atomový pohon - Ford Nucleon, který se stal ikonou atomového auta. Koncept počítal s tím, že se v budoucnosti podaří překlenout problém s velikostí a váhou jaderného reaktoru. Model představoval napájecí kapsli v zadní části vozu a kabinu v přední, tzv. cab- forward design. Nucleon měl být schopen ujet 8000 km bez doplňování paliva. Výměna paliva by byla umožněna ve specializovaných „čerpacích“ stanicích. Konkurenční automobilkou Studebaker byl ve stejném roce později předsta- ven Studebaker Astral. Koncept nejen, že uva- žoval jaderný pohon, ale byl i obojživelný, pohy- boval se na jednom centrálním kole nebo vysílal energetické pole, chránící jej proti nárazu. Ke konci šedesátých let bylo i veřejnosti jasné, že atomová auta nejsou otázkou blízké budoucnosti. Pokud bude jaderného štěpení někdy využito Obr. 2 World Thorium Fuel Cadillac, 2008 [41] k pohonu automobilů, tak pravděpodobně jenom

10 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

jako sekundární zdroj pro výrobu paliva (vodíku například). Přesto i dnes můžeme najít od- vážné koncepty atomových aut, využívající nové technologie v oboru. Jedním takovým je World Thorium Fuel Cadillac. Spíše než koncept, je to jen návrh automobilu budoucnosti po- háněném thoriem od designéra Loruse Kulesuse. Dokazuje to, že myšlenka atomového auta je pořád živá a dokáže vzbudit diskuzi. [22][95][41] O něco praktičtější už byly nápady atomových vlaků. Díky jejich mohutnosti již bylo možné odstínit radioaktivitu. V roce 1954 přišel Dr. Lyle Borst se studenty z univerzity v Utahu s konceptem lokomotivy na jaderný pohon. Po konzultaci se Sdružením amerických železnic a několika soukromými firmami vznikl projekt X-12. Lokomotiva se skládala ze dvou sekcí. První, 38 m dlouhá část, měla kabinu vepředu a pohonnou jednotku za ní. Tu zajišťovaly čtyři elektrické generátory poháněné parní turbínou z parogenerátoru jaderné- ho reaktoru spolu-navrženého s firmou Babcock & Wilcox Co. Druhá, 20 m dlouhá část, plni- la funkci kondenzačního vozu, kde se ochlazoval moderátor ventilátory a okolním vzduchem. Lokomotiva by měla váhu 360 t, z toho 200 t by vážil radiační štít reaktoru. Dr. Borst tehdy odhadl náklady na výrobu lokomotivy na 1,2 miliónu dolarů (skoro dvakrát dražší než čtyřvo- zová dieslová jednotka stejného výkonu). Spolu s velkou cenou vysoce obohaceného uranu U-235, se kterým reaktor měl pracovat, a kvůli možnému riziku nehody a následného úniku radiace byl celý projekt nakonec zastaven. [47][53]

Obr. 3 Ilustrativní nákres lokomotivy X-12, 1954 [47] V československém periodiku Veda a technika mládeži se objevil v roce 1955 článek předpovídající rapidní rozvoj letecké dopravy v šedesátých letech, která odsune železniční do- pravu na vedlejší kolej. Pro zvýšení konkurenceschopnosti dálkových spojů měl přijít na řadu hospodárnější pohon využívající atomovou energii. Dvakrát denně by vyrážel atomový expres z Šanghaje napříč Eurásií až do Ostende a zpátky. Po rekonstrukci železniční tratě by mohly atomové vlaky jezdit rychlostí převyšující 200 km/h a vynález gravitačního akcelerátoru, kte- rý v zatáčkách zvýší gravitaci, umožní vlakům projíždět zatáčky o poloměru 500 m rychlostí 500 km/h. Tato vize, podobně jako vize létajícího atomového kombajnu nebo atomové ka- ravany, nebyly nikdy vyplněny, avšak dávají nám nahlédnout do časů, kdy se do atomové energie vkládalo tolik nadějí. [97]

Obr. 4

Obr. 5 Další návrh Atomový expres a jeho kontinentální trasa, 1955 [97] atomové lokomotivy [33]

11 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

V dobách studené války hledaly obě mocnosti technologie a zbraně, které by jim zís- kaly v případném konfliktu převahu nad nepřítelem. Americká armáda zhodnotila, že výhody použití jaderného pohonu převyšují nad nevýhodami. Po úspěšném vývoji APPR (Army Package Power Reactor) a výzkumu dalších typů reaktorů v rámci ANPP (Army Nuclear Power Program) bylo zřejmé, že mobilní reaktor nepředstavuje zásadní technologický problém. V rámci budoucího nahrazení tanků série Patton přicházely návrhy různých koncep- tů. Mezi nimi např. studie atomového tanku s kódovým označením Rex R-32. Tlakovodní reaktor se nacházel v přední části korby a měl poskytnout dojezd až 6400 km. Dalším konceptem byl Chrystler TV-8. Jaderný reaktor byl umístěn v zadní části věže, stejně tak i výzbroj a osádka. Věž, vážící 15 t, a 10 t podvozek měly být kvůli lepšímu transportu oddělitelné. Ar- máda však projekty na nukleárně poháněné tanky zamítla z důvodů vysokých nákladů na další vývoj. Nehledě na to, že odstínit jaderný reaktor od osádky by bylo pravděpodobně velice ob- tížné. [3]

Obr. 6 Vzhled a uspořádání tanku Chrysler TV-8 [3] Původní myšlenkou, využití mobilních reaktorů jako zásobárnu energie, se zabýval i Sovětský svaz. V roce 1955 začal pracovat na projektu mobilní elektrárny (Transportable Electric Station) TES-3, která by zásobovala odlehlé severské oblasti Sibiře. Z hlediska ma- lých rozměrů byl zvolen tlakovodní reaktor o elektrickém výkonu 1500 kW a palivovém cyklu 250 dní. Celá jednotka se skládala ze čtyř mobilních částí pohybujících se na prodlouženém podvozku sovětského tanku T-10. Pro dostatečné zaručení ochrany proti radiaci se TES-3 na místě spuštění reaktoru zahrabal pod dostatečnou vrstvu zeminy. V roce 1961 byl prototyp úspěšně testován. Zároveň pracovali v Obninském institutu na plovoucí obdobě mobilní elek- trárny Sever. Projekty byly v roce 1967 zastaveny z důvodů nerentability TES-3. V šedesátých letech začal v Bělorusku také vývoj obdobné mobilní elektrárny Pamir 630D. Byla primárně určena pro armádu, nicméně měla mít i civilní využití jako nouzový zdroj energie v oblastech přírodních katastrof. Pamir prošel všemi testy úspěšně a byly vyrobeny dvě mobilní stanice, ale ty se nikdy nedostaly na místo určení. Po černobylské havárii v roce 1986 byl projekt zastaven. [91]

Obr. 7 Mobilní jaderná elektrárna TES-3 [91]

12 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

LETECKÁ DOPRAVA V roce 1946 si USAF objednalo studii NEPA (Nuclear Energy for Propulsion of Aircraft), kte- rá měla za úkol zhodnotit využití nukleárního pohonu letadel. Rok poté byla ustanovena AEC (Atomic Energy Commission), americká vládní agentura mj. odpovědná za vývoj ato- mových reaktorů. Na základě studií bylo USAF doporučeno použít systém s přímým cyklem. Nasátý vzduch turbokompresorem proudil přímo přes reaktor a ohřátý poté expandoval tryskou ven. Tato verze byla jednodušší, účinnější a lehčí, než verze s nepřímým cyklem, kde se teplo předávalo v tepelném výměníku, ale způsobovala mnohem větší radioaktivní zne- čištění. Další vývoj verze s nepřímým cyklem by byl však oproti přímému relativně zdlouhavý. Po splnění úkolu byl v roce 1951 projekt NEPA přejmenován na ANP (Aircraft Nuclear Propulsion). Ten měl za úkol vyvinout a otestovat odstínění reaktoru od posádky a poté vyvinout funkční prototyp letounu poháněný jaderným reaktorem. Pro testy byl vybrán bombardér Convair B-36. Upravená verze bombardéru NB-36H měla na palubě pokusný 3 MW vzduchem chlazený reaktor ASTR (Aircraft Shield Test Reactor), který byl funkční, ale sloužil pro výzkum stínění a vlivu na přístroje a materiál. Další verze Convair X-6 měla být už poháněná reaktorem, nicméně v roce 1953 byla X-6 z důvodů razantního škrtu v rozpočtu vyškrtnuta z programu. Mezi roky 1955 a 1957 uskutečnila NB-36H 47 úspěšných letů a 215 letových hodin (z toho 89 s reaktorem za chodu). V rámci programu pracovala AEC od roku 1953 na projektu HTRE (Heat Transfer Reactor Experiment), který zkoumal a vyvíjel po- honný systém letadla. HTR-1 se stal roku 1956 prvním reaktorem pohánějícím proudový motor. Po sérii testů a přestavbách byl vyvinut systém HTRE-3 s přímým cyklem, který poháněl zá- roveň oba proudové motory a na svůj start nepo- třeboval chemické palivo. Byl postaven už ve Obr. 8 Testovací letoun NB-36H [15] formě, ve které by mohl být použit jako pohon letadla. ANP program byl zrušen v roce 1961 prezidentem Kennedym. Díky vývoji mezikontinentálních balistických střel a rychlým vývojem ponorkových raketových nosičů nebyl už atomový bombardér potřeba. [27][102][89] Sovětský svaz pracoval v šedesátých letech také na vý- voji letounu poháněném jaderným reaktorem s přímým cyklem. Jako testovací létající atomová laboratoř byl použit Tupolev Tu-95LAL - upravená verze bombardéru Tu-95M. V oblasti pumovnice byl umístěn vzduchem chlazený reaktor. Letoun absolvoval 42 zkušebních letů. Nakonec byl projekt s podobných důvodů jako americký zrušen. [16]

Obr. 9 Pohonná jednotka HTRE-3 [27]

13 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

3 JZ V NÁMOŘNÍ DOPRAVĚ

3.1 JADERNÝ POHON VOJENSKÝCH PLAVIDEL

3.1.1 PONORKY Zmínky o jakési ponorné komoře sahají až do dob Alexandra Velikého, avšak první praktič- tější exemplář byl postaven roku 1620 Corneliusem Drebbelem. Člun mohl pojmout až 20 pa- sažérů, ponořit se do hloubky 20 m a poháněn byl dvojicí vesel v otvorech plavidla. V roce 1776 byl v americké válce za nezávislost proveden pokus o potopení lodě pomocí ponorky zvané Turtle s ručním pohonem šroubů - jedním pro vertikální a druhým pro horizontální pohyb. Po historicky prvním potopení lodě ponorkou Hunley v americké občanské válce se pře- staly brát ponorky na lehkou váhu. Na konci 19. století se experimentovalo s různými druhy pohonu. Parní stroj, i přes svou vysokou hmotnost, splňoval účel při plavbě ponorky nad hladinou, nicméně pod vodou se dal použít jen po určitou dobu, po kterou vystačilo latentní teplo z vodních rezervoárů pohánět stroj. O problému tepelného komfortu při ponoření nemluvě. Ponorky poháněné stlačeným vzduchem nebo výhradně elektrickou baterií poskytovaly také omezený akční rádius. Lepší řešení nabídl John Holland s hybridním pohonem použitím benzínového motoru na hladině a bateriemi pod hladinou. Benzín byl později kvůli bez- pečnosti nahrazen topným olejem a poté naftou. Po první světové válce se ponorky v mnoha ohledech neustále vylepšovaly, ale koncept diesel-elektrického pohonu zůstal stejný. V druhé světové válce byly německé U-Boaty velice efektivní zbraní, avšak potřeba doplňování paliva pomocí „dojných krav“ a dobíjení baterií v periskopové hloubce je dělalo velice zranitelnými. Poválečný technologický vývoj směřoval mj. k neustálému navyšování vytrvalostních atribu- tů, zejména u baterií, tak aby mohla ponorka plout delší dobu hluboko pod hladinou s co nej- menší potřebou dobíjení pomocí dieslového motoru při šnorchlování. Zavedení jaderného pohonu vedlo k razantní proměně funkce ponorky, neboť se tak odstranila většina nevýhod kla- sické ponorky dieselelektrické konstrukce. Dnešní jaderné ponorky jsou schopné operovat pod vodou měsíce, omezené jen zásobou potravin. [43][96] Většina reaktorů ponorek je typu PWR (Pressurized Water Reactor). Principiálně se tolik neliší od reaktorů pozemních jaderných elektráren. Jsou na ně však kladeny náročné požadavky. Reaktor ponorek musí být kompaktní, naprosto spolehlivý a výkonově flexibilní. Musí být schopen fungovat v bojových podmínkách – neustálý pohyb a změny směru, přežití poškození ponorky. USA Práce na vývoji reaktoru pro jaderné ponorky začaly v roce 1947 v národních laboratořích Oak Ridge v Tennessee. Společnost General Electric (GE) pracovala na návrhu reaktoru chlazeného tekutým sodíkem nebo slitinou sodíku a draslíku. Vysoká teplota varu sodíku umožňovala zařízení pracovat při vyšších teplotách (až 900 °C) s vyšší termickou účinností a nevyžadovala vysoký tlak chladící kapaliny. Tento typ chlazení umožňoval vysoké teploty a účinnost zařízení, tudíž i kompaktnější rozměry. Konkurenční návrh firmy Westinghouse po- čítal s PWR reaktorem. Tehdy se zdálo, že reaktor chlazený tekutým kovem bude pro své vlastnosti ideální volbou. Nicméně bylo rozhodnuto, že první prototyp jaderné ponorky bude poháněn reaktorem typu PWR. Jednodušší koncept sliboval rychlejší výsledky a spolehlivost.

14 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

Význam zkratek námořních reaktorů USA Každý typ reaktoru určený pro pohon plavidel amerického námořnictva má tři charakteris- tické znaky – první písmeno označuje typ plavidla, následuje pořadové číslo generace reaktoru a třetí znak poté odkazuje na výrobce reaktoru.

Typ plavidla Konstruktérské společnosti

„A“ - Letadlová loď (Aircraft carrier) „B“ - Bechtel „C“ - Křižník (Cruiser) „C“ - Combustion Engineering „D“ - Torpédoborec ( Destroyer) „G“ - General Electric „S“ - Ponorka (Submarine) „W“ - Westinghouse S2W Byly vyrobeny dva reaktory STR (Submarine Thermal Reactor), Mark I (S1W) jako zkušební pozemní prototyp a Mark II (S2W) instalovaný do ponorky Nautilus (SSN 571), která byla na vodu spuštěna 21. ledna roku 1954. Spojené státy tak jako první na světě vyvinuly ponorku s nukleárním pohonem. Nautilus poháněl tlakovodní reaktor PWR o výkonu 70 MWt mode- rovaný a chlazený vodou s vysoce obohaceným uranem jako palivem a palivovými pruty s povlakovým materiálem ze speciální slitiny zirkonu. Vysoké obohacení paliva dovolovalo kompaktnější rozměry reaktoru a zároveň poskytovalo dostatečnou zásobu reaktivity pro pře- konání xenonové otravy při poklesu výkonu. Nautilus svými rekordními výkony, mezi nimiž bylo např. podplutí Arktidy a dosažení severního pólu pod ledovým příkrovem, potvrdil volbu jaderného pohonu jako ideální pro budoucí moderní ponorky. Roku 1980 byl Nautilus vyřazen z provozu a nyní slouží jako muzeum v Connecticutu v USA. [26][83]

Obr. 10 Schéma pohonného systému nukleární ponorky Nautilus [78] S2G Druhý typ reaktoru SIR (Submarine Intermediate Reactor) byl typu LMR (Liquid Metal Reac- tor) chlazený tekutým sodíkem od GE byl uvažován jako plnohodnotný konkurent STR reaktoru. Byly vyrobeny Mark A (S1G) pro pozemní testy a Mark B (S2G), který byl nainstalován do ponorky Seawolf (SSN-575). Jako palivo sloužily UO2 pelety v prutech z nerezové oceli pokryté berylliem (BeO je korozivzdorné vůči sodíku). Vysoké operační teploty poskytovaly výhodu menšího reaktoru s vyšší účinnosti, ale kvůli vysoké radioaktivitě sodíku v primárním okruhu bylo zapotřebí většího stínění. Pro cirkulaci chladiva byla použita elektromagnetická čerpadla. Seawolf byl spuštěn na vodu v roce 1955. Nepříznivý vliv sodíku na nerezovou ocel 347SS, která byla použita pro parní přehříváky, způsobil při testovací plavbě únik chladiva.

15 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

Po následném bypassu přehříváku mohla ponorka plout jen na 80% původně plánovaného vý- konu. Tento i další důvody, převážně bezpečnostního rázu (sodík je vysoce hořlavý na vzduchu a při kontaktu s vodou prudce oxiduje na hydroxid sodný a vodík), rozhodly, že po dvou letech byl reaktor nahrazen tlakovodním S3W a všechny další americké ponorky byly osazeny bezpečnějšími a spolehlivějšími PWR reaktory. [48][83][25] S3W/S4W SSN-578 Skate (1955-1959) Velikost a výrobní cena ponorek Nautilus a Seawolf byla příliš velká na to, aby se daly uva- žovat pro sériovou výrobu. Koncept první třídy ponorek byl v zásadě hotov už před spuštěním Nautilu na vodu, nicméně Skate byl uveden do provozu až roku 1957. Trup nové koncepce ponorky byl inspirován třídou Tang. Původní reaktor S2W byl zjednodušen, zmenšen a vznik- ly dvě různá uspořádání - S3W, který byl použit v prvních dvou ponorkách (Skate a Sargo) a S4W pro další dvě ponorky (Swordfish a Seadragon). S4W byla varianta reaktoru S3W s ho- rizontálními parogenerátory, které byly použity v S1W a S2W. Během generální opravy byly v obou ponorkách S4W vyměněny za S5W. [78] S5W SSN-585 Skipjack (1955-1959) Bylo vyrobeno 6 ponorek třídy Skipjack. Trup byl kapkovitého tvaru založen na úspěšném typu třídy Albacore. Ten umožňoval lepší manévrovatelnost, hluší ponor a vyšší rychlost pod vodou. Pohon zajišťoval reaktor S5W nového typu s dvěma parními turbínami na jediné hří- deli lodního šroubu. Tento typ reaktoru byl používán až do třídy Los Angeles. Reaktor u třídy Skipjack byl koncipován na kampaň 225 000 km do výměny paliva. Pára mimo jiné poháněla i dva turbogenerátory, které zásobovaly ponorku elektrickou energií. S5W je tlakovodní reaktor, kde v primárním okruhu protéká radioaktivní voda pod tlakem 15 MPa přes reaktor, ohřívá se na teplotou 315 °C a předává teplo ve výměníku do sekundárního okruhu, kde se pod nižším tlakem voda mění v páru a roztáčí turbíny převádějící pohon na převodovku, roz- táčející hřídel lodního šroubu. Pára se poté sráží v kondenzátoru a pokračuje znovu do výmě- níku. Kondenzátory PWR používají mořskou vodu jako tepelnou stoku. Její proudění je za- jištěn dopředným pohybem ponorky, popř. čerpadly při nízkých rychlostech. [73][20] SSN-593 Thresher / SSN-594 Permit (1958-1968) Ponorky třídy Thresher (z důvodu potopení vlajkové ponorky přejmenována později na Per- mit) byly osazeny osvědčenými reaktory S5W podobnými jako ve třídě Skipjack. [78] SSBN-598 George Washington (1958-1961) George Washington byla první americkou balistickou ponorkou. Její trup, založený na třídě Skipjack, byl prodloužený o 40 m sekci pro balistické rakety. SSBN-608 Ethan Allen (1959-1963) Další třída, která byla již výhradně koncipována jako balistická ponorka. [20] SSBN-616 Lafayette (1961-1964) SSBN-640 Benjamin Franklin (1963-1967) SSN-637 Sturgeon (1963-1975) Třída Sturgeon byla delším a vylepšeným pokračovatelem třídy Thresher. [78] SSN-685 Glenard P. Lipscomb (1974) Jediná ponorka této třídy Glenard P. Lipscomb byla, podobně jako Tullibee, prototyp používa-

16 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

jící turbo-elektrický motor namísto standardní převodové skříně. I když tento pohon vedl ke snížení hluku motoru, podstatně větší a těžší zařízení způsobilo snížení rychlosti. Systém také nebyl vždy spolehlivý. To vedlo k tomu, že nebyl dále použit ve třídě Los Angeles.

