مفاعل الفضاء كيلو باور

لقد استعصى عليّ مشروع ناسا / وزارة الطاقة المثير للاهتمام استعدادًا للمراجعات السابقة لمفاعلات الفضاء [ 1 ، 2 ، 3 ]. هذه هي النسخة الأكثر بساطة وخفة من مفاعل نووي ، مصمم لاستبدال بلوتونيوم RTGs في المهمات الفضائية بعيدة المدى وإمدادات الطاقة لقواعد رواد الفضاء الصغيرة ، على أي حال ، وفقًا للمبدعين.

المشروع مثير للاهتمام لأن العديد من الاتفاقيات في المظهر السائدة في مفاعلات الورق المختلفة يتم التخلص منها ، والمستوى المنخفض من التعقيد يسمح لنا بجعل التصميم بسيطًا مثل تصميم RTGs ، والذي ، في الواقع ، يمكن أن يؤدي هذا المشروع إلى النجاح. يسمح لنا التصميم البسيط والأيديولوجية الصحيحة بالمرور بمراحل التطوير بسرعة عالية جدًا ، وهي ليست نموذجية لتصميمات المفاعلات النووية التي تمتد لعقود طويلة.


الشكل المفاهيمي للكيلو باور ، من اليسار إلى اليمين - مشعات التبريد ، مجموعتان من مولدات ستيرلينغ ، الحماية من الإشعاع والأنابيب الحرارية ، عاكس مفاعل أكسيد البريليوم (داخل المفاعل).

يجب أن تكون قوة كيلو باور من 1 إلى 10 كيلووات كهربائية (وأربع مرات أعلى - حراري ، مما يعطي كفاءة 25 ٪) ، ويتم ضبطها على مهمة محددة. ما هو مثير للاهتمام ، كما أفهمها ، أن الجزء الحراري الكهربائي فقط سيتغير من الطاقة ، والجزء النووي سيبقى على حاله تقريبًا لجميع الخيارات. المفاعل الذي يتم تطويره في المختبر الأمريكي LANL ، عبارة عن أسطوانة مصنوعة من سبيكة بنسبة 7 ٪ من الموليبدينوم واليورانيوم العالي التخصيب 235 ، والتي (HEU) ، لسبب ما ، خائفة من مطوري المفاعلات الفضائية ، على الرغم من أنه يبدو أنهم لم يجدوا أي إرهابيين وديكتاتوريين في مدار المشتري. يبلغ قطر الأسطوانة 11 سم تقريبًا ، ويبلغ طولها 25 سم ، ووزنها 35 كجم ، ويوجد بداخلها قناة قطرها 3.7 سم ، حيث يوجد قضيب كربيد البورون الوحيد.



الموليبدينوم في سبيكة مع اليورانيوم مطلوب هنا لإضفاء القوة الميكانيكية والثبات لليورانيوم على التحولات الطورية أثناء التسخين ، ويتم تنظيم التفاعل بواسطة قضيب امتصاص نيوتروني من كربيد البورون - في الحالة المدخلة ، يكون المفاعل دون حرج حتى عندما يدخل الماء ، تتم إزالته (مرة واحدة وإلى الأبد) - يذهب إلى الطاقة الحرارية فوق الحرجة واكتساب. يتم تنظيم الطاقة عن طريق هندسة المفاعل والعاكس ، والذي يتم اختياره بحيث عند تسخينه إلى 1200 كلفن ، فإن التمدد الحراري لسبائك اليورانيوم للمفاعل يقلل من Keff (معامل عدد النيوترونات في الجيل التالي) بشكل صارم إلى 1 ، ثم يتم تسخينه عن طريق تفاعل سلسلة لأكثر من 10 سنوات.


اللوح مع الكاف المحسوب للمفاعل: 1) مفاعل بارد بقضيب مزيل ، 2) مفاعل بارد بقضيب مدرج ، 3) مفاعل ساخن بقضيب تمت إزالته في بداية العمل 4) مفاعل ساخن بقضيب مزيل بعد 10 سنوات من الاحتراق.

المفاعل محاط بعاكس نيوتروني (لتقليل الكتلة الحرجة) لأكسيد البريليوم ، حيث يتم إدخال الأنابيب الحرارية - وهذا هو تمامًا هيكل المفاعل نفسه. بين كتلة محولات الطاقة واللب ، توجد حماية إشعاعية مجزأة (الظل ، تحمي طريقة واحدة فقط) من طبقات هيدريد الليثيوم والتنغستن.

