Kilopower Weltraumreaktor

Ein interessantes NASA / DOE-Projekt entging mir in Vorbereitung auf frühere Überprüfungen von Weltraumreaktoren [ 1 , 2 , 3 ]. Dies ist die leichteste und einfachste Version eines Kernreaktors, der Plutonium- RTGs in Weltraummissionen mit großer Reichweite und der Stromversorgung kleiner Astronautenbasen ersetzen soll, so die Entwickler.

Das Projekt ist insofern interessant, als viele Konventionen in der Form, die in verschiedenen Papierreaktoren vorherrschen, verworfen werden, und die geringe Komplexität ermöglicht es uns, das Design so einfach wie das von RTGs zu gestalten, was dieses Projekt tatsächlich zum Erfolg führen kann. Ein einfaches Design und eine korrekte Ideologie ermöglichen es uns, die Entwicklungsphasen mit einer sehr hohen Geschwindigkeit zu durchlaufen, was für jahrzehntelange Weltraumreaktorkonstruktionen nicht typisch ist.


Das konzeptionelle Erscheinungsbild von Kilopower von links nach rechts - Kühler, 2 Stirlinggeneratoren, Strahlenschutz- und Wärmerohre, Berylliumoxid-Reaktorreflektor (im Reaktor).

Die Kilopower-Leistung sollte zwischen 1 und 10 kW elektrisch (und viermal höher - thermisch, was einen Wirkungsgrad von 25% ergibt) liegen und auf eine bestimmte Mission abgestimmt sein. Was interessant ist, wie ich es verstehe, wird sich nur der wärmeelektrische Teil von der Energie ändern, und der nukleare Teil wird tatsächlich für alle Optionen ungefähr gleich bleiben. Der Reaktor, der im amerikanischen Labor LANL entwickelt wird, ist ein Zylinder aus einer Legierung aus 7% Molybdän und hochangereichertem Uran 235, den die Entwickler von Weltraumreaktoren (HEU) aus irgendeinem Grund fürchten, obwohl sie anscheinend keine Terroristen und Diktatoren in der Umlaufbahn des Jupiter gefunden haben. Der Zylinderdurchmesser beträgt ~ 11 cm, die Länge 25 cm, das Gewicht ~ 35 kg, im Inneren befindet sich ein Kanal mit einem Durchmesser von 3,7 cm, in dem sich der einzige Borcarbidstab befindet.



Molybdän in einer Legierung mit Uran wird hier benötigt, um Phasenübergängen während des Erhitzens mechanische Festigkeit und Stabilität des Urans zu verleihen, und die Reaktivität wird durch einen Neutronenabsorberstab aus Borcarbid reguliert - im eingefügten Zustand ist der Reaktor unterkritisch, selbst wenn er in Wasser gelangt, entfernt (ein für alle Mal) - geht auf die überkritische und gewinnende Wärmekraft. Die Leistung wird durch die Geometrie des Reaktors und des Reflektors reguliert, die so gewählt wird, dass bei Erwärmung auf 1200 K die Wärmeausdehnung der Uranlegierung des Reaktors Keff (den Koeffizienten der Anzahl der Neutronen in der nächsten Generation) streng auf 1 reduziert und dann durch eine Kettenreaktion für mehr als 10 Jahre erwärmt wird.


Die Platte mit dem berechneten Kaff des Reaktors: 1) ein kalter Reaktor mit einem entfernten Stab, 2) ein kalter Reaktor mit einem eingesetzten Stab, 3) ein beheizter Reaktor mit einem entfernten Stab zu Beginn der Arbeit 4) ein beheizter Reaktor mit einem entfernten Stab nach 10 Jahren Ausbrennen.

Der Reaktor ist von einem Neutronenreflektor (zur Reduzierung der kritischen Masse) aus Berylliumoxid umgeben, in den Wärmerohre eingeführt werden - und dies ist absolut die gesamte Struktur des Reaktors selbst. Zwischen dem Block der Energiewandler und dem Kern befindet sich ein segmentierter (Schatten, der nur eine Richtung schützt) Strahlenschutz vor Schichten aus Lithiumhydrid und Wolfram.