Obr. 11 Schéma pohonného systému jaderné ponorky s PWR reaktorem [20] S4G SSN-586 Triton (1959) V této „třídě“ byla vyrobena pouze jedna ponorka. Ve své době největší na světě. Byla to také poslední ponorka amerického námořnictva se dvěma lodními šrouby a jediná, kterou poháněly dva jaderné PWR reaktory 4SG. Byly to námořní verze pozemních testovacích prototypů S3G v rámci programu SAR (Submarine Advanced Reactor). Navržený výkon na každé pohonné hřídeli byl 12,5 MW, nicméně při testovacích plavbách bylo dosáhnuto výkonu až 16,4 MW na hřídeli. První reaktor poskytoval páru strojovně pohánějící šroub na pravoboku a druhý reaktor poháněl levý šroub. I přes to, že to byla jediná americká ponorka se dvěma reaktory, zkušenosti s jejich technologií a provozem byly zhodnoceny při stavbě nukleárně poháněných lodí. [78][7] S2C SSN-597 Tullibee (1960) SSN Tullibee byla nejmenší americkou jadernou ponorkou. Sloužila hlavně za účelem testování nového pohonu a sférického sonaru pro další vývoj. Pohon obstarával jaderný reaktor S2C navrženým firmou Combustion Engineering, který byl podobný typu S5W ale menší (s menším výkonem) a navržen pro co nejtišší provoz. Hlavním rozdílem oproti S5W byl pohon turbo-elektrické jednotky pro snížení hluku. [55] S5G SSN-671 Narwhal (1969) Byla vyrobena jediná ponorka této třídy. Měla za úkol otestovat nový typ reaktoru NCR (Na- tural Circulation Reactor), konkrétně prototyp S5G. Byl to PWR reaktor schopný operovat ve dvou chladících módech. V normálním nuceném módu, kde byla cirkulace chladiva zajištěna čerpadly nebo v přirozeném cirkulačním módu, kde chladivo cirkulovalo přirozenou konvek-

17 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

cí. S5G reaktor měl dva chladící okruhy a dva parogenerátory. Bylo potřeba umístit nádobu reaktoru níže v trupu a parogenerátory do vyšší polohy pro vytvoření a udržení potřebné vztlakové síly. Díky tomuto typu cirkulace měla USS Narwhal nejtišší reaktor v americkém námořnictvu té doby. Právě čerpadla, vedle převodovky a kavitace na lopatkách lodního šrou- bu, jsou jedním z hlavních příčin hluku. Čerpadla bylo potřeba používat pouze v případě nutnosti vysokého výkonu. [83] S6G SSN-688 Los Angeles (1972-1996) Los Angeles je dnes asi nejznámější třídou útočných ponorek. Je navržena s požadavkem na vyšší rychlost, kterou měl zajistit nový PWR reaktor S6G vyvinutý z lodního reaktoru D2G. Cirkulace chladiva je zajištěna přirozenou konvekcí při nižších výkonech. Reaktor o výkonu 130 MWt pohání dvě turbíny. Palivový cyklus byl nejprve koncipován na 10 let, od ponorky USS Providence s pokročilým reaktorem je palivový cyklus srovnatelný s životností ponorky. [54] S8G SSBN/SSGN-726 Ohio (1976-1977) Systém reaktoru S8G byl adoptován z úspěšného NCR S5G reaktoru ponorky Narwal. Reak- tor pohání dvě turbíny. Původní třicetiletá provozní životnost třídy byla prodloužena na 42 let (dvouletá generální oprava s výměnou paliva po 20ti letech). V roce 1992 byla podepsána smlouva START II o omezení počtu jaderných náloží na strategických nosičích mezi USA a Ruskou federací, kvůli které byly 4 ponorky třídy Ohio modifikovány na nosiče raket s plo- chou dráhou letu. [20] S6W SSN-21 Seawolf (1989-2005) Po více než dvaceti letech přišla na svět nová třída ponorek Seawolf poháněná PWR reaktorem typu S6W. Z původního plánu 29 plavidel byly nakonec z důvodů vysokých nákladů vyrobeny jen tři. [31] S9G SSN-774 Virginia (2000-?) Vysoká cena třídy Seawolf a změna strategických požadavků vedla americké námořnictvo k vývoji nové generace útočných ponorek Virginia poháněných PWR reaktorem typu S9G se zvýšenou hustotou energie a novými komponenty elektrárny, včetně vylepšené koro- zivzdornosti parogenerátoru. Reaktor je navrhnut, aby operoval 33 let bez potřeby doplňování paliva a vydržel očekávaných 30 let životnosti ponorky. To vedlo ke snížení nákladů životního cyklu ponorky. [83]

18 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

Tab. 1.Přehled tříd jaderných ponorek amerického námořnictva [20][49][10]

Nominální tepelný Max. rychlost Rok prvního až výkon reaktoru / Třída: posledního Reaktor pod hladinou výkon na hřídeli −1 spuštění kýlu [MWt /MW ] [kt /kmh ] SSN-571 Nautilus 1954 PWR S2W 70 / 11,2 SSN-575 Seawolf 1955 LMR S2G SSN-578 Skate 1955-1959 PWR S3W / S4W 70 / 5,6 SSN-585 Skipjack 1955-1959 PWR S5W 70 / 11,2 29 / 53,7 SSN-586 Triton 1959 2x PWR S4G / 16,4 30 / 55,6 SSN-594 Permit 1958-1968 PWR S5W 70 / 11,2 30 / 55,6 SSN-597 Tullibee 1960 PWR S2C 20 / 3,7 SSN-637 Sturgeon 1963-1975 PWR S5W 70 / 11,2 25 / 46,3 SSN-671 Narwhal 1969 PWR S5G / 12,7 20+ / 37 SSN-685 Glenard P. L. 1974 PWR S5W 70 / 11,2 20+ / 37 SSN-688 Los Angeles 1972-1996 PWR S6G 130 / 26,1 30 / 55,6 SSN-21 Seawolf 1989-2005 PWR S6W 220 / 42,5 35 / 64,8 SSN-774 Virginia 2000-? PWR S9G / 29,8 25+ / 46,3 SSBN-598 G. Washington 1958-1961 PWR S5W 70 / 11,2 25 / 46,3 SSBN-608 Ethan Allen 1959-1963 PWR S5W 70 / 11,2 20+ / 37 SSBN-616 Lafayette 1961-1964 PWR S5W 70 / 11,2 25 / 46,3 SSBN-640 Benjamin F. 1963-1967 PWR S5W 70 / 11,2 25 / 46,3 SSBN-726 Ohio 1976-1977 PWR S8G 220 / 44,7 25 / 46,3

RUSKO (SSSR) Sovětský svaz se začal po válce také zajímat o využití jaderných reaktorů jako pohonu ponorek. V prosinci roku 1952 vydala vláda výnos o stavbě nukleárních ponorek v Severodvinsku, následně se v roce 1953 začalo v Obninsku s konstrukcí pozemních zkušebních prototypů reaktorů ve skutečné velikosti s přidruženými pohonnými jednotkami. Byly to PWR reaktor 27/VM uveden do provozu roku 1956 a LMR reaktor 27/VT roku 1959. Oba tyto reaktory sloužily k testování technologie a výcviku budoucích posádek. Zároveň s tím probíhala konstrukce a vývoj čtyř tříd jaderných ponorek (projekt 627, 645, 658, 659). [99] Na první generaci ponorek bylo použito klasické uspořádání parogenerátoru, oběhového čerpadla primárního okruhu a reaktoru. V druhé generaci bylo zvoleno kompaktnějšího systé- mu parogenerátorové jednotky ППУ (паропроизводящая установка) značené OK-300, OK-350 a OK-700. Třetí a čtvrtá generace obsahuje pokročilejší blokové uspořádání ППУ (OK-650). Na LMR reaktorech bylo použito ППУ jednotek VT-1 a OK-550. [46] VM-A Projekt 627 (November SSN) (1958-1963) Historicky první sovětská nukleární ponorka K-3 (později přejmenovaná na Leninsky Komso-

19 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

mol) byla uvedena do provozu 8. dubna roku 1958. Následkem požáru a dalších problémech v chladícím zařízení roku 1962 byla celá sekce s reaktory vyříznuta a nahrazena novou. Do roku 1963 bylo na vodu spuštěno dalších 12 ponorek této třídy. Ponorka měla dva šrouby, kte- ré poháněly dva PWR reaktory typu VM-A, každý o výkonu 70 MWt a 13 MW na hřídeli. Obohacení uranu první generace reaktorů dosahovalo hodnot okolo 21 % obsahu U-235. Tep- lota v primárním okruhu dosahovala přibližně 300 oC a pára teploty 250 oC. První pohonné soustavy se soustřeďovaly převážně na výkon. Bylo dosaženo relativně vysoké rychlosti, až 30 uzlů, avšak celý systém byl na ponorku velice hlučný. Třída November trpěla díky urych- lené produkci, nedostatečné kontrole a nekvalitní koncepci častými problémy technického rázu, které vedly k únikům radiace a několika tragickým událostem. [77][99][10] Projekt 658 (Hotel SSBN) (1958-1961) Třída ponorek Hotel byla první třídou nukleárně poháněných balistických ponorek na světě. Projekt 659/675 (Echo I/Echo II SSGN)/ (1958-1966) Třídy Hotel i Echo jsou založeny na konceptu třídy November se dvěma reaktory VM-A. [99]

Obr. 12 Design první generace sovětských ponorkových reaktorů VM-A [84] RM-1 (VT-1) Projekt 645 (November-ZhMT SSN) (1958) Byl vyroben jediný prototyp - ponorka K-27. Byla uvedena do provozu roku 1962. Její trup byl založen na třídě November. Byla to první sovětská ponorka s reaktorem typu LMR. Po- háněly ji dva RM-1 reaktory s eutektickou směsí olova a bismutu jako chladivem. Olovo a bismut se vyznačují nízkou absorpcí neutronů a relativně nízkou teplotou tání. Mají poměrně těžká jádra, takže nezpomalují neutrony. Oba reaktory disponovaly tepelným výkonem 146 MWt a výkonem na hřídeli 26 MW. Výhodou LMR je vyšší účinnost umožňující kompaktnější rozměry při vyšších výkonech než u PWR. Jelikož má směs vysokou teplotu varu (1670 °C), není potřeba mít chladivo v primárním okruhu pod vysokým tlakem. Nevý- hodou jsou vysoce korozivní vlastnosti slitiny, kratší životnost a teplota tuhnutí chladiva při eutektické teplotě 123,5 °C. Reaktor je tak potřeba mít neustále v provozu, případně zahřívat

20 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

chladivo, když reaktor nepracuje. Pro snížení koroze byl do směsi později přidáván kyslík, ten vytváří na povrchu ocele tenkou ochrannou vrstvu oxidů.[10] VM-4 (OK-700, OK-350, OK-300) Projekt 667 (Yankee SSBN) (1964-1973) Yankee byla sovětská první „moderní“ SSBN ponorka. Základní uspořádání měla podobné jako americká třída George Washington. Poháněly ji dva PWR reaktory druhé generace typu VM-4 (OK-700). Každý s výkonem 90 MWt a 14,9 MW výkonu na hřídeli. Zkušenosti z první generace reaktorů přiměly konstruktéry k několika modifikacím. Objem a distribuce primárního cyklu byly významně zredukovány, byl zmenšen průměr rozměrného potrubí a umístěn do neobydlených částí ponorky s biologickým stíněním. Monitorovací systémy, auto- matizace a dálkové řízení byly používány ve větším rozsahu. Tyto a mnoho dalších modifikací přispěly k vyšší bezpečnosti systému, nicméně se pořád objevovaly případy úniku z primární- ho okruhu. [10][77] Projekt 670 (Charlie SSGN) (1965-1979) Třída Charlie byla první a jedinou třídou jaderných ponorek sovětského námořnictva, kterou poháněl pouze jeden reaktor typu VM-4 (OK-350) s výkonem 89,2 MWt a 13,4 MW na hřídeli. [20][10] Projekt 671(Victor SSN) (1967-1991) Victor už měl kapkovitý tvar trupu a společně s třídou Charlie se staly prvními třídami poháněnými jedním lodním šroubem. Poháněly jej dva VM-4 (OK-300) reaktory o výkonu 75 MWt a 23,1 MW na hřídeli. [20] Projekt 667 (Delta SSBN) (1971-1987) Ponorky třídy Delta byly na rozdíl od Yankee, schopny nést rakety dalekého dosahu. Byl použit reaktor typu VM-4 (OK-700). [10]

Obr. 13 Řez ponorkou třídy Charlie projektu 670M [74] VM-5 (OK-650) Project 661 (Papa SSGN) (1963) Projekt 661 byl předchůdcem třídy Alfa. Jediná ponorka této třídy K-162 byla osazena dvěma reaktory typu VM-5 s celkovým výkonem 177,4 MWt a 60 MW výkonu na pohonné hřídeli. S rychlostí 44,7 uzlů (82,8 km/h) se stala nejrychlejší ponorkou světa. Tento rekord dodnes ještě žádná ponorka nepřekonala. [10][20]

21 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

Projekt 949 (Oscar SSGN) (1975-1992) Ponorky třídy Oscar byly poháněny dvěma reaktory VM-5 (OK-650b). [20] Projekt 941 (Typhoon SSBN) (1977-1989) Třída Typhoon s výtlakem na hladině 23,200-24,500 t byla a stále v současnosti je historicky největší vyrobenou ponorkou světa. Měla také unikátní konstrukci trupu typu katamaran (je tvořena dvěma nezávislými tlakovými trupy). Poháněla ji třetí generace PWR reaktorů VM-5 (OK-650), každý o výkonu 190 MWt poskytující výkon 2x37,3 MW na pohonné hří- dele a 4x3,2 MWe turbogenerátorům. Byly vyvinuty nové bezpečnostní systémy, převážně chlazení reaktorů v nouzových situacích. Namísto starého trubkového systému byl zaveden blokový systém. [20][10] Projekt 685 (Mike SSN) (1978) Ponorka K-278 jako jediná této třídy, měla za úkol testovat pokročilé technologie. [20] Projekt 945 (Sierra SSN) (1983-1990) Projekt 971 (Akula SSN) (1983-1993) Třída Akula byly (do třídy Graney) nejtišší ruské útočné ponorky. Pohon je zajištěn jedním reaktorem typu VM-5, s parogenerátorem OK-650b. Parní turbína OK-7 dodává 32 MW vý- konu na hřídeli a umožňuje ponorce plout pod vodou rychlostí až 35 kt. [20] VM-40A (OK-550) Projekt 705 (Alfa SSN) (1968-1975) Projekt Alfa je ukázkou novátorského přístupu ve vývoji ponorek v sovětském svazu ve snaze technologicky překonat svého amerického rivala. Bylo celkem postaveno 7 ponorek této třídy. Díky lehčímu titanovému trupu byly schopně ponořit se až do 1 km hloubky. Třída ponorek Alfa využila poznatků z projektu 645 s reaktorem typu LMR. Poháněl ji jeden LMR reaktor typu VM-40A (OK-550) o výkonu 155 MWt chlazen směsí Pb-Bi. V blízkosti mola, kde Alfa kotvila, bylo postaveno speciální zařízení, které mělo přivádět přehřátou páru do reaktoru, popř. byla zakotvena poblíž menší loď se stejnou funkcí. Nicméně se tato metoda externího ohřevu v praxi neosvědčila a reaktory musely setrvávat v chodu. Palivo v reaktorech třídy Alfa nebylo možné vyměnit, jako tomu bylo u PWR, proto celý reaktor sloužil jen po dobu životnosti paliva. [10][84] OK-650 Projekt 955 (Borei SSBN) (1996-?) Nejnovější čtvrtá generace ruských balistických ponorek třídy Borei je poháněna jedním PWR reaktorem typu OK-650 o výkonu 190 MWt. Nyní je ve výstavbě čtvrtá ponorka této třídy a plánuje se stavba dalších šesti ponorek této třídy. [61][86] Projekt 885 (Graney SSN) (2010-?) Konstrukce víceúčelové útočné ponorky Severodvinsk nové třídy Graney začala už roku 1993. Kvůli rozpočtovým problémům trvalo 17 let než byla oficiálně spuštěna na vodu v červnu 2010. Uvedena do provozu byla roku 2011. Pohání ji jeden PWR reaktor typu OK-650V o výkonu 200 MWt. [80][76]

22 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

Tab. 2 Přehled tříd sovětsko-ruských jaderných ponorek [10][49]

