Reactor espacial Kilopower

Un interesante proyecto de la NASA / DOE me eludió en preparación para revisiones previas de reactores espaciales [ 1 , 2 , 3 ]. Esta es la versión más ligera y más simple de un reactor nuclear, diseñado para reemplazar los RTG de plutonio en misiones espaciales de largo alcance y el suministro de energía de pequeñas bases de astronautas, en cualquier caso, según los creadores.

El proyecto es interesante porque se descartan muchas convenciones de apariencia que prevalecen en diferentes reactores de papel, y el bajo nivel de complejidad nos permite hacer que el diseño sea tan simple como el de RTG, que, de hecho, puede llevar este proyecto al éxito. Un diseño simple y una ideología correcta nos permiten pasar por las etapas de desarrollo a una velocidad muy alta, lo que no es típico en los diseños de reactores nucleares espaciales de décadas.


El aspecto conceptual de Kilopower, de izquierda a derecha: radiadores más fríos, 2 conjuntos de generadores Stirling, protección contra la radiación y tubos de calor, un reflector del reactor de óxido de berilio (dentro del reactor).

La potencia de Kilopower debe ser de 1 a 10 kW eléctrica (y 4 veces más alta - térmica, lo que proporciona una eficiencia del 25%), y debe ajustarse a una misión específica. Lo que es interesante, según tengo entendido, solo la parte termoeléctrica cambiará de la energía, y la parte nuclear seguirá siendo aproximadamente la misma para todas las opciones. El reactor que se está desarrollando en el laboratorio estadounidense LANL, es un cilindro hecho de una aleación de 7% de molibdeno y uranio 235 altamente enriquecido, que (HEU), por alguna razón, los desarrolladores de reactores espaciales tienen miedo, aunque parece que todavía no han encontrado terroristas y dictadores más allá de la órbita de Júpiter. El diámetro del cilindro es de ~ 11 cm, longitud de 25 cm, peso ~ 35 kg, en el interior hay un canal de 3,7 cm de diámetro, donde se encuentra la única barra de carburo de boro.



El molibdeno en una aleación con uranio se necesita aquí para impartir resistencia mecánica y estabilidad del uranio a las transiciones de fase durante el calentamiento, y la reactividad está regulada por una varilla absorbedora de neutrones del carburo de boro: en el estado insertado, el reactor es subcrítico incluso cuando entra al agua, se elimina (de una vez por todas). va al supercrítico y ganando energía térmica. La potencia está regulada por la geometría del reactor y el reflector, que se selecciona de modo que cuando se calienta a 1200 K, la expansión térmica de la aleación de uranio del reactor reducirá Keff (el coeficiente del número de neutrones en la próxima generación) estrictamente a 1, y luego se calentará por una reacción en cadena durante más de 10 años.


La placa con el Kaff calculado del reactor: 1) un reactor frío con una varilla extraída, 2) un reactor frío con una varilla insertada, 3) un reactor calentado con una varilla extraída al comienzo del trabajo 4) un reactor calentado con una varilla extraída después de 10 años de agotamiento.

El reactor está rodeado por un reflector de neutrones (para reducir la masa crítica) de óxido de berilio, en el que se insertan tubos de calor, y esta es absolutamente la estructura completa del reactor. Entre el bloque de convertidores de energía y el núcleo hay una protección contra la radiación segmentada (sombra, protegiendo solo en un sentido) de las capas de hidruro de litio y tungsteno.

Lo más sorprendente en mi opinión es la ausencia de un caparazón cerca del núcleo de uranio: no es necesario en el espacio, este reactor nunca se inicia en la tierra. Solo queda envidiar el pensamiento descarado y la falta de vigilancia atómica en la órbita de Neptuno.


El núcleo del reactor y dos opciones para fijarle tubos de calor. Por cierto, la unión de las tuberías de calor al uranio es uno de los problemas inesperadamente complejos en este desarrollo, principalmente porque los elementos restantes del reactor son simples o gastados.

El calor extraído del núcleo y el reflector por las tuberías de calor se suministra a los extremos calientes de los generadores Stirling (en diferentes diseños del reactor tienen diferentes cantidades y capacidades, pero aparentemente algo de 4-16 piezas), y sus extremos fríos están conectados a los refrigeradores-emisores. Aquí también hay una simplicidad robusta en el diseño: las tuberías de calor se usan ampliamente en las naves espaciales, y la NASA ha estado probando los generadores Stirling para obtener espacio durante la segunda década. Al mismo tiempo, se cree que la estructura de gas cerrada de Stirling es mejor que la ramificada y que requiere mucho diseño de equipos de convertidores turboeléctricos (en el ciclo de Brighton, de moda llamados unidades de Brayton rotativas en artículos occidentales).


Probado en 2016 en el Centro Glenn de la NASA, un ensamblaje de un simulador de un reactor (de una aleación de uranio empobrecido calentado por elementos de calentamiento) y 8 generadores Stirling ensamblados en pares en 4 ensamblajes. Banco de pruebas para la operación del sistema en vacío.

