المفاعل الفضائي كيلو باور يجتاز اختبارات الأرض

عقدت وكالة ناسا مؤتمرا صحفيا حول التقدم المحرز في تطوير مفاعل الفضاء كيلو باور. قبل عام ، وصفت هذا المشروع بالتفصيل ثم تم إخضاع التطوير لاختبار نظام لتحويل الحرارة إلى كهرباء. حسنًا ، يمكن القول أن التقدم الرائع للمشروع أصبح أفضل.


مفاعل كيلو باور على القمر.

في عام 2017 ، في وسطهم. أجرى جلين ناسا اختبار فراغ حراري واسع النطاق لمفاعل نموذج باستخدام جهاز محاكاة حرارة الاضمحلال الكهربائي داخل جهاز محاكاة قلب اليورانيوم المستنفد. بشكل عام ، تجدر الإشارة إلى أن تطوير آلية لنقل الحرارة من القلب إلى المولدات استنادًا إلى محركات ستيرلنغ (المشار إليها فيما بعد - GDS) باستخدام الأنابيب الحرارية كان تقريبًا الجزء الأكثر صعوبة وأهمية في المشروع ، وبالتالي تم تأخيره لمدة 3 سنوات. على وجه الخصوص ، يتمثل التحدي في بدء أنابيب حرارة الصوديوم ، حيث يجب ذوبان جزء من الصوديوم وتبخيره بحيث يتم تكوين تدفق حراري كافٍ ، ولكن لا يتم تسخينه. وبالنظر إلى طبيعة "الحكم الذاتي" للمفاعل ، فإن هذا ليس بهذه البساطة من وجهة نظر هندسية. تهدف دورة الاختبار النهائية مع فراغ من سبائك اليورانيوم الموليبدينوم المستنفد إلى اختبار التحولات الحرارية بين النواة (AZ) والأنابيب الحرارية.



درجة حرارة الأنابيب الحرارية Kilopower عند بدء تشغيل النظام. يتم ترتيب المزدوجات الحرارية بترتيب تصاعدي من محاكي AZ إلى مستقبل الحرارة (الطرف الساخن لنظام التوزيع العالمي).

ومع ذلك ، على الرغم من أن الأنابيب الحرارية عالية الحرارة وأنظمة التوزيع العالمية أمور مثيرة للاهتمام ، إلا أن كل هذا لم يكن له علاقة تذكر بالجزء النووي من Kilopower. تم تسمية تجربة كاملة مع مصدر حرارة نووي KRUSTY (مفاعل كيلو باور باستخدام تقنية Stirling) وتم إجراؤها من خريف 2017 إلى مارس 2018 في مختبر DAF الموجود في موقع التجارب النووية في نيفادا. في هذا المختبر (الذي كان في السابق مكان تجميع الشحنات النووية للانفجارات التجريبية في موقع الاختبار) ، توجد الآن أربع تجمعات حرجة (تسمى التجمعات الحرجة المفاعلات النووية صفر أو منخفضة الطاقة المستخدمة للتحقق من الحسابات النيوترونية) التي تستخدمها المختبرات النووية الأمريكية في تجارب مختلفة (بما في ذلك سلمي للغاية - على سبيل المثال ، لقياس الثوابت الجرعات). بالمناسبة ، في هذا المختبر بدأ تاريخ كيلو باور ، لأنه هنا يقع التجمع الحرج Flattop ، والذي تم في عام 2011 اختبار النموذج الأولي المفاهيمي للمفاعل.


التجمع الحاسم هو مانح. بالنسبة إلى KRUTSY ، يتم استخدام الإطار ونظام الجوال المنخفض.

بالنسبة لتجربة KRUSTY ، تم أخذ آلة المذنب ، التي كانت عبارة عن نصفين مغيرين رأسيًا من فراغات اليورانيوم والعاكسات. الآن ، تم وضع Kilopower الفعلي مع غرفة فراغ في الأعلى ، وتم دفع عاكس أكسيد البريليوم إلى اليورانيوم المخصب فارغًا باستخدام نظام متنقل.


تجميع من آلة مذنب ومفاعل كيلو باور مستخدم في تجربة KRUSTY. يتم إطلاق المفاعل عن طريق تحريك عاكس جانب أكسيد البريليوم على قلب المفاعل

بعد تجميع النواة (التي ، بالمناسبة ، هي نوع فرعي منفصل - مع مجموعة من القيود على وجود عدد من الأشخاص والمواد) ، تم اختبار النظام في حالة فشل الأنظمة المختلفة. تكتب وكالة ناسا "تجري بدون قوة" هنا ، ولكن تظهر صورة مختلفة قليلاً عن خطة التجارب.