Nominální tepelný Stupeň Rok prvního výkon reaktoru / obohacení Třída: až posledního Reaktor výkon na hřídeli U-235 spuštění kýlu [MWt /MW ] [%] 627 (November SSN) 1958-1963 2x PWR VM-A 70 / 13 21 645 (Nov. - ZhMT SSN) 1958 2x LMR RM-1 (VT-1) 73 / 26 90 671(Victor SSN) 1967-1991 2x PWR VM-4 (OK-300) 75 / 23,1 21 705 (Alfa SSN) 1968-1975 1x LMR VM-40A (OK-550) 155 / 30 90 685 (Mike SSN) 1978 945 (Sierra SSN) 1983-1990 1x PWR VM-5 (OK-650) 190 / 32 21 - 45 971 (Akula SSN) 1983-1993 885 (Graney SSN) 2010-? 1x PWR (OK-650V) 195 / 32,1 ? 658 (Hotel SSBN) 1958-1961 2x PWR VM-A 70 / 13 21 667 (Yankee SSBN) 1964-1973 2x PWR VM-4 (OK-700) 90 / 14,9 21 667 (Delta SSBN) 1971-1987 941 (Typhoon SSBN) 1977-1989 2x PWR VM-5 (OK-650) 190 / 37,3 21 - 45 955 (Borei SSBN) 1996-? ?xPWR (OK-650) 195 / ? 659/675 (Echo SSGN) 1958-1966 2x PWR VM-A 70 / 13 21 661 (Papa SSGN) 1963 2x PWR VM-5 177,4 / 60 ? 670 (Charlie SSGN) 1965-1979 1x PWR VM-4 (OK-350) 89,2 / 13,4 21 949 (Oscar SSGN) 1975-1992 2x PWR VM-5 (OK-650b) 190 / 37,3 21 - 45

Obr. 14 Počet Sovětsko-ruských jaderných ponorek a lodí v provozu v průběhu let [76]

23 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

OSTATNÍ STÁTY S NUKLEÁRNÍMI PONORKAMI

VELKÁ BRITÁNIE První návrhy jaderného pohonu ponorek ve Velké Británii se objevily ve čtyřicátých letech. Byl naznačen pohon pomocí GCR (Gas Cooled Reactor) podobného výzkumnému reaktoru v Calder Hall. Tento reaktor byl však příliš komplikovaný a těžkopádný pro použití v ponor- kách. Počáteční návrhy jaderných ponorek v první polovině padesátých let se zastavily na ne- dostatečné úrovni dostupné technologie. Experimentovalo se také s alternativními palivy jako např. s peroxidem vodíku. V roce 1956 začaly práce na konstrukci testovacího reaktoru DSMP (Dounreay Submarine Prototype) v Dounreay ve Skotsku. Zatímco americké ná- mořnictvo dělalo pokroky ve vývoji reaktorů pro pohon ponorek a rozšiřovalo své nukleární loďstvo, Velké Británii by bez pomoci USA trvalo ještě dlouhou dobu a nemalé prostředky, než by vyvinula provozuschopný prototyp jaderné ponorky. V rámci smlouvy o vzájemné obraně (Mutual Defence Agreement) mezi USA a UK podepsané roku 1958 byla zajištěna pomoc s konstrukcí první britské jaderné ponorky. Westinghouse poskytl firmě Rolls-Royce kompletní reaktor S5W s příslušenstvím a návodem na jeho výrobu. V roce 1963 byla uvedena do provozu první jaderná ponorka královského námořnictva HMS Dreadnought poháněná americkým reaktorem S5W. [12] První reaktor pro britské jaderné ponorky byl vyvinut a vyroben firmou Rolls-Royce. Jednalo se o tlakovodní reaktor PWR 1. Během let se reaktor průběžně vyvíjel směrem k většímu výkonu a tiššímu provozu. Evoluční vývoj prošel třemi základními koncepty reaktoru. První typ založený na S5W reaktoru byl použit pro pohon tříd Valiant (SSN) a Resoluti- on (SSBN). Finální koncept jádra pohánějící třídy Swiftsure (SSN) a Trafalgar (SSN) zvýšil provozní dobu reaktoru. První typ většího reaktoru PWR 2 byl vyvinut pro třídu Vanguard (SSBN) a byl kon- cipován na výměnu paliva po osmi až devíti letech. Druhý, pokročilejší typ, je použit ve třídě Astute (SSN). Předpokládaná životnost tohoto reaktoru je 25 až 30 let tak, aby nebylo potřeba výměny paliva během základní provozní životnosti ponorky. [69][49] Nyní se pracuje na vývoji třetí generace jaderných reaktorů PWR 3. [81]

FRANCIE První pokusy Francie o stavbu jaderné ponorky probíhaly od roku 1954. Kvůli špatným vztahům se Spojenými státy nebyl Francii poskytnut obohacený uran. Francie pracovala poté na vývoji těžkovodního reaktoru, který by jako palivo používal přírodní uran. Tento typ reaktoru by však nebyl pro svou velikost a hmotnost v ponorkách použitelný. Po odmítnutí prode- je hotového reaktoru z USA se výzkum zastavil. V šedesátých letech začala Francie budovat svůj vlastní systém jaderného od- strašování, jehož součástí byly i jaderné ponorky. Pozemní prototyp jaderného PWR reaktoru PAT 1 (Prototype à terre) byl testován ve výzkumném zařízení v Cadarache a podobný byl po- užit i pro první třídu francouzských balistických jaderných ponorek Redoutable. Párou z pa- rogenerátoru byly roztáčeny dvě turbíny, každá pohánějící malý a velký alternátor. Velké al- ternátory poháněly hlavní pohonný elektromotor, zatímco menší alternátory poskytovaly elektřinu palubním systémům. První tři ponorky této třídy byly poháněny LEU (Low Enri- ched Uranium) palivem, čtvrtou a pátou HEU (High Enriched Uranium) palivo.

24 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

Další generací reaktoru byl kompaktní reaktor K48 s integrovaným výměníkem použí- vaný v útočných ponorkách třídy Rubis. Jeho pozemní prototyp CAP (Chaufferie avancée prototype, Advanced propulsion prototype) byl vyvinut společností Technicatom. Při nižších výkonech zajišťovala cirkulaci chladiva přirozená konvekce. Ponorky třídy Rubis byly nej- menší jaderné ponorky na světě. Jako palivo bylo použito 7 % LEU, proto se musí pokaždé po přibližně desíti letech vyměnit. Ponorky jsou však vybaveny speciálním poklopem, díky kte- rému výměna paliva trvá měsíce a ne roky, jak je tomu u typické konstrukce jaderných ponorek, kde se trup s jádrem musí z ponorky vyřezávat. Výměna paliva ponorek je většinou spojena s generální údržbou a modernizací. Reaktor nové generace RNG (Réac- teur nouvelle génération) s označením K15 je použit v třídách ponorek Triomphant a Barracuda. Je podobný reaktoru K48 ale disponuje větším výkonem. [49][54][14] [37]

Obr. 15 Palivové pelety UO2 vložené do Zr slitiny ve vysokohustotním LEU caramelového uspořádání použitého ve francouzských ponorkách Rubis [49]

Obr. 17 Teplotní profil palivových tyčí [37]

Obr. 16 Reaktor s parogenerátorem integrovaný ve francouzské třídě nukleárních ponorek Rubis [37]

25 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

ČÍNA Čína vyvíjela své jaderné ponorky samostatně. Vzhledem k dobrým zkušenostem ostatních zemí s PWR reaktory se rozhodla pro vývoj stejného typu. Jako palivo je však používáno LEU okolo 3-5 % U-235. Pelety UO2 jsou pokryty slitinou zirkonu. Ranné počátky vývoje jaderných ponorek sahají až do roku 1958, nicméně kvůli malé- mu rozpočtu, technologickým překážkám a krizím sužující Čínu byla první Čínská ponorka Projektu 09 uvedena do provozu až roku 1974 - byla to ponorka ChangZheng 1 (401). Ponorky třídy 091 (SSN Han) a 092 (SSBN Xia) jsou poháněny jedním PWR reaktorem o výkonu 58 MWt s turbo-elektrickým pohonem. [39][87]

INDIE Projekt vývoje indické jaderné ponorky, známý také jako ATV (advanced technology vessel), začal v roce 1998. V roce 2004 byl uveden pozemní testovací reaktor do provozu a poté násle- dovala jeho miniaturizace. Snahy vyústili v konstrukci první Indické jaderné ponorky INS Arihant, která byla spuštěna na vodu roku 2009 a uvedena do provozu v roce 2011. Po- hání ji PWR reaktor o výkonu 85 MWt, aktivní zóna obsahuje 13 palivových kazet každou s 348 palivovými proutky. Indie si v roce 2011 od Ruské federace pronajala na deset let útočnou jadernou ponorku třídy Akula. [61]

Obr. 18 Vývoj počtu jaderných ponorek do roku 2000 [49]

26 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

Tab. 3 Přehled tříd jaderných ponorek Velké Británie, Francie, Číny a Indie [49][10]

Nominální tepelný Stupeň obo- Rok prvního výkon reaktoru / hacení Třída: až posledního Reaktor výkon na hřídeli U-235 spuštění kýlu [MWt /MW ] [%] Dreadnought (SSN) 1959 PWR S5W 70 / 11,2 Valiant (SSN) 1962-1963 PWR PWR 1 70 / 11,2 Resolution (SSBN) 1964-1965 PWR PWR 1 70 / 11,2 Churchill (SSN) 1967-1968 PWR PWR 1 70 / 11,2 Swiftsure (SSN) 1969-1977 PWR PWR 1 70 / 11,2 Trafalgar (SSN) 1978-1991 PWR PWR 1 70 / 11,2 97,3 Vanguard (SSBN) 1986-1999 PWR PWR 2 130 / 20,5 97,3 Astute 2001-? PWR PWR 2 130 / 20,5 Redoutable (SSBN) 1967-1980 PWR / 11,9 Rubis (SSN) 1976-1987 PWR K48 48 / 7,1 7 Triomphant (SSBN) 1989-2000 PWR K15 150 / 31 Barracuda (SSN) 2007-? PWR K15 150 / 31 091 (SSN Han) 1970-1990 PWR 58 / 3-5 092 (SSBN Xia) 1981 PWR 58 / 3-5 093 (SSN Shang) 2002-? PWR 094 (SSBN Jin) 2004-? PWR Arihant (SSBN) 2009-? PWR 85 / 35 40

3.1.2 HLADINOVÉ VÁLEČNÉ LOĎSTVO USA USA společně s Francií a Ruskem jsou dosud jediné země, které využívaly jaderný pohon pro vojenské hladinové lodě. Dnes má USA jádrem poháněné už jen letadlové lodě. Souběžně s vývojem ponorkových reaktorů americké námořnictvo začalo pracovat na lodních reaktorech. Byly vyvíjeny pozemní testovací reaktory pro různé typy plavidel - A1W pro letadlové lodě, větší F1W reaktor pro fregaty a C1W pro křižníky. Reaktor typu F1W nebyl nikdy použit, místo něj byl vyvinut reaktor D1G pro torpédoborce. První válečná hladinová loď s jaderným reaktorem byla USS Long Beach se dvěma reaktory typu C1W pohánějící dvě turbíny se dvěma pohonnými hřídeli. Bylo to jediné plavidlo s tímto reaktorem. [24] Námořní reaktory D2G poháněly torpédoborce CGN 25 Bainbridge, CGN 35 Truxtun, a třídy California a Virginia. Každý z nich byl osazen dvěma reaktory poskytujícími páru pro dvě pohonné turbíny. Každý z reaktorů byl schopný v případě odstavení druhého reaktoru po- skytovat páru oběma pohonným turbínám. [23] Pozemní prototyp reaktoru A1W sestával ze dvou reaktorů A1W-A a A1W-B. Byl to první po-

27 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

honný systém, kde byla jedna hřídel poháněná dvěma reaktory. V první jaderné letadlové lodi USS Enterprise (vyřazena z provozu v prosinci 2012), pro kterou byl reaktor vyvinut, byly použity 4 dvojice reaktorů A2W (1A-1B, 2A-2B, 3A-3B, a 4A-4B) se 4 turbogenerátory a 4 pohonnými hřídeli. Pára proudila z každého ze dvou parogenerátorů do společného vedení odkud byla rozváděna k hlavní turbíně, elektrickým generátorům a různým podpůrným systé- mům. Po průchodu hlavní pohonnou turbínou se pára rozdělí opět do dvou proudů a přes kon- denzátor se vrací zpět do výměníku. Otáčky z hlavní pohonné hřídele jsou přes převodovku zredukovány na použitelnou frekvenci. Teplota chladiva se pohybovala v rozmezí 274-285 °C. V parogenerátoru se při tlaku 4 MPa voda měnila v páru při 279 °C. K cirkulaci chladiva sloužily u každého reaktoru 4 elektrická čerpadla. [83] Ukázalo se, že s menším počtem reaktorů klesá i cena plavidla a tak byl vyvinut reaktor A3W s vyšším výkonem. Čtyři tyto jednotky měly být instalovány do letadlové lodě USS John F. Kennedy, avšak kvůli malé- mu rozpočtu bylo i od nich upuštěno. [24] Třídu letadlových lodí Nimitz pohání už jen dva reaktory typu A4W, Pohon pro nejnovější třídu Gerald R. Ford zajišťují dva reaktory typu A1B - první reaktory pro letadlovou loď od firmy Bechtel Marine Propulsion Obr. 19 Schéma zapojení parní turbíny na Corporation. První letadlová loď této třídy by měla být letadlové lodi třídy Nimitz 1) přívod páry z uvedena do provozu roku 2015. Nicméně konstrukční parogenerátoru; 5) usměrňovač; práce se oproti plánu zpožďují, tak lze očekávat i zpož- 6) stejnosměrný motor; 9) turbosoustrojí s dění. Celková cena letadlové lodi CVN-78 Geralt R. el. generátorem; 10) parní turbína pro pohon lodního šroubu [90] Ford se odhaduje na 12,3 miliard dolarů. [83][72]

RUSKO Sovětský svaz začal roku 1988 se stavbou jaderné letadlové lodě Ulyanovsk. Práce byly však po rozpadu Sovětského svazu roku 1991 přerušeny a rozestavěná loď byla zlikvidována. Údajně ji měl pohánět stejný pohonný systém jako křižníky Kirov, akorát se čtyřmi reaktory typu KN-3. Z jaderného hladinového loďstva tak Ruská federace dnes disponuje pouze ja- dernými křižníky třídy Kirov (Projekt 1144 Orlan). Tyto křižníky používají hybridní pohon CONAS (Combined Nuclear And Steam). Dva reaktory typu KN-3 jsou kombinovány s konvenčním pohonem dvou kotlů na topný olej. Reaktory poskytovaly každý výkon 150 MWt umožňující rychlost 24 kt (44,4 km/h). V hyb- ridním režimu je pára přehřáta následně v konvenčních kotlích a poté vedena ke dvěma hlavním turbínám. Kombinovaným pohonem je dodáváno 52,2 MW výkonu na každé ze dvou pohonných hřídelí a lze dosáhnout rychlosti až 32 kt (59,3 km/h). Se stejným typem pohonu, ale s reaktorem menšího výkonu, byla zkonstruována i ve- litelská loď projektu 1941 SSV-33 Ural (NATO kód Kapusta). [79][84]

FRANCIE Francie jako jediná, kromě USA, disponuje jadernou letadlovou lodí. Francouzská první a za- tím jediná jaderná letadlová loď nese jméno Charles de Gaulle a je poháněna stejným typem reaktoru jako ponorky třídy SSBN Triomphant. Dva reaktory K15 poskytují páru dvěma tur- boalternátorům (každý s jednou vysokotlakou a nízkotlakou turbínou pohánějící přes dvou-

28 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

stupňovou převodovku jednu hřídel). Každý reaktor dodává páru i dalším dvěma 4 MWe tur- boalternátorům dodávajícím elektřinu lodním systémům. [100]

Tab. 4: Přehled hladinových lodí USA, Ruska a Francie s jaderným pohonem [49]

Nominální tepelný Stupeň Rok prvního výkon reaktoru / obohacení Třída: až posledního Reaktor výkon na hřídeli U-235 spuštění kýlu [MWt /MW ] [%] USS Long Beach 1957 2x PWR C1W / 29,8 97,3 USS Bainbridge až Virginia 1959-1977 2x PWR D2G 150 / 22,4 USS Enterprise 1958 8x PWR A2W 120 / 26,1 97,3 Nimitz 1968-2003 2x PWR A4W / 97 97,3 Gerald R. Ford 2009-? 2x PWR A1B Kirov 1974-1986 2x PWR KN-3 (OK-900) 150 / 55-90 SSV-33 Ural (Kapusta) 1981 2x PWR KN-3 (OK-900) 171 / 55-90 Charles de Gaulle 1994 2x PWR K15 150 / 31

3.2 CIVILNÍ NÁMOŘNICTVO

3.2.1 OBCHODNÍ LODĚ

NS SAVANNAH Americká první a jediná jadernou energií poháněná obchodní loď NS Savannah byla vyrobena jako ukázka mírového využití jaderné energie v rámci programu Atoms for Peace . V letech 1962-1965 byla v provozu pro demonstrační účely. Poté do roku 1970, kdy byla vyřazena z provozu, sloužila experimentálně jako nákladní loď. Náklady na provoz a infrastrukturu byly však velmi vysoké. Z ekonomických důvodů bylo tedy roku 1971 odstraněno palivo a reaktor trvale vyřazen z provozu. Stavba lodi stála tehdy 46,9 miliónů dolarů (28,3 reaktor), přičemž za dobu provozu vydělala 12 miliónu dolarů. [57][71]

Obr. 20 Schéma uspořádání trupu NS Savannah [92]

29 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

NS Savannah byla poháněna jedním PWR reaktorem vyrobeným společností Babcock & Wilcox Company se dvěma smyčkami pri- márního okruhu. Každý okruh měl dvě čerpadla, tepelný výměník, dva zpětné a dva uzavírací ventily. Voda v primárním okruhu pod tlakem 12 MPa a průměrnou teplotou 264 °C předává teplo ve vý- měníku, ze kterého parovodní směs odchází potrubím do parního bubnu, odkud je sytá pára o parametrech 3,38 MPa a teplotě 254 °C vedena na turbínu. Pára je poté vedena do kondenzátoru a při teplo- tě 175 °C napáječkou zpět do výměníku. Systém reaktoru je umístěn uprostřed lodi. Hlavní část včetně reaktoru s primárními okruhy, kompenzátorem objemu, pa- rogenerátory, čerpadly a dalšími podpůrnými systémy je umístěn v cylindrickém kontejnmentu. Nízkotlaká zařízení na chemickou úpravu vody, zásobník chladiva aj. jsou umístěny vně kontejnmentu pro lepší přístup při údržbě. (viz příloha Obr. 10.2, 10.3, 10.4; str. 65, 66) Pohonný systém vážil 1148 t, reaktor 603 t a kontejnment se stíněním 2194 t. Kampaň mezi výměnou paliva trvala okolo 3-4 let. Aktivní zóna o průměru 1,575 m a výšce 1,676 m obsahovala 32 palivových souborů, každý sestávající ze 164 palivových tyčí s peletami UO2 o průměrném obohacení 4,4 % U-235. Řízení zajiš- ťuje 21 regulačních tyčí z ocele legované bórem a pláštěm z ušlech- tilé oceli. Pohon jednoho lodního šroubu byl přes převodovku zajištěn dvěma parními turbínami společnosti De Laval Steam Turbine Company. [92]