Kilopower difiere del diseño de la competencia de RTG con Pu238 por un precio significativamente mayor (35 kg de uranio altamente enriquecido cuesta aproximadamente $ 0.5 millones, en comparación con aproximadamente $ 50 millones por 45 kg de Pu238 necesarios para un kilovatio RTG), y mucho menos problemas de manejo al preparar la nave espacial y su lanzamiento, sin embargo, hoy los desarrolladores de LANL están hablando de una vida útil del reactor de diez años, mientras que RTG y Voyagers han estado funcionando durante 40 años, en algún lugar esto puede ser una circunstancia importante.


Sitio de prueba en Nevada, donde se llevarán a cabo las pruebas del reactor y el generador Stirling, que permaneció con la NASA después del programa para crear RTG con Stirlings.

El período de operación de diez años, aparentemente, está limitado principalmente por la parte mecánica del reactor (generadores Stirling). En cualquier caso, el núcleo de uranio en 10 años de operación a una potencia de 4 kilovatios (térmica) tendrá tiempo para quemarse en menos del 0.1%, y la hinchazón y el daño al material equivaldrán a aproximadamente 1/10 de la expansión térmica, la reducción de potencia debido al envenenamiento también se reconoce como insignificante.

Video de LANL sobre el proyecto (en inglés).

Una circunstancia importante para el espacio es la masa del reactor. La NASA construye sus RTG a partir de cubos, con una versión mínima en forma de MMRTG que pesa 45 kg y una potencia de 125 vatios, también hay un GPHS-RTG que pesa aproximadamente 60 kg y una potencia de 300 vatios eléctricos, mientras que la versión mínima de Kilopower es de 1 kW pesa unos 300 kg, de los cuales el reactor y la protección radiológica pesan unos 230 kg. Desafortunadamente, no todos los dispositivos de la NASA enviados al espacio profundo tienen una reserva masiva de 100-250 kg, incluso debido al ahorro de $ 50 millones en plutonio 238.


Diferentes opciones de fuentes de energía que pueden crearse en base a Kilopower.

En principio, los desarrolladores de Kilopower ciertamente habrían estado a caballo si el DOE no hubiera reanudado recientemente el programa de producción de Pu238 ; después de todo, en 2011, cuando se lanzó el proyecto para este reactor espacial, la posibilidad de restaurar la producción de Pu238 todavía era hipotética, lo que avivó el interés a las alternativas.


Un poco más de hierro: pruebas de tuberías de calor y un modelo térmico de una "tubería de reactor" en un soporte de vacío

Durante el desarrollo, los expertos de LANL propusieron y calcularon el diseño de un reactor de uranio kilovatio, y más, realizaron un pequeño experimento en su conjunto de crítica Flattop, que es una bola de uranio enriquecido rodeada por un reflector de berilio. El experimento consistió en instalar un microstirling y una tubería de calor en un conjunto crítico, lo que permitió obtener 25 vatios de energía eléctrica del calor de una reacción en cadena durante un tiempo, prueba de concepto, por así decirlo.


Montaje crítico de Flattop y un reflector móvil de berilio, en el lado derecho: instalación de un tubo de calor y un generador de stirling.

Después de una demostración exitosa, el proyecto Kilopower recibió financiación inmediata de la NASA y la NNSA (esta es una agencia dedicada al almacenamiento, producción y tráfico de materiales nucleares en los EE. UU.) Durante 16,17 y 18 años, lo que prevé la creación de un prototipo de generador de kilovatios con un reactor nuclear real (!) Y probándolo en 2018 Nevada. La producción del reactor será realizada por la planta Y-12 (generalmente dedicada a la producción de armas nucleares), el reflector fabricará LANL, la parte térmica del reactor, el soporte de vacío y la bioseguridad para las pruebas serán realizadas por el Centro Marshall de la NASA, las pruebas del módulo con un simulador de reactor (con un núcleo de uranio empobrecido calentado eléctricamente) en 2017 en el Centro Glenn de la NASA.


Planes de proyecto de Kilopower. ISRU - recibiendo combustible para cohetes en el sitio (en Marte), GRC - NASA Glenn Center, SBIR - programa para el desarrollo de una amplia gama de tecnologías de la NASA

En el contexto de proyectos de reactores "grandes" que pasan por todos los círculos de desarrollo, construcción de stands, pruebas en stands, aprobación por parte del regulador de justificaciones de seguridad para stands, etc. Durante décadas, un proyecto de tal duración, simplicidad y con una buena probabilidad de volar al espacio no puede dejar de alegrarse. Comenzará a alegrarse aún más si es seleccionado como fuente de energía para una de las misiones distantes que se reúnen en el espacio en la próxima década.

PD Una interesante presentación de la NASA sobre aspectos del uso de la energía nuclear en una misión para visitar Marte.
PPS Ligeramente arrastrado (las explicaciones comienzan en el medio), pero un video único sobre el desarrollo de finales de los 80 y principios de los 90: el reactor espacial de alta temperatura SP-100, planeado principalmente para uso militar, todavía parcialmente clasificado.