إن أكثر شيء مدهش في رأيي هو عدم وجود قذيفة بالقرب من قلب اليورانيوم - ليس هناك حاجة إليه في الفضاء ، هذا المفاعل لا يبدأ على الأرض. يبقى فقط أن تحسد على التفكير غير المحصور ونقص المراقبة الذرية في مدار نبتون.


قلب المفاعل وخيارين لتثبيت الأنابيب الحرارية عليه. بالمناسبة ، يعد ربط الأنابيب الحرارية باليورانيوم أحد المشاكل المعقدة بشكل غير متوقع في هذا التطور ، ويرجع ذلك أساسًا إلى أن العناصر المتبقية من المفاعل بسيطة أو مستهلكة.

يتم نقل الحرارة التي تم إزالتها من القلب والعاكس بواسطة الأنابيب الحرارية إلى النهايات الساخنة لمولدات Stirling (في تصميمات مختلفة للمفاعل لديهم كميات وقدرات مختلفة ، ولكن يبدو أن هناك ما يقرب من 4-16 قطعة) ، ونهاياتها الباردة متصلة ببواعث الثلاجة. هنا أيضًا ، هناك بساطة قوية في التصميم - تُستخدم الأنابيب الحرارية على نطاق واسع في المركبات الفضائية ، وتقوم وكالة ناسا باختبار مولدات ستيرلنج للفضاء للعقد الثاني. في الوقت نفسه ، يعتقد أن هيكل الغاز المغلق Stirling أفضل من المتفرعة ويتطلب الكثير من تصميم المعدات للمحولات التوربينية (في دورة برايتون ، المشار إليها بشكل عصري في المقالات الغربية باسم وحدات Brayton الدورية).


تم اختباره في عام 2016 في مركز NASA Glenn ، وهو عبارة عن تجميع لمحاكي مفاعل (من سبيكة اليورانيوم المستنفد يتم تسخينه بواسطة عناصر التسخين) و 8 مولدات ستيرلينغ مجمعة في أزواج في 4 مجموعات. منضدة اختبار لتشغيل النظام في الفراغ.

يختلف Kilopower عن التصميم التنافسي لـ RTGs مع Pu238 من خلال رخص أكبر بكثير (35 كجم من اليورانيوم عالي التخصيب يكلف حوالي 0.5 مليون دولار ، مقارنة بحوالي 50 مليون دولار مقابل 45 كجم من Pu238 المطلوبة للكيلووات RTG) ، وأقل بكثير في معالجة المشاكل عند إعداد المركبة الفضائية وإطلاقه ، ومع ذلك ، يتحدث مطورو LANL اليوم عن عمر المفاعل لمدة عشر سنوات ، بينما تعمل RTGs و Voyagers لمدة 40 عامًا - في مكان ما قد يكون هذا ظرفًا مهمًا.


موقع الاختبار في نيفادا ، حيث ستجرى اختبارات المفاعل ومولد ستيرلنغ ، الذي بقي مع وكالة ناسا بعد برنامج إنشاء RTGs مع Stirlings.

يبدو أن فترة العشر سنوات من التشغيل محدودة بشكل أساسي بالجزء الميكانيكي من المفاعل (مولدات ستيرلنغ). على أي حال ، فإن قلب اليورانيوم في 10 سنوات من التشغيل بقوة 4 كيلووات (حراري) سيكون لديه الوقت لحرق أقل من 0.1 ٪ ، وسيصل التورم والضرر الذي يلحق بالمادة إلى حوالي 1/10 من التمدد الحراري ، كما أن انخفاض الطاقة بسبب التسمم غير مهم.

فيديو LANL عن المشروع (باللغة الإنجليزية).

الظرف المهم للفضاء هو كتلة المفاعل. تبني وكالة ناسا RTGs من المكعبات ، مع إصدار أدنى في شكل MMRTG يزن 45 كجم وقوة 125 واط ، وهناك أيضًا GPHS-RTG يزن حوالي 60 كجم وسعة 300 واط ، في حين أن الحد الأدنى للإصدار من كيلو باور بطاقة 1 كيلوواط يزن حوالي 300 كجم ، منها المفاعل والحماية من الإشعاع تزن حوالي 230 كجم. لسوء الحظ ، ليس لكل جهاز ناسا تم إرساله إلى الفضاء البعيد احتياطيًا كبيرًا يتراوح من 100 إلى 250 كجم ، حتى بسبب توفير 50 ​​مليون دولار على البلوتونيوم 238.