NS OTTO HAHN Podobně jako NS Savannah byla NS Otto Hahn se svými deseti lety bezproblémového provozu technologický úspěch, nicméně selhání z finančního hlediska ji připravilo o jaderný pohon, který byl v roce Obr. 21 Řez reaktorem NS 1979 nahrazen dieslovým motorem. Savannah [92] Na rozdíl od pozemních jaderných elektráren a reak- torů v NS Savannah, NS Mutsu a ledoborci Lenin byl zvolen integrální typ reaktoru Deutsche Babcockwerke Advanced PWR s tepelnými výměníky a čerpadly primárního okruhu uvnitř tlakové nádoby. Tato koncepce vedla ke kompaktnější jednotce. Parojem nad vodní hladinou sloužil zároveň jako kompenzátor objemu. Tři průtočné spirálové protiproudé pa- rogenerátory byly umístěny v mezikruží mezi stěnou nádoby a proudem chladiva. Napájecí voda vstupuje do parogenerátoru, proudí skrz trubkové svazky, kde se vypařuje a putuje k parním turbínám. Cirkulační čerpadla primárního okruhu Obr. 22 Uspořádání palivových byla umístěna ve spodní studené větvi okruhu. (viz příloha elementů a regulačních tyčí Obr. 10.5, 10.6, 10.7; str. 67, 68) [28] reaktoru NS Savannah [92]

30 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

NS MUTSU V roce 1974 proběhlo spuštění reaktoru první japonské jaderné námořní lodi NS Mutsu. Při dosažení 1,4 % výkonu reaktoru, byl kvůli špatnému provedení stínění zaznamenán únik radiace. Radiační štít prodělal v letech 1978-1982 řadu oprav a modifikací. Po absolvování množ- ství experimentů a generální opravě byla plně funkční Mutsu hotova až roku 1991. Po dosa- žení původního záměru plavby 82000 km byla roku 1992 vyřazena z provozu. (viz příloha Obr. 10.8, 10.9; str. 69) [58]

NS SEVMORPUT Sevmorput byla jediná jaderná nákladní loď Ruské federace. Díky zesílenému trupu byla schopna plout bez pomoci ledoborce v 1 m silném ledovém příkrovu rychlostí okolo dvou uzlů. Poháněl ji jeden reaktor typu KLT-40. Radiační štít reaktoru je tvořen vrstvami ocele a vody. Svrchní část tlakové nádoby je navíc odstíněna betonem. Délka dvojitého potrubí v pri- márním okruhu je zredukována na minimum, stejně tak i příruby a jiné prvky, které by mohly zvýšit riziko úniku chladiva. Aktivní zóna o průměru 1 m a výšce 1,21 m sestává ze 241 palivových souborů v trojúhelníkové mříži s roztečí 72 mm. Svazek 53 palivových proutků o vnějším průměru 5,8 mm je ošetřen povlakem ze zirkoniové slitiny. Palivové tablety obsahují slitinu uranu a zirkonu. Množství uranu je 167 kg (150,7 kg U-235). Palivové články obsahují i proutky pří- rodního gadolinia, které během provozu pohlcují neutrony za vzniku jiných izotopů Gd a ter- bia Tb s nižším účinným průřezem pro záchyt neutronů. Spolu s postupným štěpením U-235 tak klesá i obsah Gd. To umožňuje dosáhnutí rovnoměrného výkonu štěpení během kampaně a použití vysoce obohaceného paliva. Primární okruh reaktoru je opatřen čtyřmi chladícími smyčkami, každá s jedním pa- rogenerátorem a cirkulačním čerpadlem. Tlak v primárním systému je kontrolován systémem čtyř kompenzátorů objemu. Reaktor byl schopen provozu v režimu cirkulace přirozenou kon- vekcí při 25-30 % výkonu. (Primární okruh KLT-40 viz příloha Obr. 10.13, str. 71) [84] V roce 2001 podstoupila loď výměnu paliva. V roce 2007 byla plánována jeji přeměna na vrtnou loď. Z plánů se ale následující rok upustilo. Od té doby je nečinná. V roce 2012 byla odstraněna z ruského lodního registru a čeká ji sešrotování. [88]

Tab. 5: Přehled civilních nákladních plavidel a jejich jaderných reaktorů [4][92][13]

Nominální tepelný Parní Stupeň oboha- Rok uvedení výkon reaktoru/ vý- Plavidlo Reaktor výkon cení U-235 do provozu kon na hřídeli [MWt /MW ] [t /h] [%] NS Savannah 1962 1x PWR 74 / 15 110 3-5 NS Otto Hahn 1968 1x PWR 38 / 8 64 3-5 NS Mutsu (1974) 1x PWR 36 / 7,5 3-5 NS Sevmorput 1988 1x PWR KLT-40M 135 / 29,4 215 90

31 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

3.2.2 LEDOBORCE Jediná země, která dnes disponuje civilními plavidly s nukleárním pohonem, je Rusko. Jedná se výhradně o ledoborce.

OCEÁNSKÉ LEDOBORCE OK-150 / OK-900 NS Lenin (uveden do provozu 1959) První ruský jaderný ledoborec Lenin byl zároveň první civilní lodí poháněnou jaderným reaktorem. Zkušenosti z jeho provozu ukázaly podstatné výhody nukleárního pohonu pro arktické ledoborce. Do roku 1964 jej poháněly tři reaktory typu OK-150. Poté byl odstaven za účelem generálních oprav a výměny paliva. Při výměně paliva druhého reaktoru z důvodu odčerpání chladiva z aktivní zóny došlo k přehřátí a deformaci palivových souborů, což znemožnilo jejich samostatné vytažení. V roce 1967 byl zaznamenán krátce po výměně paliva únik z chla- dícího systému. Ke zjištění netěsnosti byla nutná fragmentace betonového stínění palicemi, což vedlo k dalšímu poškození reaktoru. Nakonec bylo rozhodnuto, že bude pohon nahrazen dvěma reaktory další generace typu OK-900 se kterými operoval do roku 1989, kdy byl vy- řazen ze služby a později přetvořen na muzeum. [10] Každý ze tří reaktorů OK-150 měl dvě nezávislé smyčky primárního okruhu, každou se svým parogenerátorem, dvěma cirkulačními čerpadly (jedním rezervním) a ionexový filtr s chlazením. Ke snížení velkých změn tlaku v primárním okruhu slouží čtyři kompenzátory objemu. Reaktor byl schopný provozu s jedním okruhem až na 55 % plného výkonu. Loď obsahovala dvě parní turbíny, každá pohánějící jeden hlavní a dva vedlejší generátory. Každá dvojice parogenerátorů mohla v případě potřeby sama pohánět sadu tří elektromotorů. (viz příloha Obr. 10.10, 10.11, 10.12; str. 70) [62] Aktivní zóna reaktoru obsahovala 219 palivových kanálů uspořádaných v trojúhelní- kové mřížce s roztečí 64 mm. Mezi palivovými peletami UO2 a hermeticky uzavřeným obalem ze zirkonia byla tenká vrstvička hélia. Kvůli problémům s obalem byl při první výmě- ně paliva (1962) jeden z reaktorů osazen peletami s ochranným obalem z nerezové oceli a na dalších dvou reaktorech z vylepšené slitiny zirkonu legované niobem. [84]

Obr. 23 Schéma primárního okruhu reaktoru OK-150, 1) reaktor 2) parogenerátor 3) hlavní cirkulační čerpadla 4) záložní čerpadlo 5) kompenzátory objemu 6) filtr 7) chladič filtru [84]

32 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

Třída Arktika (NS Arktitka 1975, NS Sibir 1978, NS Rossiya 1985, NS Sovjetskij Sojuz 1989, NS Jamal 1992, NS 50 Let Pobedy 2007) Po úspěšném provozu a zkušenostech s reaktory OK-900 o výkonu 159 MWt na palubě ledoborce Lenin, byla nová generace ledoborců osazena modifi- kovanými verzemi OK-900A s výkonem 171 MWt. Oproti typu OK-150 byl zvětšen počet smyček primárního okruhu na čtyři. Byly použity nové kompenzátory objemu, ve kterých byl tlak nad hladinou regulován externím zdrojem stlačeného vzduchu. Obr. 24 Zapojení na jaderném ledoborci Jamal 1) přívod páry z parogenerátoru; Vstupní a výstupní potrubí je umístěno v horní části tla- 2) bypass parní turbíny pro případ náhlého kové nádoby tak, aby nebylo možné odčerpat chladivo zastavení pohonu lodních šroubů; z aktivní zóny a opakovat nehodu z NS Lenin. Dále 3) kondenzátor 4) 3x jednofázový generátor bylo palivo UO2 v reaktorech OK-900A nahrazeno pe- střídavého proudu 5) usměrňovač letami U-Zr s vysoce obohaceným uranem a mezera 6) stejnosměrný motor 7) přívod el. Od druhého turbosoustrojí 8) lodní šroub [90] s vrstvičkou hélia byla odstraněna. Stínění reaktoru bylo nadimenzováno na 90 % obohacení uranu. Regulační tyče jsou ovládány vlastním ne- závislým pohonem s možností manuálního řízení v případě potřeby zasunutí tyčí do reaktoru. V případě uvíznutí řídících tyčí lze reaktor odstavit vstříknutím tekutého absorbátoru. [84]

Obr. 25 Okruhy nukleárního ledoborce Arktika [84]

33 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

ŘÍČNÍ LEDOBORCE Oceánské ledoborce mohou kvůli své velikosti operovat jen v hlubších vodách. Pro zajištění průjezdnosti sibiřských řek je zapotřebí ledoborců s menším ponorem. KLT-40M Třída Tajmyr (NS Tajmyr 1988, NS Vaigach 1990) Pohon říčních ledoborců třídy Tajmyr je zajištěn jedním reaktorem typu KLT-40M o výkonu 171 MWt, velice podobnému reaktoru KLT-40 pohánějícího nákladní loď Sevmorput. RITM-200 LK-60 (Projekt 22220) Podle stavebního kontraktu podepsaného v srpnu roku 2012 by měl být uveden do provozu nový typ univerzálního ledoborce LK-60 v roce 2017. Stavbu zajišťuje Rosatomflot, jaderný reaktor konkrétně společnost OKBM Afrikantov (dceřinná společnost Rosatomu). Díky balastním nádržím bude schopný operovat na moři i v říčních tocích. [6] Dva sériově vyráběné PWR reaktory typu RITM-200 kaž- dý s výkonem 175 MWt a 30 MW výkonu na hřídeli dodávají páru dvěma turbogenerátorům zajišťující výkon 60 MWe třem asynchronním motorům. Jako palivo je použito LEU UO2 ve 199 palivových kazetách. Reaktor je koncipován jako integrální se čtyřmi nezávislými smyčkami s hlavními cirkulačními čerpadly umístěnými ve studených větvích primárního okruhu a parogene- rátory produkující 248 t/h páry o teplotě 295 °C a tlaku 3,82 MPa. Reaktor by měl operovat 7 let při 65 % kapacitním faktoru než bude potřeba výměny paliva. [35] Obr. 26 Reaktor RITM-200 společnosti OKBM Afrikantov [35] PLOVOUCÍ JADERNÁ ELEKTRÁRNA Reaktor typu KLT-40S, založený na námořních reaktorech typu KLT-40, je použit i pro pilot- ní projekt plovoucích kogeneračních elektráren Akademik Lomonosov, který měl být hotov roku 2012, nicméně kvůli bankrotu vlastníka loděnic a likvidačnímu řízení se práce zastavily a Rosatom byl nucen kontrakt zrušit. Loděnici Baltiyski Zavod získala v květnu 2012 státní společnost a práce na rozestavěné elektrárně byly obnoveny. Podle plánu by měl být Akade- mik Lomonosov dodán v roce 2016 a uveden do provozu ve Vilyuchinsku na Kamčatce. [18] Plovoucí kogenerační elektrárna je zcela autonomní, nemá však vlastní pohon a z vý- roby ji na místo určení musí dotáhnout remorkér nebo jiná tažná loď. Elektrárna je osazena dvěma modulárními PWR reaktory KLT-40S, každý o výkonu 150 MWt (38,5 MWe). Kampaň paliva je projektována na 3-4 roky, použité palivo je poté uschováno na palubě plavidla. Rosatom nabízí FNPP (Floating Nuclear Power Plant) jako řešení pro výrobu elektři- ny a tepla pro decentralizované oblasti nebo využití pro odsolování mořské vody v oblastech s horším přístupem k pitné vodě. (Blokové schéma KLT-40S viz příloha Obr. 10.14; str.72) [21][35]

34 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

Obr. 27 Trup plovoucí jaderné jednotky s dvěma reaktory KLT-40S [63] Koncept plovoucí jaderné elektrárny není nic nového. Sovětský svaz na něm pracoval už v 60. letech, projekt se však jevil nerentabilní a tak bylo od dalšího vývoje upuštěno. V rámci amerického programu ANPP byla nákladní loď Sturgis přestavěna na plovoucí jadernou elek- trárnu a v letech 1968-1977 pomáhala zásobovat Panamský průplav elektrickou energií. Její PWR reaktor MH-1A (Mobile, High power) společnosti Martin Marietta Corporation poskytoval 10 MWe (45 MWt). Jako palivo bylo použito LEU (4-7 %) pelet UO2. Z důvodů nerentability byl však její provoz zrušen a další jednotky již nebyly postaveny. [93][29] Tab. 6: Charakteristiky reaktorů ruských civilních lodí [34][4]

Označení Reaktoru Data OK-150 OK-900 OK-900A KLT-40 KLT-40M 1. Název / třída plavidla Lenin Lenin Třída Arktika Sevmorput Třída Tajmyr 2. Stupeň obohacení U-235 [%] 5 5 HEU HEU HEU 3. Výtlak [tun] 16000 15940 23500 62000 18620 4. Celkový výkon na hřídeli, [MW] 32,8 32,8 55,9 29,8 35,8 5. Počet reaktorů 3 2 2 1 1 6. Výkon reaktoru, nominální [MWt] 90 159 171 135 171 7. Životnost jedné vsázky paliva při 500 1050 1050 1460 1120 plném zatížení [dny] 8. Parametry chladiva při jmenovitém výkonu: 1) Vstupní teplota do AZ [°C] 261 278 273 279 273 2) Výstupní teplota z AZ [°C] 284 318 316 311 316 3) Tlak primárního okruhu [MPa] 18 13 13 13 13 9. Parametry sekundárního okruhu při jmenovitém výkonu 1) Hmotnostní tok páry [t/h] 3x90 2x220 2x240 215 240 2) Teplota páry [°C] 290 305 290 290 300 3) Tlak páry [MPa] 3.1 3.19 3.34 4 3.4

35 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

3.3 VYŘAZOVÁNÍ PLAVIDEL Z PROVOZU A NAKLÁDÁNÍ S JADERNÝM ODPADEM Vyřazení z provozu a demontáž plavidla z důvodu ukončení životnosti, finančních problémů nebo jiných je běžný proces životního cyklu. Vývojáři prvních jaderných ponorek neza- hrnovali nakládání s jaderným odpadem po ukončení kampaně do svých počátečních plánů. Obecné požadavky demontáže ruských jaderných ponorek s přihlédnutím na jejich specifický design byly zahrnuty dokonce až v roce 1994.[64] Poprvé tomuto problému čelily vlády USA a SSSR ke konci šedesátých let. V té době byl použit nejekonomičtější možný způsob - americké námořnictvo potopilo reaktor ponorky Seawolf do oceánu u pobřeží státu Delawere do hloubky 2800 m, stejně tak potopil své reaktory Sovětský svaz poblíž souostroví Nové země. Před potopením byla sekce ponorky s reaktorem naplněna furfuralem pro oddálení koroze materiálu. Tento způsob zbavování se vysoce radioaktivního jaderného odpadu byl zakázán mezinárodní konvekcí o ukládání odpadu (Convention on the Prevention of Marine Pollution by Dumping of Wastes and Other Matter) podepsanou roku 1972 v Londýně. Později byla úmluva v roce 1996 rozšířena i na středně a mírně radioaktivní odpad. [74][64] Ke konci osmdesátých let se ukázalo, že ani jeden stát využívající plavidla s jaderným pohonem není připraven na jejich demontáž. Jen ponorek bylo do roku 2003 na světě postaveno 478 (SSSR/Rusko – 249) a vyřazeno z provozu 275 (Rusko 183). Velká část jaderných ponorek byla vyřazena ze služby v rámci dohody START o omezení počtu jaderných náloží na strategických nosičích. [64] Jaderná plavidla obsahují značné množství radioaktivního odpadu ve formě vyhoře- lého paliva, jaderného kontejnmentu, chladící kapaliny a tuhého odpadu. Proces demontáže navíc vytváří další množství radioaktivního odpadu. S vyhořelým palivem je možné nakládat dvěma způsoby. Z meziskladu, kde je uloženo v ocelových kontejnerech, může putovat do bezpečného trvalého uložiště nebo lze použité palivo přepracovat. Přepracování paliva je nicméně při dnešních postupech a cenách uranu finančně nevýhodné, proto se většinou přistupuje k uskladnění paliva. [65]

Obr. 28 Schéma vyjmutí vyhořelého paliva z reaktoru jaderné ponorky použitím pobřežního komplexu na výměnu paliva SC Zvyozdochka v Severodvinsku [65]

36 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

3.3.1 DEMONTÁŽNÍ PROCEDURA JADERNÝCH PONOREK 1. fáze - Demontáž všech zbraňových systémů, hořlavých částí, nebezpečných a jednoduše odstranitelných částí. 2. fáze - Po odstavení reaktoru je vlivem přirozené cirkulace reaktor chlazen po dobu tří nebo i více let. Po tom, co klesne rozpadové teplo na přijatelnou hodnotu, odčerpá se chladivo pri- márního okruhu. Následně je odstraněno ochranné víko reaktoru pomocí hydraulických zve- dáků. Víko je nahrazeno zařízením pro výměnu paliva, které přesune vyhořelé palivové ele- menty do přepravních kontejnerů. 3. fáze - Podle ruské procedury sestává z vyříznutí části ponorky s reaktorovou sekcí a dvěma s ním sousedícími odděleními. Tato vyříznutá část je poté z obou stran oplátována ocelovým plechem, popř. spojena s dalšími reaktorovými sekcemi jiných ponorek a poté zaplátována, a zakotvena jako plovoucí uložiště dokud nebude k dispozici místo v pozemním uložišti. - Z amerických jaderných ponorek je reaktorová sekce zapečetěna v ochranném kontejneru a přepravena do dlouhodobého uložiště v Hanfordu. 4. fáze - Likvidace jaderného odpadu a recyklace přední a zadní části ponorky. [74][68]