تجميع قلب مفاعل الفضاء النموذجي. أحد القيود الأكثر شيوعًا عند العمل مع التجمعات الحرجة هو تقييد وجود الأشخاص القريبين (على سبيل المثال لا يزيد عن شخصين داخل دائرة نصف قطرها مترين) ، حتى لا تغري المصير من خلال وجود عدد كبير من عواكس الماء حول مادة السلاح. تم وصف العناصر التي تم تجميعها بواسطة المهندسين في الصورة أدناه:



ثم تم بدء تشغيل فعلي للمفاعل بدون نظام تحويل بقياسات خصائص التفاعل للعاكس وخصائص الانتشار للنظام ، وبالحكم من خلال الخطط ، قضيب امتصاص بدء مصنوع من كربيد البورون ، والذي تم تصميمه في وسط القلب ويضمن أن المفاعل لا يبدأ في حالة الطوارئ ، على سبيل المثال ، الانطلاق إلى المدار.



تضمنت التجارب المخطط لها مدخلات تفاعلية عندما كان المفاعل باردًا عند $ 0.8 و $ 3 ($ 1 يعني زيادة الحرجة تساوي جزء النيوترونات المتأخرة ، وبعد ذلك يزداد معدل تسارع المفاعل بشكل حاد). في هذه الحالة ، تزداد قوة النيوترون (في حالة دخول $ 3 - سريع) حتى يؤدي تسخين الوقود وتوسيعه إلى تفاعل سلبي ويهدئ المفاعل عند مستوى طاقة معين.



وفقًا للخطط الواردة في الشريحة أعلاه ، تم قياس خصائص الانتشار لعناصر التجميع المختلفة عند درجات حرارة مختلفة.

وتجدر الإشارة هنا إلى أن البيان الصحفي لوكالة ناسا / وزارة الطاقة بخيل للغاية مع التفاصيل ، ما تم فعله بالفعل ، لكنني متأكد بنسبة 99 ٪ من أن هذه القياسات قد أجريت في فصل الشتاء. بدون التحقق التجريبي من خصائص تكاثر المفاعل ، سيكون مقدرًا له أن يبقى ورقًا إلى الأبد ولا يُسمح له بالبدء.


تركيب غرفة مفرغة على "جزء التحويل" كيلوبور خلال اختبارات الشتاء.

وأخيرًا ، تم إجراء اختبارات شاملة للنظام مع بدء تشغيل المفاعل ونظام التحويل والإخراج إلى الاسمية والتشغيل عند الطاقة. استغرق الاختبار بأكمله 28 ساعة ، من الرسم البياني لتسخين الأنابيب الحرارية أعلاه ، يمكننا أن نفترض أن التجربة بدت "تبدأ في 4 ساعات + 24 ساعة من التشغيل بالقيمة الظاهرية". سواء تم إجراء الاختبارات على التحكم الذاتي في المفاعل (التغيير في الطاقة الحرارية عند تغير الحمل) ، لم يتم الإبلاغ عنها ، ولكن صورة واحدة من البيان الصحفي تشير إلى أن نعم ، تم تنفيذ ما يلي:


قابل للنقر بدرجة عالية

في الخلفية توجد رفوف تحكم التجميع الحرجة GODIVA IV و Comet ، على الشاشات يمكنك رؤية الحامل من Comet مع Kilopower ، والعاكس في وضع "البدء" ، كما يشير الثلج على شاشات الكاميرا أيضًا إلى أن هذه هي لحظة المدى الطويل. على الشاشات الموجودة على الطاولة الخلفية ، يجب أن نفترض نوعًا من معلمات التجميع النووي ، على الشاشات الأقرب إلينا هي الرسوم البيانية لدرجة الحرارة مع المزدوجات الحرارية وحالة الأنظمة والأجهزة. يمكن تصور الأسنان على الرسوم البيانية لدرجة الحرارة على أنها تتضمن أحمالًا إضافية. تؤكد خطط هذا التشغيل أيضًا هذه الأفكار:



في مؤتمر صحفي ، أشار أحد مهندسي ناسا أيضًا إلى أن "الفريق اختبر تسلسل بدء التشغيل ، والمعلمات أثناء التشغيل بالقيمة الاسمية ، والكفاءة - والنظام يلبي متطلبات جميع المعلمات المقاسة."