خيارات مختلفة لمصادر الطاقة التي يمكن إنشاؤها على أساس كيلو باور.

من حيث المبدأ ، كان مطورو Kilopower بالتأكيد على ظهور الخيل إذا لم تستكمل وزارة الطاقة مؤخرًا برنامج إنتاج Pu238 - بعد كل شيء ، في عام 2011 ، عندما تم إطلاق مشروع مفاعل الفضاء هذا بالفعل ، كانت إمكانية استعادة إنتاج Pu238 لا تزال افتراضية ، مما أثار الاهتمام للبدائل.


المزيد من الحديد - اختبارات الأنابيب الحرارية ونموذج حراري لـ "أنبوب المفاعل" في حامل تفريغ

أثناء التطوير ، اقترح خبراء LANL وحساب تصميم مفاعل اليورانيوم بالكيلووات ، وأكثر من ذلك - أجروا تجربة صغيرة على مجموعة نقد Flattop ، وهي عبارة عن كرة من اليورانيوم المخصب محاطة بعاكس البريليوم. اشتملت التجربة على تركيب مجرى دقيق وأنبوب حراري في مجموعة حرجة ، مما جعل من الممكن الحصول على 25 واط من الطاقة الكهربائية من حرارة تفاعل سلسلة لبعض الوقت ، دليل على المفهوم ، إذا جاز التعبير.


تجميع نقدي لـ Flattop وعاكس بريليوم متحرك ، في الجانب الأيمن - تركيب أنبوب حراري ومولد ستيرل إليه.

بعد عرض توضيحي ناجح ، تلقى مشروع Kilopower التمويل على الفور من وكالة ناسا و NNSA (تشارك هذه الوكالة في تخزين وإنتاج وتجارة المواد النووية في الولايات المتحدة الأمريكية) لمدة 16.17 و 18 عامًا ، والتي تنص على إنشاء نموذج أولي لمولد كيلووات مع مفاعل نووي حقيقي (!) واختباره في 2018 نيفادا. سيتم تنفيذ المفاعل بواسطة محطة Y-12 (التي عادة ما تشارك في إنتاج الأسلحة النووية) ، وسيقوم العاكس بتصنيع LANL ، والجزء الحراري من المفاعل ، وحامل الفراغ والأمن البيولوجي للاختبار سيتم من قبل مركز ناسا مارشال ، واختبارات الوحدة مع محاكي مفاعل (مع قلب اليورانيوم المنضب الذي يتم تسخينه كهربائيًا) في عام 2017 في مركز جلين التابع لناسا.


خطط مشروع Kilopower. ISRU - استقبال وقود الصواريخ في الموقع (على كوكب المريخ) ، GRC - مركز ناسا جلين ، SBIR - برنامج لتطوير مجموعة واسعة من تقنيات وكالة ناسا

على خلفية مشاريع المفاعلات "الكبيرة" التي تمر عبر جميع دوائر التطوير ، وبناء المدرجات ، والاختبارات على المدرجات ، والموافقة من قبل منظم مبررات السلامة للأجنحة ، إلخ. لعقود من الزمان ، لا يمكن لمشروع مثل هذه المدة والبساطة واحتمال جيد للسفر إلى الفضاء أن يفرح. سيبدأ في البهجة أكثر إذا تم اختياره كمصدر للطاقة لإحدى المهمات البعيدة التي تتجمع في الفضاء في العقد المقبل.

ملاحظة : عرض مثير للاهتمام من وكالة ناسا حول جوانب استخدام الطاقة النووية في مهمة لزيارة المريخ
PPS مشوش قليلاً (تبدأ التفسيرات في المنتصف) ، ولكن فيديو فريد من نوعه حول تطوير أواخر الثمانينيات وأوائل التسعينات - مفاعل فضائي عالي الحرارة SP-100 ، والذي تم التخطيط له بشكل أساسي للاستخدام العسكري ، لا يزال مصنفًا جزئيًا.