Obr. 30 Kontejnery s reaktorovými sekcemi demontovanými z jaderných Obr. 29 Základní postup při likvidaci jaderných ponorek [68] ponorek a křižníků v uložišti 94 v Hanfordu [94] S největšími problémy s radioaktivními odpady se dnes potýká Ruská federace. Po rozpadu Sovětského svazu na ni zůstal úkol vypořádat se s dědictvím studené války ve formě největší flotily vyřazených jaderných ponorek (v roce 2012 vyřazených 199) a jejich jaderného odpadu. Kvůli finančním problémům probíhala demontáž velice pomalu a kapacita suchých po- zemních uložišť byla zcela zaplněna. Roku 2002 byl zahájen program Global Partnership zemí G8, jehož cílem byla mj. i finanční pomoc Ruské federaci s demontáží ponorek a bez- pečným uskladněním vyhořelého paliva a radioaktivního odpadu. Později se na pomoci podí- lely i další státy. Od té doby došlo k výraznému pokroku a urychlení procesu. [56][85]

37 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

4 JZ VE VESMÍRU

4.1 TRANSFORMACE TEPELNÉ ENERGIE NA ELEKTRICKOU Pro vesmírné mise v naší sluneční soustavě se často jako zdroj elektrické a tepelné energie vy- užívají solární panely. Ty ale nejsou, kvůli závislosti na slunci, vždy pro tento účel praktické. Pro vzdálenější mise mířící za Mars nebo do nehostinných podmínek s menší nebo proměn- livou intenzitou slunečního záření je potřeba zajistit jiný spolehlivý a nezávislý zdroj energie. Pro tyto případy jsou úspěšně využívány radioizotopové články, popř. jaderné reaktory. Zatímco je ve vesmíru přes 30 ruských automatů využívajících jaderný reaktor jako zdroj energie, USA používá ve svých misích až na výjimku (SNAP-10A) převážně jen radioizoto- pové články. [70]

4.1.1 RADIOIZOTOPOVÉ TERMOELEKTRICKÉ ČLÁNKY RTGs (Radioisotope Thermoelectric Generators) jsou lehké kompaktní zařízení pro výrobu elektrické energie využívající pro transformaci tepelné energie na elektrickou tzv. Seebeckova jevu. Tento jev vzniká spojením dvou vodičů (polovodičů, případně kombinací) s odlišnou teplotou do obvodu, který se stane zdrojem termoelektrického napětí a začne jím procházet elektrický proud. Velikost napětí roste s rozdílem teplot a je závislá na volbě materiálu (polo)vodičů v obvodu. [52] V případě RTG článku se horký kontakt ohřívá po- mocí tepla uvolněného přirozeným rozpadem nestabilního izotopu. Studený kontakt poté ústí do vnějšího chladnějšího prostředí. Nejvíce používané termoelektrické materiály jsou telurid olova (PbTe), teluridy antimonu, germania a stříbra (TAGS), telurid olova a cínu (PbSnTe), a křemíko-germá- niové struktury (SiGe). Teplota horké větvě teluridových materiálů je limitována 550 °C, zatímco SiGe mohou operovat až při 1000 °C. Teplota studeného kontaktu se pohybuje v rozmezí 200-300 °C. Termoelektrická dvojice se- stává ze dvou větví - pozitivní „p-větve“ a negativní „n-vět- ve“. Přidáním příměsí do polovodiče se v p-větvi vytváří díry a n-větvi přebytečné elektrony. Společně s teplotním rozdílem kontaktů prochází konvertorem proud. Díky větší efektivitě teluridových materiálů je účinnost těchto typů Obr. 31 Princip termoelektrického RTG článků, i přes vyšší teplotní rozdíl SiGe, srovnatelná a konvertoru [36] pohybuje se v rozmezí 4-7 %. Nízkou účinnost vyvažuje velmi vysoká spolehlivost díky ab- senci pohyblivých částí. Časem se také snižuje výkon článku z důvodu přirozeného rozpadu izotopu a zhoršení vlastností termoelektrických materiálů. [82][44] Od padesátých let, kdy začal vývoj RTG v USA, se zkoumalo použití různých radio- izotopů pro vesmírné a pozemní aplikace. Zpočátku bylo zvoleno Ce-144, protože to byl jeden z nejdostupnějších štěpných produktů vznikajících při vojenském přepracovávání paliva. Nicméně kvůli vysoké radioaktivitě spojené s β zářením nebyl termoelektrický článek SNAP-1 (System for Nuclear Auxiliary Power) nikdy ve vesmíru použit. Poté se uvažovalo o dalším produktu přepracování - Po-210, to má však krátký poločas rozpadu (138 dní)

38 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

vhodný pouze pro krátkodobé použití. Malé RTG články s Po-210 byly například používány u sovětských lunárních vozidel Lunochod k udržení teploty během lunární noci – tzv. RHU články (Radioisotopic Heater Unit). Za účelem poskytnutí dlouhodobější varianty bylo zkou- máno i Sr-90 (Strontium) s poločasem rozpadu 28,6 let. Kvůli β záření však bylo potřeba mohutnějšího stínění, nicméně tento izotop byl hojně využíván v pozemních aplikacích (pro odlehlé majáky na Severu Ruska, meteorologické stanice na Aljašce), kde na hmotnosti systé- mu tolik nezáleží. V roce 1960 se zájem přesunul k radioizotopu Pu-238, které mohlo být vyrobeno ozařováním neptunia-237 získávaného z vyhořelého vysoce obohaceného paliva. I přes náročnou výrobu byl tento radioizotop ideálním kandidátem pro vesmírné mise. Jeho výhodou je relativně dlouhý poločas rozpadu (87,7 let), vysoká energetická hustota a druh zá- ření α přeměny, které dobře přenáší energii a na rozdíl od β a γ záření potřebuje pouze mi- nimální stínění. Plutonium-238 bylo požito v prvním RTG (SNAP-3) ve vesmíru ve vojenské navigační družici Transit 4A v roce 1961 a od té doby je pro své výhody nejpoužívanějším izotopem v RTG článcích. [44] Produkce plutonia v USA byla ukončena na konci studené války v roce 1988. Od té doby se zásoby Pu-238 postupně zmenšovaly, proto DOE (United States Department of Ener- gy) plánuje obnovení produkce Pu-238 pro kosmické účely. [50] (Vesmírné mise a charakteristiky paliva pro RTG viz příloha Tab. 10.1, 10.2, str. 73,74)

Obr. 32 Tepelný modul GPHS (General Purpose Heat Source) [44]

39 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

Od roku 1989 byly mise Galileo, Ulysses, Cassini a New Horizons osazeny zdrojem typu GPHS-RTG (General Purpose Heat Source) s počátečním výkonem 4400 Wt (285 We) a hmotnosti 56 kg. Zdroj je rozdělen do 18 modulů GPHS. GPHS modul obsahuje čtyři palivové 125 g tablety PuO2 uzavřené v iridiové obálce, ty jsou poté po dvou vloženy do grafitových pouzder GIS (Graphite Impact Shell) vyro- bených z kompozitního materiálu na bázi uhlíkových vláken FWPF (Fine Weave Pierced Fabric). Tyto jsou poté umístěna do schránek ze stejného materiálu. Každá tato schránka poté tvoří GPHS modul zajišťující bezpečný prů- let atmosférou a snižující poškození při dopadu. [98][44] V zatím poslední misi marťanské vědecké labora- toře Curiosity jsou použity články MMRTG (Multi-Missi- on RTG) s osmi GPHS moduly s celkovým tepelným vý- konem 2000 Wt a elektrickým 110 We. Termoelektrická dvojice sestává z PbTe a TAGS/PbSnTe materiálů. (Popis Obr. 33 Termoelektrická dvojice článku MMRTG článku viz příloha Obr. 10.15; str. 75) [8] MMRTG [8]

4.1.2 REAKTOROVÉ ČLÁNKY Na rozdíl od USA měl Sovětský svaz na počátku kosmické éry silnější raketové nosiče a ne- měl problém vynášet na oběžnou dráhu těžší družice s jadernými reaktory. Spojené státy pou- žily pouze jednu testovací družici Snapshot roku 1965 s reaktorem SNAP-10A o hmotnosti 450 kg s výkonem 35 kWt (650 We) pohánějícím iontový motor. Byl to první jaderný reaktor použitý ve vesmíru. Od roku 1983 NASA a DOE pracovaly na projektu SP-100 vyvíjejícím technologii vesmírného 2,3 MWt reaktorového systému s použitím lithia jako chladiva a ter- moelektrického článku pro konverzi energie s výkonem až 100 kWe. Na začátku devadesátých let byl program po investovaném rozpočtu téměř miliardu dolarů zastaven. Zatím poslední pokus o vývoj vesmírného reaktoru poskytujícím vyšší výkon se uskutečnil v letech 2002-2006 v rámci projektu Prometheus, ten byl však podobně jako v případě reaktoru SP-100 ukončen z důvodu finanční náročnosti. [70][98] V letech 1967-1988 bylo vypuštěno v rámci sovětského vojenského programu RORSAT (Radar Ocean Reconnaissance Satellite) 35 družic Kosmos. První typ nukleární energetické jednotky Buk (BES-5) vážil 0,9 tuny (bez radiačního štítu) a poskytoval výkon 100 kWt. Jako konvertor tepelné energie na elektrickou se používal termoelektrický článek s účinností 2-4 % (2-4 kWe). Buk pou- žíval malý rychlý reaktor obsahující 37 pa- livových tyčí s urano-molybdenovými peletami HEU (>90 % U-235). Podélně pohyblivé regulační tyče byly umístěny v bočním bery- liovém reflektoru. Jako chladivo sloužila sliti- Obr. 34 Schéma vysunuté palivové kazety reaktoru Buk na Na-K. Primární chladící smyčka s teplotou 1) Trubkovnice 2) Palivová kazeta 3) Nádoba reaktoru chladiva okolo 700 °C je vedena na vnější 4) Řídící tyč 5) Radiační stínění 6) Boční reflektor pouzdro hermeticky uzavřeného termoelek- 7) Spojení trub. a nádoby [36]

40 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

trického článku. Sekundární okruh vede přebytečné teplo k chladiči. Termoelektrický článek má dvě nezávislé sekce - jednu produkující proud pro pohon družicových systémů a druhou pro pohon elektromagnetických čerpadel. [98][36] Další typ reaktoru sovětského kosmického programu byl TOPAZ 1 (TEU-5) (Термоэмиссионный опытный преобразователь в активной зоне), který pracoval na druži- cích Kosmos 1818 a 1867. Jednalo se o tepelný LMR reaktor chlazený slitinou sodíku a dras- líku. S maximální pracovní teplotou 610 °C, hmotností 1,2 tuny a tepelným výkonem 150 kWt poskytoval reaktor pomocí termionického článku výkon 5 kWe. Reaktor sestává ze 79 termionických palivových elementů (z toho 17 pro elmag. čerpadla) a čtyř moderáto- rových disků s hydridem zirkonu. Páry cesia proudily prostorem mezi elektrodami průtokem přibližně 10 g/den pro odvod plynů vzniklých při konverzi a prodloužení životnosti a účinnosti článků. Stejně jako u typických reaktorů, docházelo i zde ke kritickému štěpení paliva. Regulaci a kompenzaci reaktivity zajišťovala změna konfigurace 12 otočných bery- liových válců umístěných po obvodu v reflektoru, z toho každé tři s vlastním pohonem. Z jedné strany byly umístěny pláty karbidu bóru jako absorbátoru. Pokročilá jednodušší verze reaktoru TOPAZ 2 (Yenisey) byla úspěšně odzkoušena v pozemních testech, ale nakonec ne- byla nikdy použita ve vesmíru. Na rozdíl od TOPAZu 1 obsahovala 37 jednočlánkových pa- livových elementů poskytujícím výkon 4,5 kWe. [98][36]

Obr. 35 Uspořádání reaktoru TOPAZ 1 [40]

41 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

4.1.3 DALŠÍ TYPY PŘEMĚN

TERMIONICKÉ ČLÁNKY Termionická konverze energie je další metodou přímé přeměny tepelné energie na elektrickou. Vy- užívá jevu termoemise, při kterém jsou v někte- rých materiálech za velmi vysokých teplot emi- továny elektrony. Termionické diody s palivem jsou umístě- ny v emitoru elektronů dosahující teploty řádově 1500 °C, s mezerou okolo 0,5 mm jej dále obklopuje povrch chladícího kolektoru (okolo 700 °C) sériově připojeného k dalším článkům. Soubor článků je umístěn v termionických pa- livových elementech TFE (Thermionic Fuel Ele- ment) řazených sériově podobně jako baterie ve svítilnách. Americký program směřoval k vývoji 120 kWe reaktoru s životností 10 000-20 000 h. Nejdříve byl testován typ s integrovanými termionickými konvertory v aktivní zóně (termionický reaktor), ten byl ale roku 1970 ukončen a práce pokračovaly na rozděleném uspořádání reaktoru a konvertoru Obr. 36 průřez termionickým článkem reaktoru s dosažením vyšší účinnosti. Nakonec i tyto byly TOPAZ 2 [40] zastaveny. Ke konkrétnímu praktickému využití termionického reaktoru se dostalo až v letech 1982-1984, kdy byly na oběžnou dráhu vyneseny dvě družice s experimentálními reaktory TOPAZ, viz kap. 4.1.2. [36][98][40]

Obr. 37 Schéma uspořádání vícečlánkového termionického palivového konvertoru reaktoru TOPAZ [40]

DYNAMICKÁ KONVERZE ENERGIE Zatímco statická (termionická a termoelektrická) přeměna tepelné energie na elektrickou do- sahuje velmi nízké účinnosti, dynamické systémy sestávající z tepelných strojů s pracovními látkami převádějícími teplo na mechanickou energii generují elektrický proud s výrazně vyšší účinností 20-30 %. Dynamické systémy jsou však náchylnější na opotřebení a mají nižší životnost. Dělíme je na motory se Stirlingovým, Braytonovým a Rankinovým cyklem.

42 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

Rankinův cyklus je založen na dvoufázové pracovní látce vyžadující speciální parní kotel a kondenzátor schopný pracovat v podmínkách mikrogravitace ve vesmíru. Jako pra- covní látka byl ve vývoji Rankinova systému uvažován tekutý kov nebo organické medium. Braytonův a Stirlingův cyklus využívají jednofázové plynné pracovní médium ve formě směsi hélia a xenonu (Brayton) nebo čistého hélia (Stirling). V Braytonově a Rankinově systému plynné médium vedené z výměníků roztáčí tur- bínu, jejíž hřídel je spojená s alternátorem a kompresorem nebo čerpadlem. Pro dosažení kompaktnosti běží turbína ve vysokých otáčkách a alternátor produkuje vysokofrekvenční proud. Pro spolehlivost jsou převážně rizikové tři faktory - opotřebení ložiska, únik pracovní- ho média a selhání elektroniky řídícího systému. Pro Braytonův systém jsou použita fóliová ložiska, zatímco pro organické jednotky připadají v úvahu fóliová i hydrodynamická kluzná ložiska. Za účelem snížení možnosti poškození chladícího okruhu je při návrhu zvolen konzervativní přístup a meteorický štít. Na rozdíl od předchozích Stirlingův systém neobsahuje parní turbínu, čerpadla nebo kompresory, ale využívá objemové teplotní roztažnosti pracovní látky k pohybu pístu. Nej- slibnější typ pro radioizotopový generátor je Stirlingův motor s volnými písty. Kmitavý pohyb a lineární vedení pístů zajišťují diskové pružiny. Není tak třeba žádného maziva. Píst s per- manentním magnetem kmitá rezonanční frekvencí uvnitř lineárního alternátoru a indukuje proud. Kvůli potlačení vibrací jednotka sestává ze dvou protiběžných pístů. [44] V nejpokročilejší fázi vývoje je tzv. ASRG (Advanced Stirling Radioisotope Genera- tor) vyvíjený za spolupráce NASA a DOE. V roce 2008 proběhlo úspěšné testování technologie. Dalším krokem je výroba a testování prototypu odpovídajícímu tomu, jaký má NASA v plánu používat v budoucích misích. K dipozici by mohl být už v roce 2015. Jednotka obsahuje dvojici protiběžných konvertorů. Ohřev horké komory Stirlingova motoru v každém konvertoru zajišťuje GPHS modul s izotopem Pu-238. ASRG by měl být schopen se dvěma GPHS moduly o celkovém výkonu 500 Wt a účiností více než 25 % dodávat okolo 130 We. [2][75]

Obr. 38 Popis konstrukce pokročilého Stirlingova radioizotopového generátoru ASRG [75]

43 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

4.2 JZ JAKO POHON Radioizotopové články nebo jaderné reaktory mohou být použity i pro pohonné systémy vesmírných raket a automatů. Většinou se jedná o tryskový typ pohonu. Mezi nejdůležitější charakteristiky tryskového motoru patří výtoková rychlost plynů a reaktivní tah motoru (síla vytvářená výtokem spalin), případně se udává parametr udávající palivovou účinnost motoru - tzv. specifický impuls (poměr tahu k množství spotřebovaného paliva za jednotku času, v anglosaské literatuře ještě případně podělený gravitačním zrychlením). Výtoková rychlost typického raketového motoru spalujícího kapalný vodík se pohybuje okolo 4,5 km/s (spe- cifický impuls je 4,5 kNskg-1). Velikost výtokové rychlosti je úměrná teplotě spalin. Jaderný pohon můžeme rozdělit podle způsobu získávání reaktivní hmoty na tepelný a iontový. [98]