Das Erstaunlichste ist meiner Meinung nach das Fehlen einer Hülle in der Nähe des Urankerns - sie wird im Weltraum nicht benötigt, dieser Reaktor startet nie auf der Erde. Es bleibt nur, um das unerschrockene Denken und den Mangel an atomarer Überwachung in der Umlaufbahn von Neptun zu beneiden.


Der Reaktorkern und zwei Möglichkeiten zur Befestigung von Wärmerohren. Im Übrigen ist die Anbringung von Wärmerohren an Uran eines der unerwartet komplexen Probleme bei dieser Entwicklung, hauptsächlich weil die verbleibenden Elemente des Reaktors einfach sind oder verbraucht werden.

Die Wärme, die dem Kern und dem Reflektor durch Wärmerohre entzogen wird, wird den heißen Enden der Stirling-Generatoren zugeführt (in verschiedenen Ausführungen des Reaktors haben sie unterschiedliche Mengen und Kapazitäten, aber anscheinend etwas von 4 bis 16 Teilen), und ihre kalten Enden sind mit den Kühlschrank-Emittern verbunden. Auch hier gibt es eine robuste Einfachheit im Design - Heatpipes werden häufig in Raumfahrzeugen verwendet, und die NASA testet Stirling-Generatoren seit dem zweiten Jahrzehnt auf Weltraum. Gleichzeitig wird angenommen, dass die geschlossene Gasstruktur von Stirling besser ist als die verzweigte und viel Ausrüstungsdesign von turboelektrischen Wandlern erfordert (im Brighton-Zyklus, in westlichen Artikeln modisch als rotierende Brayton-Einheiten bezeichnet).


Getestet im NASA Glenn Center im Jahr 2016, eine Baugruppe aus einem Simulator eines Reaktors (aus einer durch Heizelemente erhitzten Legierung mit abgereichertem Uran) und 8 Stirlinggeneratoren, die paarweise in 4 Baugruppen zusammengebaut wurden. Prüfstand für den Systembetrieb im Vakuum.

Kilopower unterscheidet sich vom konkurrierenden Design von RTGs mit Pu238 durch eine deutlich höhere Billigkeit (35 kg hochangereichertes Uran kosten etwa 0,5 Mio. USD, verglichen mit etwa 50 Mio. USD für 45 kg Pu238, die für ein Kilowatt-RTG benötigt werden) und viel weniger Handhabungsprobleme bei der Vorbereitung des Raumfahrzeugs und seine Einführung, jedoch sprechen LANL-Entwickler heute von einer zehnjährigen Lebensdauer des Reaktors, während RTGs und Voyager seit 40 Jahren in Betrieb sind - irgendwo kann dies ein wichtiger Umstand sein.


Teststandort in Nevada, wo die Tests des Reaktors und des Stirling-Generators stattfinden, die nach dem Programm zur Erstellung von RTGs mit Stirlings bei der NASA verblieben sind.

Die zehnjährige Betriebsdauer ist offenbar hauptsächlich durch den mechanischen Teil des Reaktors (Stirling-Generatoren) begrenzt. In jedem Fall hat der Urankern in 10 Betriebsjahren bei einer Leistung von 4 Kilowatt (thermisch) eine Zeit zum Ausbrennen von weniger als 0,1%, und das Quellen und die Beschädigung des Materials betragen etwa 1/10 der Wärmeausdehnung. Die Verringerung der Leistung aufgrund von Vergiftungen wird ebenfalls als unbedeutend erkannt.

LANL- Video zum Projekt (auf Englisch).

Ein wichtiger Umstand für den Weltraum ist die Masse des Reaktors. Die NASA baut ihre RTGs aus Würfeln mit einer Mindestversion in Form von MMRTG mit einem Gewicht von 45 kg und einer Leistung von 125 Watt. Es gibt auch eine GPHS-RTG mit einem Gewicht von etwa 60 kg und einer Leistung von 300 elektrischen Watt, während die Mindestversion von Kilopower 1 kW beträgt wiegt ca. 300 kg, wovon Reaktor und Strahlenschutz ca. 230 kg wiegen. Leider verfügt nicht jedes NASA-Gerät, das in den Weltraum geschickt wird, über eine Massenreserve von 100 bis 250 kg, selbst aufgrund der Einsparung von 50 Millionen US-Dollar bei Plutonium 238.