بطريقة أو بأخرى ، بالنسبة لناسا / وزارة الطاقة هذه خطوة مهمة. على مدى السنوات الأربعين الماضية ، لم يصل أي مشروع لمفاعل فضاء مدني إلى الإطلاق المادي ، على الرغم من أن العديد من مراحل التطوير واختبار الفراغ الحراري قد مرت. لا يعرف الكثير عن المشاريع العسكرية ، على الأقل بالنسبة لمفاعل SP-100 ، ذهبت الاختبارات إلى حد بعيد - من الممكن أن تم اختبارها في شكل معيار انعدام الطاقة. هذا النجاح لا يمكن تصديقه على خلفية عقود أن المشاريع السابقة التي لم تصل إلى الاختبارات الأرضية الكاملة التي أنفقتها. ومع ذلك ، على الرغم من المفهوم الممتاز والتنمية الأرضية الناجحة ، فإن مستقبل Kilopower غير واضح.


مفاهيم المهمة للأهداف في حزام كويبر باستخدام إصدار 10 كيلووات من كيلو باور لتوفير الجر للمركبات.

نطاق هذا المفاعل ، على الرغم من كونه كبيرًا نسبيًا ، إلا أنه ليس كبيرًا جدًا: استبدال RTGs في بعثات المحطات الكواكب الأوتوماتيكية خارج مدار المشتري ، في حالة تطوير نسخة 10 كيلو واط ، فإنه يوفر أيضًا طاقة كهربائية للبعثات المأهولة إلى القمر (على الرغم من أن السؤال حول بعثات القطب القمري مثيرة للجدل ) والأهم من ذلك - إمدادات الطاقة من بعثات ERD إلى الأجسام البعيدة في النظام الشمسي. الخيار الأخير ، المسمى الدفع الكهربائي الكهربائي ، هو الأكثر إنتاجية من حيث تحسين قدرات المركبات الفضائية ويسمح لك بتحقيق الأهداف التي لا يمكن تحقيقها في محركات الصواريخ الكيميائية ، مثل مدارات Charon و Pluto وغيرها من الهيئات في حزام Kuiper.

ومع ذلك ، لا تزال هناك حاجة لتطوير نسخة 10 كيلوواط. باستخدام الأنابيب الحرارية 380 واط ، الموجودة على النموذج الأولي ، هذا مستحيل ، وبصفة عامة فإن مهمة إزالة 40 كيلووات من الحرارة من فراغ صغير نسبيًا من اليورانيوم بدون مبرد متحرك تبدو صعبة. من الممكن أن يستمر تطوير مفاعل 10 كيلووات لفترة طويلة ، وسيكون من اللطيف العثور على مستهلكين لإصدار 1 كيلووات ، بحيث يطير المفاعل.

استبدال RTGs (خاصة إصداراتها مع GDS) لا يعطي الكثير بسبب وزن Kilopower ، بالإضافة إلى الأجهزة الأرخص المحتملة (تكلف RTGs وكالة ناسا حوالي 100 مليون دولار لكل كيلووات ، ومن الواضح أنها أكثر تكلفة من Kilopower). يواصل تصميم مركبة الفضاء الرئيسية ناسا إجراء تقديرات باستخدام بلوتونيوم RTGs!


لا تزال بعثات ناسا المخطط لها إلى نبتون وأورانوس تحمل RTGs على متنها - تطوير مصدر الطاقة على متن الطائرة Curiocity.

بقيت القواعد المأهولة / المهام الطويلة الأمد في مكان ما على القمر أو المريخ في المرحلة المفاهيمية لعقود عديدة ، ولا يبدو أن هذا هو الحصان الذي يمكنه سحب Kilopower إلى الفضاء. في الواقع ، حتى AMSs البعيدة توفر معدل إطلاق مرة واحدة كل 10 سنوات ، أو حتى أقل. يبدو أن وكالة ناسا يجب أن تتخذ الخطوة التالية ، لإيجاد مهمة جديرة لشركة Kilopower وجعلها في أقرب وقت ممكن. ونأمل أن نرى في العام المقبل مثل هذا الخيار الذي سيعطي أفضل فرصة لمفاعل نووي جديد في الفضاء ، لم نره منذ فترة طويلة.