4.2.1 TEPELNÝ POHON Konvenční rakety vytváří tah spalováním chemické pohonné látky, která se skládá z paliva a okysličovadla (nejčastěji vodík a kyslík). Hořením za pomoci okysličovadla se palivo zahřeje na vysokou teplotu a expanduje tryskou ven. Oproti tomu jaderný tepelný pohon využívá teplo jaderného reaktoru k zahřátí a expanzi paliva. Základní výhodou jaderného tepelného pohonu NTP (Nuclear Thermal Propulsion) je schopnost použití paliva bez okysličovadla. Reaktory s pevným jaderným palivem operují při teplotách přibližně 2200 °C. Maxi- mální teplota pracovní látky je omezena bodem tání povlaku palivových pelet. Tyto teploty jsou nižší než u chemických motorů, nicméně díky použití čistého vodíku bez okysličovadla je dosahováno skoro dvojnásobného specifického impulsu. I přes tyto výhody měl NTP kvůli své mohutnosti malý poměr tahu ku hmotnosti systému (projekt Rover okolo 4:1). Bylo proto zkoumáno několik konceptů pro zvýšení kompaktnosti systému, které měly zvětšit plochu rozhraní mezi jaderným palivem a pracovní látkou. Jedná se o granulárni PBR (Particle Bed Reactor), drátěný (Wire Core), pěnový (Foam Fuel Reactor) nebo fóliový (Foil Reactor) typ reaktoru. [51][59]

Obr. 39 Svazek palivových Obr. 40 Průřez reaktorem projektu NERVA [59] segmentů reaktoru NERVA [59]

44 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

Dalším typem je reaktor s kapalnou aktivní zónou (kapalným jaderným palivem). U tohoto typu reaktoru je teplota limitována teplotou varu suspenze obsahující částice ja- derného paliva. Se směsí karbidu uranu UC2 a wolframu nebo zirkonia bylo možné dosáhnout teploty až 4400 °C (teplota varu UC2). Suspenze je vlivem rotace komory udržována u stěn, zatímco pracovní látka proudí stěnou komory přes vrstvou suspenze a zahřátá vytéká ve smě- ru osy rotace. Bylo možné dosáhnout specifického impulsu přes 11 000 Ns/kg. Tento koncept však trpěl problémy s vypařováním a úbytkem paliva odnášeném pracovní látkou a nestabili- tou vrstvy suspenze na rozhraní s pracovní látkou. Díky jeho neekonomičnosti byl tento koncept opuštěn. [38] Třetím typem je reaktor s palivem v plynné formě, která dovoluje teploty aktivní zóny až 10 000 K. Aktivní zóna je obklopena moderátorem a reflektorem. Společně s využitím čis- tého vodíku by tento typ pohonu mohl dosahovat velmi vysokého specifického impulzu (okolo 20 000 Ns/kg). Pracovní teplota je v tom- to případě limitována teplotou tání materiá- lu stěny komory. Aby se zabránilo úniku ja- derného paliva z aktivní zóny, je navrhnuto použití silného magnetického pole, které vytvoří toroidní tvar plazmatu, skrz který může protékat pracovní látka. Regulace štěpné reakce může být dosažena podobným způsobem jako u reaktorů s pevným palivem - pomocí regulačních vál- ců po obvodu. Další koncept - tzv. Nuclear Light Bulb uvažuje uzavřený cyklus s přenosem tepla pomocí výměníku. [51] Obr. 41 Koncept NTP s plynnou aktivní zónou [51] Na vývoji NTP s pevným palivem se intenzivně pracovalo již od konce padesátých let a bylo uskutečněno mnoho projektů, nicméně tato technologie zůstala dodnes jen u po- zemních testů. NTP s kapalným nebo plynným jádrem nebyly zatím ještě vyrobeny ani testovány. Asi nejznámějším americkým programem zabývajícím se jaderným tepelným pohonem se stal projekt Rover/NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) v rámci něhož bylo v letech 1959-1973 testováno okolo dvaceti NTP motorů typu Kiwi, Phoebus, Peewee-1 nebo Nuclear Furnace 1. Uvažovalo se použití NTP jako třetího stupně raket. Poté, co NASA opustila myšlenku pilotovaného letu na Mars, se finance projektu zredukovaly až byl program roku 1973 Obr. 42 Granulová a kompozitní palivová matrice opuštěn. Později následovaly programy Tim- použité v projektu NERVA [60] berwind a SNTP (Space Nuclear Thermal Propulsion) vyvíjející kompaktnější pohonné sys- témy, převážně jíž zmíněného konceptu PBR reaktoru. Program SNTP byl ukončen roku 1993. Práce na další redukci hmotnosti reaktoru PBR byly prováděny v rámci programu MITEE (Miniature reacTor EnginE), ve kterém je využito konceptu souboru malých PBR mo- dulů. [98][38]

45 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

Historie a technologie ruského programu jaderného tepelného pohonu raket je v mnoha ohledem podobná americkému. Také byl určen pro pohon třetího stupně raket a bylo provedeno množství úspěšných pozemních testů. Po tom, co bylo jasné, že Sovětský svaz pro- hraje závod o Měsíc, došlo zároveň i k utlumení financování projektů NTP až k jejich zrušení po rozpadu Sovětského svazu.

Obr. 43 Systém tepelného jaderného pohonu programu NERVA [51]

4.2.2 PULSNÍ POHON V rámci amerického projektu Orion (1958-1965) se uvažovalo o použití výbuchů malých ja- derných bomb za raketou, jejichž expandující materiál by poháněl vesmírnou loď dopředu. Pro zajištění spojitého pohybu a ochrany lodi před poškozením byla raketa na zádi opatřena dynamickým štítem. Byl proveden dokonce úspěšný letový test modelu se šesti chemickými výbuchy. [98]

4.2.3 IONTOVÝ POHON Jak už bylo zmíněno, výstupní rychlost u NTP je závislá na teplotě pracovní látky, která je kvůli materiálovým charakteristikám paliva a jeho povlaku omezena. To nedovoluje získat vyšší specifický impuls. Další možná metoda využití jaderné energie pro pohon vesmírných zařízení je přeměna této energie na elektrickou, s niž je možné pomocí elektrostatického nebo elektromagnetického pole urychlovat ionizované palivo (H+, D+, Li+, Ar+, Kr+, Xe+ aj.). Tímto způsobem lze získat velice vysoký specifický impuls, ale většinou malý tah. Nicméně má ten- to typ pohonu velký potenciál co se týče efektivnosti spotřeby paliva a pracovní látky. [51] Množství různě pokročilých konceptů elektrických plazmových pohonů bylo a stále je vyvíjeno ve snaze nalézt ideální pohon pro vesmírné dálkové lety. K nadějným probíhajícím projektům patří např. elektromagnetický pohonný systém VASIMIR (Variable Specific Impul- se Magnetoplasma Rocket), jehož hlavní výhodou je absence elektrod, které by časem erodovaly. V roce 2010 začaly v Rusku práce na vývoji jaderného pohonného systému pro vesmírná plavidla využívající plynem chlazený jaderný reaktor jako zdroj energie pro plaz- mový motor. Na dobu devíti let disponuje program rozpočtem 17 miliard rublů. Reaktor by měl být hotov v roce 2015 a kompletní pohonný systém v roce 2018. [70]

46 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

ELEKTROSTATICKÝ POHON Zatím nejpoužívanějším iontovým motorem je elektrostatický pohon. Kvůli malému tahu není vhodný pro starty z povrchů planet, ale ideální pro dlouhodobé lety automatických sond v kosmickém prostoru. Iontový motor vytváří pohonnou látku (plazma) bombardováním neut- rálního plynu (nejčastěji plynný xenon) elektrony emitovanými z elektricky žhaveného vlák- na. Kladné ionty jsou poté v důsledku působení elektrického pole vytvářeného dvěma mříž- kovými elektrodami urychlovány z trysky. Pro to, aby se zabránilo zpětnému přitahování kladných iontů zpět k celkově záporně nabitému pohonnému systému, je do proudu iontů vy- letujícímu z trysky vystřelován proud elektronů z externího zdroje (záporně nabitá katoda nebo elektronové dělo). Omezující faktory tohoto konceptu jsou odolnost a životnost mříž- kových elektrod, skrz které proudí ionty. Další nevýhodou je, že iontové a podobné elektrosta- tické trysky trpí tzv. omezujícím prostorovým nábojem, který snižuje hustotu tahu (množství tažné síly na jednotku plochy výstupního otvoru). Příčinou je hromadění kladného náboje v oblasti mřížkových elektrod, který snižuje dosažitelné elektrické pole. Iontové motory jsou již řadu let běžně používány pro řízení a udržení polohy mnoha současných satelitů na geostacionární dráze. Většinou tyto družice získávají elektrickou energii pomocí solárních panelů. Poprvé byl iontový pohon jako hlavní pohonný systém použit ve vesmírné sondě Deep Space 1. [98][32]

Obr. 44 Elektrostatický iontový pohon s elektrodovou mřížkou [32] HALLŮV POHON Hallův pohon je forma iontového pohonu, která generuje tah pomocí Hallova proudu a radi- álního magnetického pole. Elektrony rotující okolo anody vlivem radiálního magnetického pole a axiálního elektrického pole naráží do atomů xenonu vytvářející plazma, které je Lo-

47 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

rentzovou silou urychleno z trysky. Jelikož z trysky proudí s kladnými ionty i elektrony nedo- chází ke snížení tahu vlivem omezujícího prostorového náboje. Hallův pohon byl například použit v evropské sondě SMART-1. Více než 200 Hallových trysek je také používáno v družicích okolo Země za účelem udržení polohy na ge- ostacionární dráze. [32]

Obr. 45 Hallův elektrický iontový pohon [32]

48 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

MAGNETOPLAZMADYNAMICKÝ POHON MPD pohon spočívá na urychlení plazmatu pomocí elmag. pole vytvářené interakcí převážně radiálního elektrického proudu s magnetickým polem soustředným okolo katody. Tento typ pohonu umožňuje rapidní zvýšení hustoty tahu. Jako palivo by se mělo využívat lithium nebo některé jeho směsi (pára lithia a baria). Nyní probíhá intenzivní výzkum tohoto typu pohonu. Je zaměřený především na potlačení eroze elektrod, nestability plazmatu a dalších faktorů sni- žujících účinnost a životnost. Pro napájení elektromagnetického pohonného systému je potře- ba vysokých elektrických výkonů. [32]

Obr. 46 Magnetoplazmadynamický iontový pohon [32]

49 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

5 ZÁVĚR Chemickým procesem hoření se uvolňuje asi 10-8 % energie obsažené v látce, zatímco ja- derným štěpením lze získat až 0,1 % energie hmoty. Tento vysoký energetický potenciál, který v sobě jaderná energie skrývá, jde však ruku v ruce s náročností technologie a nutností vyš- ších bezpečnostních požadavků. Podmínkám pro výhodné využití jaderné energie v dopravě vyhovuje pouze úzké spektrum aplikací. Jaderný pohon námořních plavidel je dnes i přes počáteční nadšení a snahu výhradou pouze ledoborců a vojenských plavidel, převážně ponorek a letadlových lodí. Ledoborce jsou jediná civilní plavidla, která jsou díky svým specifickým požadavkům a nárokům schopna konkurovat plavidlům s konvenčním lodním pohonem. Ve vojenském sektoru je možné vyví- jet a udržovat tak nákladný druh pohonu jen díky jeho vysokému strategickému potenciálu. Na příkladu problémů Ruské federace s množstvím vyřazených jaderných ponorek je názorně vidět, jak nákladný může tento typ pohonu být. Pro to, aby byla obchodní loď s jaderným pohonem rentabilní, by bylo zapotřebí mnohem vyšších cen pohonných hmot, případně dalších aspektů zvyšujících náklady na provoz konvenčních plavidel. Společně s velmi vysokými po- čátečními investicemi je takový projekt v dnešních ekonomických poměrech nemyslitelný. Blíže k jadernému konceptu by nás mohly dostat dnes ve větším měřítku vyvíjené malé mo- dulární reaktory. Nicméně míra jejich úspěchu je, zvlášť po nehodě Fukušimské jaderné elek- trárny, těžko odhadnutelná. Vývoj jaderných zařízení pro vesmírné účely akceleroval na přelomu padesátých a še- desátých let, kdy se začalo uvažovat o pilotovaném letu na Měsíc a Mars. Výhody nukleární- ho typu zdroje energie jsou pro dlouhodobější lety naprosto zásadní. U některých typů vesmírných misí je jaderný zdroj jediným možným praktickým řešením. Navíc má proti kon- venčním chemickým pohonům, kde se už téměř vyčerpaly fyzikální možnosti jejich zdoko- nalování, velmi vysoký evoluční potenciál. Pro jaderný pohon je důležitý pokrok v technologii iontových motorů a vývoj v oblasti reaktorů s plynnou aktivní zónou. Dnes se nejčastěji používá radioizotopových článků s termoelektrickou nebo termionickou přeměnou energie, nicméně v blízké budoucnosti se počítá i s použitím dynamických typu konverze jaderné energie s vyšší účinností. Při psaní bakalářské práce jsem se potýkal hlavně s problémy nalezení dostatečných informací týkajících se reaktorů vojenských plavidel. Zmínky byly lakonické a často ne- jednotné. Spíše než ucelený přehled všech jaderných reaktorů s podrobným popisem technologie, je tato práce stručným souhrnem využití jaderných zařízení v dopravě, jakožto od- razovým můstkem, ze kterého je možné dále pokračovat ve studiu problematiky.

50 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

6 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJŮ [1] 1954 Ford FX Atmos, 1955 Ford Mystere, 1958 Ford Nucleon [online]. [cit. 2013-03- 09]. Dostupné z: http://www.carstyling.ru

[2] Advanced Stirling Radioisotope Generator. NASA. [online]. [cit. 2013-05-19]. Dostupné z: http://microgravity.grc.nasa.gov/SSPO/ASRG/

[3] ATM: armády, technika, militaria. Praha: Aeromedia, 2009, roč. 41, č. 5. ISSN 1802- 4823.

[4] ATOMFLOT. [online]. [cit. 2013-04-24]. Dostupné z: http://www.rosatomflot.ru

[5] AUGUSTA, Pavel. Velká kniha o energii. Editor Soňa Křítková. Praha: L.A. Consulting Agency, 2001, 583 s., fotogr. ISBN 80-238-6578-1.

[6] Baltiysky Zavod Shipyard Cuts Metal for Nuclear Icebreaker. PRESS SERVICE OF BALTIYSKY ZAVOD SHIPBUILDING LTD. Rusnavy [online]. 01.11.2012 [cit. 2013- 04-30]. Dostupné z: http://www.rusnavy.com/news/newsofday/index.php? ELEMENT_ID=16332

[7] BEACH, Edward L. Around the world submerged: the voyage of the Triton. Annapolis, MD: Naval Institute Press, 2001, xix, 293 p., [16] p. of plates. ISBN 15-575-0215-3. Dostupné z: http://books.google.cz/books?id=EPFzq8dt6E4C&hl=cs&source=gbs_nav- links_s

[8] BECHTEL, Ryan. NASA, DOE. Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Genera- tor. 2010. Dostupné z: http://solarsystem.nasa.gov/rps/rtg.cfm

[9] BECHTEL, Ryan. U.S. DEPARTMENT OF ENERGY. Radioisotope Missions. Dostupné z: http://www.jpl.nasa.gov/msl/pdf/MMRTG_RyanBechtel_DOE.pdf

[10] BELLONA FOUNDATION. Bellona [online]. [cit. 2013-04-06]. Dostupné z: http://www.bellona.org

[11] BETZ, Frederick. Managing technological innovation competitive advantage from change. 2nd ed. Hoboken, NJ: John Wiley, 2003. ISBN 978-161-5832-309. Dostupné z: http://www.knovel.com/web/portal/browse/display? _EXT_KNOVEL_DISPLAY_bookid=2889&VerticalID=0

[12] BONIFACE, By Patrick a With a foreword by Paddy O'RIORDAN. Dreadnought: Bri- tain's First Nuclear-Powered Submarine. Penzance, Cornwall: Periscope Publ, 2003. ISBN 978-190-4381-099. Dostupné z: http://books.google.cz/books?id=tlnbp- COwrWYC&hl=cs&source=gbs_navlinks_s

51 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

[13] BRUENS, Nicolaas Wilhelmus Simon. PWR plant and steam generator dynamics. 1981. Dostupné z: http://repository.tudelft.nl/view/ir/uuid%3Ad5666d9d-8a78-4b4f- ab54-918eb7e56ca0/. Dissertation. TU Delft, Mechanical Maritime and Materials Engi- neering, Marine and Transport Technology. Vedoucí práce Professor i.R. D.G.H. Latzko.

[14] BYRD DAVIS, Mary. Military Naval Propulsion Reactors. Nuclear France: materials and sites [online]. [cit. 2013-04-15]. Dostupné z: http://www.francenuc.org/en_chn/reactors5_e.htm

[15] COLON, Raul. Flying on Nuclear, The American Effort to Built a Nuclear Powered Bomber. [online]. August 6,2007 [cit. 2013-03-17]. Dostupné z: http://www.aviation-history.com/articles/nuke-american.htm

[16] COLON, Raul. Soviet Experimentation with Nuclear Powered Bombers. [online]. March 7,2009 [cit. 2013-03-17]. Dostupné z: http://www.aviation- history.com/articles/nuke-bombers.htm

[17] Curiosity Images. Marsrover Images [online]. [cit. 2013-05-19]. Dostupné z: http://www.db-prods.net/marsroversimages/curiosity.html#62

[18] Delivery of floating plant set for 2016. World Nuclear News [online]. 12 December 2012 [cit. 2013-05-01]. Dostupné z: http://www.world-nuclear-news.org/NN- Delivery_of_floating_plant_set_for_2016-1212124.html

[19] DOBSCHUETZ, Peter. IAEA. Dismantlement of NS „Otto Hahn“. Federal Ministry of Environment, Germany, 2005. Dostupné z: http://www.iaea.org/OurWork/ST/NE/NEFW/CEG/documents/ws052005_6E.pdf

[20] Federation of American Scientists [online]. Washington, DC: Federation of American Scientists [cit. 2013-03-31]. Dostupné z: http://www.fas.org

[21] FNPP “Academician Lomonosov”. I.I. AFRIKANTOV OKB MECHANICAL ENGI- NEERING. OKBM Afrikantov [online]. [cit. 2013-05-01]. Dostupné z: http://www.okbm.nnov.ru/english/lomonosov

[22] Ford’s mid-century concept cars forecast future vehicles. [online]. [cit. 2013-03-07]. Dostupné z: http://media.ford.com/article_display.cfm?article_id=3359

[23] FRIEDMAN, Norman a A BAKER. U.S. Destroyers: An Illustrated Design History. Rev. ed. Annapolis, Md.: Naval Institute Press, c2004, viii, 552 p. ISBN 15-575-0442-3. Dostupné z: http://books.google.cz/books? id=Tzp58htKLkEC&printsec=frontcover&hl=cs#v=onepage&q&f=false

52 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

[24] FRIEDMAN, Norman. U.S. Aircraft Carriers: An Illustrated Design History. Annapo- lis, Md.: Naval Institute Press, 1983, viii, 427 p. ISBN 08-702-1739-9. Dostupné z: http://books.google.cz/books?id=-UT7MDTeKj8C&hl=cs&source=gbs_navlinks_s

[25] FRIEDMAN, Norman. U.S. Submarines Since 1945: An Illustrated Design History. Annapolis, Md.: Naval Institute Press, 1994, xiv, 280 p. ISBN 15-575-0260-9. Dostupné z: http://books.google.cz/books?id=OJLiSJ1w6IYC&hl=cs&source=gbs_nav- links_s

[26] FRIEDMAN, Norman. U.S. Submarines Since 1945: An Illustrated Design History. Annapolis, Md.: Naval Institute Press, 1994, xiv, 280 p. ISBN 15-575-0260-9. Dostupné z: http://books.google.cz/books?id=OJLiSJ1w6IYC&hl=cs&source=gbs_nav- links_s

[27] FURDA, Matej. Atómový pohon. [online]. [cit. 2013-03-17]. Dostupné z: http://www.hi- techweb.genezis.eu/pohon.htm

[28] GIORSETTI, Domingo Ricardo. Analysis of The Technological Differences Between Stationary & Maritime Nuclear Power Plants. Massachusetts Institute of Technology, 1977. Dostupné z: http://dspace.mit.edu/handle/1721.1/16331. Thesis. Massachusetts Institute of Technology. Dept. of Nuclear Engineering. Vedoucí práce Ernst G. Frankel.