Verschiedene Optionen für Energiequellen, die auf der Basis von Kilopower erstellt werden können.

Im Prinzip wären die Kilopower-Entwickler sicherlich zu Pferd gewesen, wenn DOE das Pu238-Produktionsprogramm nicht kürzlich wieder aufgenommen hätte - schließlich war die Möglichkeit, die Pu238-Produktion wiederherzustellen, 2011, als das Projekt für diesen Weltraumreaktor tatsächlich gestartet wurde, noch hypothetisch, was das Interesse weckte zu Alternativen.


Etwas mehr Eisen - Tests von Wärmerohren und ein Wärmemodell eines „Reaktorrohrs“ in einem Vakuumständer

Während der Entwicklung schlugen LANL-Experten das Design eines Kilowatt-Uranreaktors vor und berechneten es. Außerdem führten sie ein kleines Experiment mit seiner Flattop-Kritik-Baugruppe durch, bei der es sich um eine Kugel aus angereichertem Uran handelt, die von einem Berylliumreflektor umgeben ist. Das Experiment bestand darin, ein Mikrostirling und ein Wärmerohr in einer kritischen Baugruppe zu installieren, die es ermöglichten, für eine Weile 25 Watt elektrische Energie aus der Wärme einer Kettenreaktion zu gewinnen, sozusagen Proof of Concept.


Kritische Montage von Flattop und einem beweglichen Berylliumreflektor auf der rechten Seite - Installation eines Wärmerohrs und eines Stirlinggenerators.

Nach einer erfolgreichen Demonstration erhielt das Kilopower-Projekt 16,17 und 18 Jahre lang sofort Mittel von der NASA und der NNSA (diese Agentur ist an der Lagerung, Produktion und dem Handel mit Kernmaterial in den USA beteiligt), was die Schaffung eines Prototyps eines Kilowattgenerators mit einem echten Kernreaktor (!) Und dessen Prüfung vorsieht im Jahr 2018 Nevada. Die Produktion des Reaktors wird von der Y-12-Anlage durchgeführt (normalerweise für die Herstellung von Atomwaffen), der Reflektor wird LANL herstellen, der thermische Teil des Reaktors, ein Vakuumständer und die Biosicherheit für Tests werden vom NASA Marshall Center durchgeführt, Tests des Moduls mit einem Reaktorsimulator (mit einem elektrisch beheizten Urankern mit abgereichertem Urankern) werden durchgeführt im Jahr 2017 im Glenn Center der NASA.


Kilopower-Projektpläne. ISRU - Empfang von Raketentreibstoff vor Ort (auf dem Mars), GRC - NASA Glenn Center, SBIR - Programm zur Entwicklung einer breiten Palette von NASA-Technologien

Vor dem Hintergrund von Projekten "großer" Reaktoren, die alle Kreise der Entwicklung, des Baus von Ständen, der Prüfung von Ständen, der Genehmigung von Sicherheitsbegründungen für Stände durch die Aufsichtsbehörde usw. durchlaufen Seit Jahrzehnten kann sich ein Projekt von solcher Dauer, Einfachheit und mit einer guten Wahrscheinlichkeit, in den Weltraum zu fliegen, nur freuen. Er wird sich noch mehr freuen, wenn er als Energiequelle für eine der fernen Missionen ausgewählt wird, die sich im nächsten Jahrzehnt im Weltraum versammeln.

PS Eine interessante Präsentation der NASA zu Aspekten der Nutzung der Kernenergie bei einer Mission zum Besuch des Mars
PPS Leicht verschwommen (Erklärungen beginnen in der Mitte), aber eher einzigartiges Video über die Entwicklung der späten 80er, frühen 90er Jahre - der Hochtemperatur-Weltraumreaktor SP-100, der hauptsächlich für militärische Zwecke geplant war und teilweise noch klassifiziert ist.