[29] GROSS, E.E a M.L. WINTON. Nuclear Analysis of the MH-1A Reactor. [online]. Oak Ridge National Lab., Tenn., 1964 [cit. 2013-05-10]. DOI: 10.2172/4027615. Dostupné z: http://www.osti.gov/bridge/product.biblio.jsp?osti_id=4027615

[30] HYDER, A.K, [et al.]. Spacecraft power technologies. London: Singapore, 2000. ISBN 978-159-1249-931. Dostupné z: http://www.knovel.com/web/portal/browse/display? _EXT_KNOVEL_DISPLAY_bookid=1310&VerticalID=0

[31] CHANT, Christopher. Ponorky současnosti: nejnebezpečnější podmořské zbraňové sys- témy světa. Vyd. 1. Praha: Deus, 2007, 192 s. ISBN 978-80-87087-00-8.

[32] CHOUEIRI, Edgar Y. Elektrické rakety znovu na vzestupu. SCIENTIFIC AMERICAN. 2010. Dostupné z: http://www.sciam.cz/showdoc.do?docid=621

[33] CHRISTIAN, M. a Avi ABRAMS. Nuclear Everything!. [online]. [cit. 2013-03-11]. Dostupné z: http://www.darkroastedblend.com/2011/05/nuclear-everything.html

[34] IAEA. Small Power and Heat Generation Systems on the Basis of Propulsion and Innovative Reactor Technologies. 2000. Dostupné z: http://www- pub.iaea.org/books/iaeabooks/6012/Small-Power-and-Heat-Generation-Systems-on-the- Basis-of-Propulsion-and-Innovative-Reactor-Technologies

53 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

[35] IAEA. Status of Small and Medium Sized Reactor Design. 2012. Dostupné z: http://www.iaea.org/NuclearPower/SMR/index.html

[36] IAEA. The role of nuclear power and nuclear propulsion in the peaceful exploration of space. Vienna: International Atomic Engery Agency, 2005. ISBN 92-010-7404-2. Dostupné z: http://www-pub.iaea.org/books/IAEABooks/7100/The-Role-of-Nuclear- Power-and-Nuclear-Propulsion-in-the-Peaceful-Exploration-of-Space

[37] IPPOLITO JR., Thomas Dominic. Effects of variation of uranium enrichment on nuclear submarine reactor design [online]. Massachusetts Institute of Technology, 1990 [cit. 2013-04-17]. Dostupné z: http://fissilematerials.org/library/ipp90.pdf. Thesis (M.S.). Massachusetts Institute of Technology. Dept. of Nuclear Engineering. Vedoucí práce David D. Lanning and Marvin M. Miller.

[38] Jaderné raketové motory. Malá encyklopedie kosmonautiky [online]. 13.01.2001 [cit. 2013-05-20]. Dostupné z: http://mek.kosmo.cz/zaklady/rakety/jrm.htm

[39] JOHN WILSON LEWIS, Xue Litai. China's strategic seapower: the politics of force modernization in the nuclear age. Stanford, Calif: Stanford University Press, 1996. ISBN 978-080-4728-041. Dostupné z: http://books.google.cz/books?id=GH5FgdqxT- boC&hl=cs&source=gbs_navlinks_s

[40] KULCINSKI, G.L. History of Soviet Topaz Reactors: Lecture 35. In: NEEP 602 Course Notes (Spring 2000): Nuclear Power in Space [online]. Fusion Technology Institute, University of Wisconsin-Madison, 2000 [cit. 2013-05-17]. Dostupné z: http://fti.neep.wisc.edu/neep602/SPRING00/neep602.html

[41] KULESUS, Loren. World Thorium Fuel Vehicle. [online]. [cit. 2013-03-10]. Dostupné z: http://www.coroflot.com/LorenIpsum/World-Thorium-Fuel-Vehicle

[42] KUSALA, Jaroslav. ENERGETICKÁ SPOLEČNOST ČEZ,a.s. Miniencyklopedie JA- DERNÉ ENERGETIKY [online]. 2003 [cit. 2013-02-27]. Dostupné z: http://www.- cez.cz/edee/content/microsites/nuklearni/index.htm

[43] LAMB, Thomas. Ship design and construction. [New ed.]. Jersey City, NJ: Society of Naval Architects and Marine Engineers, 2003-2004, v. <1>:. ISBN 09397734142. Dostupné z: http://www.knovel.com/web/portal/browse/display?_EXT_KNOVEL_DIS- PLAY_bookid=2970&VerticalID=0

[44] LANGE, Robert G. a Wade P. CAROLL. Review of recent advances of radioisotope power systems. Energy Conversion and Management [online]. 2008, roč. 49, č. 3, s. 393-401, ISSN 0196-8904 [cit. 2013-05-17]. Dostupné z: http://www.sciencedirect.- com/science

54 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

[45] LEAD FEDERAL AGENCY: U.S. DEPARTMENT OF THE NAVY a COOPERATING AGENCY: U.S. DEPARTMENT OF ENERGY. Final Environmental Assessment on the Disposal of Decommissioned, Defueled, Naval Reactor Plants from USS ENTERPRISE (CVN 65) [online]. 2012 [cit. 2013-04-21]. Dostupné z: http://energy.gov/nepa/downloads/ea-1889-final-environmental-assessment-and-finding-no-significant-impact

[46] LEBEDĚV, V.A. Ядерная энергетика и атомный подводный флот. ПРОАТОМ. ProAtom [online]. 2009 [cit. 2013-05-23]. Dostupné z: http://proatom.ru/modules.php? name=News&file=article&sid=1813

[47] Life. Time Inc., 1954, roč. 36, č. 25. ISSN 0024-3019. Dostupné z: http://books.google.cz/books? id=bVMEAAAAMBAJ&printsec=frontcover&hl=cs#v=onepage&q&f=false

[48] LOEWEN P., Eric. AMERICAN NUCLEAR SOCIETY. The USS Seawolf Sodium - Cooled Reactor Submarine. Washington DC ANS Local Section, 2012. Dostupné z: http://www.new.ans.org/about/officers/docs/seawolf_sfr_sea_story_051712.pdf

[49] MA, Chunyan a VON HIPPEL. Ending the Production of Highly Enriched Uranium for Naval Reactors. The Nonproliferation Review. Spring 2001. Dostupné z: http://cns.miis.edu/npr/pdfs/81mahip.pdf

[50] MCKEE, Maggie. Plutonium tests offer hope for dark space missions. In: NewScientist: Space [online]. 2013, 15 March 2013 [cit. 2013-05-23]. Dostupné z: http://www.newscientist.com/article/dn23285-plutonium-tests-offer-hope-for-dark-space-missions.html? cmpid=RSS|NSNS|2012-GLOBAL|online-news

[51] MCLAREN, Ryan a Magdi RAGHEB. PROCEEDINGS OF THE 1ST INTERNATIO- NAL NUCLEAR AND RENEWABLE ENERGY CONFERENCE (INREC10). Nuclear Propulsion Choice for Space Exploration. 2010. Dostupné z: http://mragheb.- com/Nuclear%20Propulsion%20Choices%20for%20Space%20Exploration.pdf

[52] MEJZLÍK, M. MEJZLÍK, M. Návrh a tvorba laboratorní úlohy s Peltierovým článkem [online]. Brno, 2009 [cit. 2013-05-15]. Dostupné z: https://www.vutbr.cz/studium/zave- recne-prace?zp_id=21895. Diplomová práce. Ústav elektroenergetiky FEKT VUT v Brně. Vedoucí práce Ing. Jan Macháček, Ph.D.

[53] MELZER, Peter. Project X-12: Borst's Imaginary Nuclear Locomotive. [online]. 2012. vyd. [cit. 2013-03-10]. Dostupné z: http://brainmindinstrev.blogspot.cz/2012/03/project- x-12-borsts-imaginary-nuclear.html

[54] MILLER, David a John JORDAN. Moderní válečné ponorky: vývoj, konstrukce, technika, taktika a výzbroj ponorek. Vyd. 1. v Našem vojsku. Praha: Naše vojsko, 2005, 208 s. ISBN 80-206-0766-8.

55 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

[55] MILLER, David. The illustrated directory of submarines of the world. St. Paul, MN: MBI Pub. Co., 2002, 480 p. ISBN 07-603-1345-8. Dostupné z: http://books.google.cz/books?id=XMCVXOwAagoC&hl=cs&source=gbs_navlinks_s

[56] MINISTRY OF FOREIGN AFFAIRS OF JAPAN. REPORT ON THE G8 GLOBAL PARTNERSHIP. 2012. Dostupné z: http://www.mofa.go.jp/policy/economy/summit/2008/doc/pdf/0708_12_en.pdf

[57] N.S. Savannah: The World's First Nuclear-Powered Merchant Ship; and a National Historic Landmark of the United States [online]. [cit. 2013-04-24]. Dostupné z: http://www.nssavannah.net

[58] NAKAO, Masayuki. Radiation Leaks from Nuclear Power Ship "Mutsu". HATAMU- RA, Yotarou. JAPAN SCIENCE AND TECHNOLOGY AGENCY. Failure Knowledge Database [online]. [cit. 2013-04-26]. Dostupné z: http://www.sozogaku.com/fkd/en/cfen/CA1000615.html

[59] NASA. Nuclear Propulsion for Space Applications. Glenn Research Center; Johnson Space Center; Marshall Space Flight Center, 2013. Dostupné z: http://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=20130003317

[60] NASA. Nuclear Thermal Rocket (NTR) Propulsion: A Proven Game-Changing Techno- logy for Future Human Exploration Missions. Association Aeronautique et Astronau- tique de France; 22-25 May 2012; Washington, DC; United States, 2012. Dostupné z: http://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=20120009207

[61] Naval-technology.com [online]. [cit. 2013-04-09]. Dostupné z: http://www.naval-technology.com

[62] New Scientist. London: Reed Business Information, 1959, Sv. 6,Č. 149. ISSN 0262- 4079. Dostupné z: http://books.google.cz/books? id=Q4hurGonMt4C&hl=cs&source=gbs_navlinks_s

[63] NIKITIN, Alexander a Leonid ANDREYEV. BELLONA FOUNDATION. Floating nuclear power plants. 2011. Dostupné z: http://www.bellona.org/filearchive/fil_fnpp- en.pdf

[64] NIKITIN, V. a A. MISHEV. Technological Aspects and Necessary Engineering Means for Nuclear Multi-Purpose Submarine Dismantling in the North-Western Region of Russia. In: CEG workshop on Problems of Multi-Purpose Nuclear Submarine Dismant- ling in the North-West Region of Russia [online]. 2003 [cit. 2013-05-12]. Dostupné z: http://www.iaea.org/OurWork/ST/NE/NEFW/CEG/ceg_ws032003_papers.html

56 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

[65] NIKITIN, V.S. IAEA. Technical and organizational problems of radiation hazardous objects dismantlement flooded in the Arctic region. 2010. Dostupné z: http://www.iaea.org/OurWork/ST/NE/NEFW/CEG/documents/ws022010/eng/5.6.1Niki tinPaperEngl.pdf

[66] Nuclear Engineering. Temple Press, October, 1960. Dostupné z: http://econtent.unm.edu/cdm/singleitem/collection/nuceng/id/30/rec/37

[67] Nuclear monitor: A Publication of World Information Service on Energy (WISE) and the Nuclear Information. 2011, č. 738. ISSN 1570-4629. Dostupné z: http://www.nirs.org/mononline/nm738.pdf

[68] Nuclear Powered Submarine Inactivation and Disposal in the U.S. and Russia: A Comparative Analysis. DIAKOV, Anatoli S., Vadim K. KOROBOV a Eugene V. MI- ASNIKOV. [online]. 1996. vyd. [cit. 2013-05-12]. Dostupné z: http://armscontrol.ru/subs/disposal/proe1210.htm

[69] Nuclear propulsion. Rolls-Royce [online]. [cit. 2013-04-14]. Dostupné z: http://www.rolls-royce.com/marine/about/market_sectors/submarines/submarines_pro- pulsion/nuclear_propulsion.jsp

[70] Nuclear Reactors for Space. WORLD NUCLEAR ASSOCIATION. World Nuclear As- sociation [online]. August 2012 [cit. 2013-05-15]. Dostupné z: http://world- nuclear.org/info/Non-Power-Nuclear-Applications/Transport/Nuclear-Reactors-for-Spa- ce/#.UZNAoMoSAl5

[71] Nuclear Ship SAVANNAH. MARITIME ADMINISTRATION. U.S. Department of Transportation: Maritime Administration [online]. [cit. 2013-04-24]. Dostupné z: http://www.marad.dot.gov/ships_shipping_landing_page/ns_savannah_home/ns_savann ah_home.htm

[72] O'ROURKE, Ronald. CONGRESSIONAL RESEARCH SERVICE. Navy Ford (CVN- 78) Class Aircraft Carrier Program: Background and Issues for Congress. RS20643. March 13, 2013. Dostupné z: http://www.fas.org/sgp/crs/weapons/RS20643.pdf

[73] OFFLEY, Edward. Scorpion down: sunk by the Soviets, buried by the Pentagon : the untold story of the USS Scorpion. New York: Basic Books, 2007, xiv, 482 p. ISBN 04- 650-5185-5. Dostupné z: http://books.google.cz/books? id=KEeprDKp8wIC&hl=cs&source=gbs_navlinks_s

[74] ØLGAARD, Povl L. NORDIC NUCLEAR SAFETY RESEARCH. The Potential Risks from Russian Nuclear Ships. NKS-SBA-1 Status Report. 2001. ISBN 87-7893-112-6. Dostupné z: http://www.nks.org/en/nks_reports/view_document.htm? id=111010111119756

57 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

[75] CATALDO, Robert L. a Gary L BENNETT. NASA. U.S. Space Radioisotope Power Systems and Applications: Past, Present and Future. 2011. Dostupné z: http://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=20120000731

[76] PODVIG, PAVEL. History of Highly Enriched Uranium Production in Russia [online]. Taylor & Francis Group, LLC, 2011 [cit. 2013-04-15]. DOI: 10.1080/08929882.2011.566467. Dostupné z: http://scienceandglobalsecurity.org/ar- chive/sgs19podvig.pdf

[77] POLMAR, Norman a Jurrien NOOT. Submarines of the Russian and Soviet navies, 1718-1990. Annapolis, Md.: Naval Institute Press, 1991, xv, 370 p. ISBN 08-702-1570- 1. Dostupné z: http://books.google.cz/books? id=7cDN8q2RHGMC&hl=cs&source=gbs_navlinks_s

[78] POLMAR, Norman a Kenneth J MOORE. Cold War submarines: the design and construction of U.S. and Soviet submarines. Washington, D.C.: Brassey's, 2004, xxiii, 407 p. ISBN 15-748-8594-4. Dostupné z: http://books.google.cz/books?id=p8WkkBIe- KR4C&hl=cs&source=gbs_navlinks_s

[79] POLMAR, Norman a Norman POLMAR. The Naval Institute guide to the Soviet Navy. 5th ed. Annapolis, Md.: Naval Institute Press, c1991, xii, 492 p. ISBN 08-702-1241-9. Dostupné z: http://books.google.cz/books?id=tkGDkpkQh-sC&hl=cs&source=gbs_nav- links_s

[80] Project 885/Yasen class/Graney/Severodvinsk SSN. Navy Recognition: Naval Recogni- tion Online Defence & Security Magazine [online]. 24 October 2011 [cit. 2013-04-07]. Dostupné z: http://www.navyrecognition.com/index.php? option=com_content&task=view&id=149

[81] PWR-3: a new nuclear plant for the UK's Successor submarine. In: The Royal Instituti- on of Naval Architects [online]. Warship Technology, January 2013 [cit. 2013-04-15]. Dostupné z: http://www.rina.org.uk/article1192.html

[82] R., George, Thomas J. a Leonard A. Radioisotope Power: A Key Technology for Deep Space Exploration [online]. 2011-10-19 [cit. 2013-05-16]. DOI: 10.5772/22041. Dostupné z: http://www.intechopen.com/books/radioisotopes-applications-in-physi- cal-sciences/radioisotope-power-a-key-technology-for-deep-space-exploration

[83] RAGHEB Magdi (2011). Nuclear Naval Propulsion, Nuclear Power - Deployment, Operation and Sustainability, Dr. Pavel Tsvetkov (Ed.), ISBN: 978-953-307-474-0, In- Tech, DOI: 10.5772/19007. Dostupné z: http://www.intechopen.com/books/nuclearpower-deployment-operation-and-sustainability/nuclear-naval-propulsion

58 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

[84] REISTAD, Ole a Povl L. ØLGAARD. NORDIC NUCLEAR SAFETY RESEARCH. Russian Nuclear Power Plants for Marine Applications [online]. 2006 [cit. 2013-04- 08]. ISBN 87-7893-200-9. Dostupné z: http://www.nks.org/en/nks_reports/view_docu- ment.htm?id=111010111120029

[85] Rusové začínají likvidovat jaderný odpad z ponorek. In: ATOM INFO [online]. 2012 [cit. 2013-05-14]. Dostupné z: http://atominfo.cz/2012/07/rusove-zacinaji-likvidovat-jaderny-odpad-z-ponorek/

[86] Silent sub: Russian noiseless Borei class nuclear submarine immersed. [online]. De- cember 30, 2012 [cit. 2013-04-09]. Dostupné z: http://rt.com/news/russian-noiseless-borei-submarine-106/

[87] Sinodefence.com [online]. [cit. 2013-04-17]. Dostupné z: http://www.sinodefence.com

[88] STAALESEN, Atle. No future for nuclear-powered container ship. Barents Observer [online]. October 24, 2012 [cit. 2013-05-01]. Dostupné z: http://barentsobserver.com/en/business/no-future-nuclear-powered-container-ship-24-10

[89] STOFFEL, Jesse. Dreams of Nuclear Flight: The NEPA and ANP programs. NEEP 602, 2000. Dostupné z: http://fti.neep.wisc.edu/neep602/SPRING00/TERMPAPERS/stoffel.pdf. Term paper. University of Wisconsin-Madison.

[90] ŠKORPÍK, Jiří. Tepelná turbína a turbokompresor, Transformační technologie, 2011- 02, [date of last update 2012-10]. Brno: Jiří Škorpík, [online] pokračující zdroj, ISSN 1804-8293. Dostupné z http://www.transformacni-technologie.cz/tepelna-turbina-a-turbokompresor.html.

[91] Tale of the Wandering Reactor. [online]. 2011 [cit. 2013-03-14]. Dostupné z: http://sovietoutpost.revdisk.org/?p=29

[92] Tour of NS Savannah. Historic Naval Ships Association [online]. [cit. 2013-04-24]. Dostupné z: http://www.hnsa.org/savannah/press/

[93] U.S. DEPARTMENT OF ENERGY NATIONAL NUCLEAR SECURITY ADMINIS- TRATION OFFICE OF THE DEPUTY ADMINISTRATOR FOR DEFENSE PROGRAMS. Highly Enriched Uranium: Striking A Balance. Revision 1 (redacted for public release). 2001. Dostupné z: http://www.fas.org/sgp/othergov/doe/heu/

[94] U.S. DEPARTMENT OF THE NAVY, U.S. Department of Energy. Final Environ- mental Assessment on the Disposal of Decommissioned, Defueled, Naval Reactor Plants from USS ENTERPRISE (CVN 65). 2012. Dostupné z: http://energy.gov/nepa/downloads/ea-1889-final-environmental-assessment-and-finding-no-significant-impact

59 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

[95] VACEK, Zdeněk. Fascinace atomovým pohonem. [online]. 2009 [cit. 2013-03-07]. Dostupné z: http://veteran.auto.cz/auta/atomova-auta/

[96] VAT, Dan van der. Ponorky ve válce. Vyd. 1. Překlad Jaroslav Hrbek. Praha: Argo, 1997, 406 s., [16] s. obr. příl. ISBN 80-720-3142-2.

[97] Věda a technika mládeži. Praha: Mladá fronta, 1955, roč. 9, č. 4. ISSN 0322-9017.

[98] WAGNER, Vladimír. Jaderné zdroje pro vesmírnou kolonizaci. Ústav jaderné fyziky AV ČR [online]. Řež, 2008, 2.srpna 2008 [cit. 2013-05-16]. Dostupné z: http://hp.ujf.- cas.cz/~wagner/popclan/sondy/jadernezdroje.html

[99] WEIR, Gary E a Walter J BOYNE. Rising tide: the untold story of the Russian submarines that fought the Cold War. New York: Basic Books, 2003, xiii, 354 p. ISBN 04-650- 9112-1. Dostupné z: http://books.google.cz/books? id=3Y7DNodJqd8C&hl=cs&source=gbs_navlinks_s

[100] WERTHEIM, [edited by] Eric. The Naval Institute guide to combat fleets of the world: their ships, aircraft, and systems. 15th ed. Annapolis, Md: Naval Institute Press, 2007. ISBN 978-159-1149-552. Dostupné z: http://books.google.cz/books? id=TJunjRvplU4C&hl=cs&source=gbs_navlinks_s

[101] WIP ENGINEERS-CONSULTING. Nuclear Ship SAVANNAH: Radiological and Non- Radiological Spaces Characterization Survey Report. Revision 1. 2006. Dostupné z: http://www.marad.dot.gov/ships_shipping_landing_page/ns_savannah_home/ns_savann ah_library/NS_Savannah_Document_Library.htm

[102] YENNE, Bill. Secret Gadgets And Strange Gizmos: High-Tech (And Low-Tech) Innovations of the U.S. Military [online]. Zenith Imprint, 2006 [cit. 2013-03-17]. ISBN 1610607449. Dostupné z: http://books.google.cz/books? id=TbByQl2h0LcC&hl=cs&source=gbs_navlinks_s

60 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

7 SEZNAM OBRÁZKŮ A TABULEK Obr. 1 Ford Nucleon 3/8 model [1]...... 10 Obr. 2 World Thorium Fuel Cadillac, 2008 [41]...... 10 Obr. 3 Ilustrativní nákres lokomotivy X-12, 1954 [47]...... 11 Obr. 4 Atomový expres a jeho kontinentální trasa, 1955 [97]...... 11 Obr. 5 Další návrh atomové lokomotivy [33]...... 11 Obr. 6 Vzhled a uspořádání tanku Chrysler TV-8 [3]...... 12 Obr. 7 Mobilní jaderná elektrárna TES-3 [91]...... 12 Obr. 8 Testovací letoun NB-36H [15]...... 13 Obr. 9 Pohonná jednotka HTRE-3 [27]...... 13 Obr. 10 Schéma pohonného systému nukleární ponorky Nautilus [78]...... 15 Obr. 11 Schéma pohonného systému jaderné ponorky s PWR reaktorem [20]...... 17 Obr. 12 Design první generace sovětských ponorkových reaktorů VM-A [84]...... 20 Obr. 13 Řez ponorkou třídy Charlie projektu 670M [74]...... 21 Obr. 14 Počet Sovětsko-ruských jaderných ponorek a lodí v provozu v průběhu let [76]...... 23 Obr. 15 Palivové pelety UO2 vložené do Zr slitiny ve vysokohustotním LEU caramelového uspořádání použitého ve francouzských ponorkách Rubis [49]...... 25 Obr. 16 Reaktor s parogenerátorem integrovaný ve francouzské třídě nukleárních ponorek Rubis [37]...... 25 Obr. 17 Teplotní profil palivových tyčí [37]...... 25 Obr. 18 Vývoj počtu jaderných ponorek do roku 2000 [49]...... 26 Obr. 19 Schéma zapojení parní turbíny na letadlové lodi třídy Nimitz 1) přívod páry z parogenerátoru; 5) usměrňovač; 6) stejnosměrný motor; 9) turbosoustrojí s el. generátorem; 10) parní turbína pro pohon lodního šroubu [90]...... 28 Obr. 20 Schéma uspořádání trupu NS Savannah [92]...... 29 Obr. 21 Řez reaktorem NS Savannah [92] ...... 29 Obr. 22 Uspořádání palivových elementů a regulačních tyčí reaktoru NS Savannah [92]...... 30 Obr. 23 Schéma primárního okruhu reaktoru OK-150, 1) reaktor 2) parogenerátor 3) hlavní cirkulační čerpadla 4) záložní čerpadlo 5) kompenzátory objemu 6) filtr 7) chladič filtru [84] ...... 32 Obr. 24 Zapojení na jaderném ledoborci Jamal 1) přívod páry z parogenerátoru; 2) bypass parní turbíny pro případ náhlého zastavení pohonu lodních šroubů; 3) kondenzátor 4) 3x jednofázový generátor střídavého proudu 5) usměrňovač 6) stejnosměrný motor 7) přívod el. Od druhého turbosoustrojí 8) lodní šroub [90]...... 33 Obr. 25 Okruhy nukleárního ledoborce Arktika [84]...... 33 Obr. 26 Reaktor RITM-200 společnosti OKBM Afrikantov [35]...... 34 Obr. 27 Trup plovoucí jaderné jednotky s dvěma reaktory KLT-40S [63]...... 35 Obr. 28 Schéma vyjmutí vyhořelého paliva z reaktoru jaderné ponorky použitím pobřežního komplexu na výměnu paliva SC Zvyozdochka v Severodvinsku [65]...... 36 Obr. 29 Základní postup při likvidaci jaderných ponorek [68]...... 37 Obr. 30 Kontejnery s reaktorovými sekcemi demontovanými z jaderných ponorek a křižníků v uložišti 94 v Hanfordu [94]...... 37 Obr. 31 Princip termoelektrického konvertoru [36]...... 38 Obr. 32 Tepelný modul GPHS (General Purpose Heat Source) [44]...... 39

61 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

Obr. 33 Termoelektrická dvojice článku MMRTG [8]...... 40 Obr. 34 Schéma vysunuté palivové kazety reaktoru Buk 1) Trubkovnice 2) Palivová kazeta 3) Nádoba reaktoru 4) Řídící tyč 5) Radiační stínění 6) Boční reflektor 7) Spojení trub. a nádoby [36]...... 40 Obr. 35 Uspořádání reaktoru TOPAZ 1 [40]...... 41 Obr. 36 průřez termionickým článkem reaktoru TOPAZ 2 [40]...... 42 Obr. 37 Schéma uspořádání vícečlánkového termionického palivového konvertoru reaktoru TOPAZ [40]...... 42 Obr. 38 Popis konstrukce pokročilého Stirlingova radioizotopového generátoru ASRG [75]. 43 Obr. 39 Svazek palivových segmentů reaktoru NERVA [59]...... 44 Obr. 40 Průřez reaktorem projektu NERVA [59]...... 44 Obr. 41 Koncept NTP s plynnou aktivní zónou [51]...... 45 Obr. 42 Granulová a kompozitní palivová matrice použité v projektu NERVA [60]...... 45 Obr. 43 Systém tepelného jaderného pohonu programu NERVA [51]...... 46 Obr. 44 Elektrostatický iontový pohon s elektrodovou mřížkou [32]...... 47 Obr. 45 Hallův elektrický iontový pohon [32]...... 48 Obr. 46 Magnetoplazmadynamický iontový pohon [32]...... 49

Tab. 1.Přehled tříd jaderných ponorek amerického námořnictva [20][49][10]...... 19 Tab. 2 Přehled tříd sovětsko-ruských jaderných ponorek [10][49]...... 23 Tab. 3 Přehled tříd jaderných ponorek Velké Británie, Francie, Číny a Indie [49][10]...... 27 Tab. 4: Přehled hladinových lodí USA, Ruska a Francie s jaderným pohonem [49]...... 29 Tab. 5: Přehled civilních nákladních plavidel a jejich jaderných reaktorů [4][92][13]...... 31 Tab. 6: Charakteristiky reaktorů ruských civilních lodí [34][4]...... 35

62 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

8 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ AEC Atomic Energy Commission ANP Aircraft Nuclear Propulsion ANPP Army Nuclear Power Program APPR Army Package Power Reactor ASRG Advanced Stirling Radioisotope Generator ASTR Aircraft Shield Test Reactor ATV Advanced technology vessel CAP Chaufferie avancée prototype CGN Cruiser Guided missile, Nuclear CONAS Combined nuclear and steam CVN Carrier Vessel, Nuclear DOE United States Department of Energy DSMP Dounreay Submarine Prototype FNPP Floating Nuclear Power Plant FWPF Fine Weave Pierced Fabric G8 Group of Eight (sdružení osmi takzvaně nejvyspělejších států světa) GCR Gas Cooled Reactor GE General Electric GIS Graphite Impact Shell GPHS General Purpose Heat Source) HEU High Enriched Uranium HMS Her/His Majesty's Ship HTRE Heat Transfer Reactor Experiment INS Indian Naval Ship LEU Low Enriched Uranium LMR Liquid Metal Reactor MH-1A Mobile, High power MITEE Miniature reacTor EnginE MMRTG Multi-Mission RTG NASA National Aeronautics and Space Administration NATO North Atlantic Treaty Organization NCR Natural Circulation Reactor NEPA Nuclear Energy for Propulsion of Aircraft NERVA Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application NS Nuclear ship NTP Nuclear Thermal Propulsion OKBM OAO I.I. Afrikantov OKB Mechanical Engineering PAT Prototype à terre, Prototype on land PBR Particle Bed Reactor PWR Pressurized Water Reactor RHU Radioisotopic Heater Unit RNG Réacteur nouvelle génération RORSAT Radar Ocean Reconnaissance Satellite

63 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

RTG Radioisotope Thermoelectric Generators SIR Submarine intermediate reactor SNAP System for Nuclear Auxiliary Power SNTP Space Nuclear Thermal Propulsion SSBN Ship, Submersible, Ballistic missile, Nuclear powered SSGN Ship, Submersible, Guided missile, Nuclear powered SSN Ship, Submersible, Nuclear powered START Strategic Arms Reduction Talks STR Submarine Thermal Reactor TES Transportable Electric Station TEU Thermoelectric Unit TFE Thermionic Fuel Element TOPAZ Термоэмиссионный опытный преобразователь в активной зоне (Termoemissionnyj opytnyj preobrazovatel v aktivnoj zonje) UK United Kingdom USA United States of America USAF United States Air Force VASIMIR Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket ППУ (PPU) паропроизводящая установка ( paroproizvodjashaja ustanovka)

64 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

9 SEZNAM PŘÍLOH Obr. 10.1 Porovnání velikostí a hmotnosti reaktorových kontejnmentů, délka v [m] [45]...... 66 Obr. 10.2 Kontejnment primárního okruhu reaktoru v lodi SN Savannah [101]...... 67 Obr. 10.3 Palivová kazeta reaktoru SN Savannah [92]...... 67 Obr. 10.4 Řez jadernou nákladní lodí SN Savannah [66]...... 68 Obr. 10.5 Kontejnment a tlaková nádoba jaderné obchodní lodi NS Otto Hahn [28]...... 69 Obr. 10.6 Tepelné schéma reaktoru nákladní lodě Otto Hahn [13]...... 70 Obr. 10.7 Demontáž reaktoru z NS Otto Hahn [19]...... 70 Obr. 10.8 Schránka kontejnmentu reaktoru NS Mutsu detaily radiačního štítu [28]...... 71 Obr. 10.9 Vylepšení radiačního štítu po úniku radiace na NS Mutsu [58]...... 71 Obr. 10.10 Uspořádání komponent reaktoru OK-150, 1) Reaktor 2) Parogenerátor 3) Hlavní cirk čerpadla 4) Pohonný systém reg tyčí 5) Filtr6Chladivo 8) Uzavírací ventil primárního okruhu 9) Vstup napájecí vody 10) Vývod páry [84]...... 72 Obr. 10.11 Palivový článek reaktoru OK-150 [84]...... 72 Obr. 10.12 Pohonný systém ledoborce Lenin, New Scientist 1959 [62]...... 72 Obr. 10.13 Primární okruh reaktoru KLT-40 [84]...... 73 Obr. 10.14 Blokové schéma reaktoru KLT-40S [34]...... 74 Obr. 10.15 Radioizotopový termoelektrický článek MMRTG použitý v marťanském vozidle Curiosity [9]...... 77 Obr. 10.16 MMRTG článek vozidla Curiosity, výřez z panoramatického snímku ze dne 5.10. 2012 [17]...... 77 Obr. 10.17 Uspořádání reaktorového systému Buk 1) Jaderný reaktor 2) Potrubí primárního okruhu 3) Radiační štít 4) Kompenzátory objemu 5) Chladič 6)Termoelektrický článek 7) Nosná konstrukce [36]...... 78 Obr. 10.18 Příčný řez reaktorem TOPAZ 2 [40]...... 78

Tab. 10.1 Vesmírné mise s RTG články do roku 1997 [36]...... 75 Tab. 10.2 Charakteristiky radioizotopového paliva pro termoelektrické články RTG [30]...... 76

[101][45][19][66][8][9][17]

65 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

10 PŘÍLOHA

Obr. 10.1 Porovnání velikostí a hmotnosti reaktorových kontejnmentů, délka v [m] [45] Pozn.: Velikosti a hmotnost jsou pouze přibližné (mohou se lišit až o 10 %).

66 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

Obr. 10.2 Kontejnment primárního okruhu reaktoru v lodi NS Savannah [101]

Obr. 10.3 Palivová kazeta reaktoru NS Savannah [92]

67 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

Obr. 10.4 Řez jadernou nákladní lodí NS Savannah [66]

68 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

Obr. 10.5 Kontejnment a tlaková nádoba jaderné obchodní lodi NS Otto Hahn [28]

69 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

Obr. 10.6 Tepelné schéma reaktoru nákladní lodě NS Otto Hahn [13]

Obr. 10.7Demontáž reaktoru z NS Otto Hahn [19]

70 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

Obr. 10.8 Schránka kontejnmentu reaktoru NS Mutsu detaily radiačního štítu [28]

Obr. 10.9 Vylepšení radiačního štítu po úniku radiace na NS Mutsu [58]

71 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

Obr. 10.10 Uspořádání komponent reaktoru OK-150, 1) Reaktor 2) Parogenerátor 3) Hlavní cirk čerpadla 4) Pohonný systém reg tyčí 5) Filtr 6) Chladivo 7) Čerpadlo primárního okruhu 8) Uzavírací ventil primárního okruhu 9) Vstup napájecí vody 10) Vývod páry [84]

Obr. 10.11 Palivový článek reaktoru OK-150 [84]

Obr. 10.12 Pohonný systém ledoborce Lenin, New Scientist 1959 [62]

72 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

Obr. 10.13 Primární okruh reaktoru KLT-40 [84]

73 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

Obr. 10.14 Blokové schéma reaktoru KLT-40S [34]

74 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

Tab. 10.1 Vesmírné mise s RTG články do roku 1997 [36]

(Heater = Radioisotope Heater Unit / Source)- tyto jednotky nesloužily k napájení, dodávaly pouze teplo elektronice

75 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

Tab. 10.2 Charakteristiky radioizotopového paliva pro termoelektrické články RTG [30]

76 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

Obr. 10.15 Radioizotopový termoelektrický článek MMRTG použitý v marťanském vozidle Curiosity [9]

Obr. 10.16 MMRTG článek vozidla Curiosity, výřez z panoramatického snímku ze dne 5.10. 2012 [17]

77 JADERNÁ ZAŘÍZENÍ V DOPRAVĚ NIKOLA BARTOŠEK

Obr. 10.17 Uspořádání reaktorového systému Buk 1) Jaderný reaktor 2) Potrubí primárního okruhu 3) Radiační štít 4) Kompenzátory objemu 5) Chladič 6)Termoelektrický článek 7) Nosná konstrukce [36]

Obr. 10.18 Příčný řez reaaktorem TOPAZ 2 [40]