El reactor espacial Kilopower pasa las pruebas en tierra

La NASA realizó una conferencia de prensa sobre el progreso en el desarrollo del reactor espacial Kilopower. Hace un año, describí este proyecto en detalle y luego el desarrollo se puso a prueba de un sistema para convertir el calor en electricidad. Bueno, se puede afirmar que el magnífico progreso del proyecto ha mejorado aún más.


Reactor Kilopower en la luna (render).

En 2017, en el centro de ellos. Glenn NASA realizó una prueba de vacío térmico a gran escala de un prototipo de reactor utilizando un simulador de calor de descomposición eléctrica dentro de un simulador de núcleo de uranio empobrecido. En general, debe tenerse en cuenta que el desarrollo de un mecanismo para transferir calor desde el núcleo a los generadores basado en motores Stirling (en adelante, GDS) utilizando tubos de calor fue casi la parte más difícil e importante del proyecto, por lo que se retrasó durante 3 años. En particular, el desafío es iniciar tuberías de calor de sodio, en las que parte del sodio debe fundirse y evaporarse para que se forme un flujo de calor suficiente, pero no se sobrecaliente. Dada la naturaleza "autónoma" del reactor, esto no es tan simple desde el punto de vista de la ingeniería. El ciclo de prueba final con un blanco de aleación de uranio-molibdeno empobrecido tenía como objetivo probar las transiciones térmicas entre el núcleo (AZ) y las tuberías de calor.



Temperatura de la tubería de calor Kilopower al inicio del sistema. Los termopares están dispuestos en orden ascendente desde el simulador AZ hasta el receptor de calor (extremo caliente del GDS).

Sin embargo, aunque las tuberías de calor de alta temperatura y el GDS son cosas interesantes, todo esto tiene poco que ver con la parte nuclear de Kilopower. Un experimento completo con una fuente de calor nuclear se denominó KRUSTY (Reactor Kilopower con tecnología Stirling) y se llevó a cabo desde el otoño de 2017 hasta marzo de 2018 en el laboratorio DAF ubicado en el sitio de pruebas nucleares de Nevada. En este laboratorio (que solía ser el lugar donde se ensamblaban las cargas nucleares para las explosiones de prueba en el sitio de prueba), ahora se ubican cuatro conjuntos críticos (los conjuntos críticos se denominan reactores nucleares de baja potencia o cero utilizados para verificar los cálculos de neutrones) que utilizan los laboratorios nucleares de EE. UU. Para varios experimentos (incluidos bastante pacífico, por ejemplo, para medir constantes dosimétricas). Por cierto, fue en este laboratorio donde comenzó la historia de Kilopower, porque Es aquí donde se ubica el conjunto crítico Flattop, en el que en 2011 se probó el prototipo conceptual del reactor.


La asamblea crítica es un donante. Para KRUTSY, se utilizan el marco y el sistema móvil inferior.

Para el experimento KRUSTY, se tomó la máquina Comet, que solía ser una mitades desplazadas verticalmente de blancos de uranio y reflectores. Ahora, el Kilopower real con una cámara de vacío se colocó en la parte superior, y un reflector de óxido de berilio se empujó sobre el blanco de uranio enriquecido con un sistema móvil.


Montaje de una máquina Comet y un reactor Kilopower utilizado en el experimento KRUSTY. El reactor se lanza deslizando el reflector lateral de óxido de berilio sobre el núcleo del reactor.

Después de ensamblar el núcleo (que, por cierto, es un subgénero separado, con un montón de restricciones sobre la presencia de varias personas y materiales), el sistema se probó en caso de falla de varios sistemas. La NASA escribe "conducido sin energía" aquí, pero una imagen ligeramente diferente emerge del plan de experimentos.



Montaje del núcleo de un prototipo de reactor espacial. Una de las restricciones más comunes cuando se trabaja con ensambles críticos es la restricción de la presencia de personas cercanas (por ejemplo, no más de 2 personas en un radio de 2 metros), para no tentar al destino por la presencia de una gran cantidad de reflectores de agua alrededor del material del arma. Los elementos ensamblados por los ingenieros se describen en la siguiente imagen:



Luego, se realizó una puesta en marcha física del reactor sin un sistema de conversión con mediciones de las características de reactividad del reflector y las propiedades de propagación del sistema y, a juzgar por los planes, una varilla de absorción de arranque hecha de carburo de boro, que está diseñada en el centro del núcleo y asegura que el reactor no arranque en caso de emergencia, por ejemplo, lanzamiento en órbita.



Los experimentos planificados incluyeron entradas de reactividad cuando el reactor estaba frío a $ 0,8 y $ 3 ($ 1 significa un exceso de criticidad igual a la fracción de neutrones retrasados, después de lo cual la tasa de aceleración del reactor aumenta bruscamente). En este caso, la potencia de neutrones aumenta (en el caso de ingresar $ 3 - rápido) hasta que el calentamiento y la expansión del combustible introducen reactividad negativa y el reactor se "calma" a un cierto nivel de potencia.



De acuerdo con los planos de la diapositiva anterior, se debían medir las propiedades de propagación de varios elementos de ensamblaje a diferentes temperaturas.

Cabe señalar aquí que el comunicado de prensa de la NASA / DOE es muy tacaño con los detalles, lo que realmente se hizo, pero estoy 99% seguro de que estas mediciones se llevaron a cabo en el invierno. Sin una verificación experimental de las propiedades de reproducción del reactor, estaría destinado para siempre a permanecer en papel y no se le permitiría arrancar.


Instalación de una cámara de vacío en la "parte de conversión" de Kilopower durante las pruebas de invierno.

Finalmente, se realizaron pruebas exhaustivas del sistema con la puesta en marcha del reactor y el sistema de conversión, salida a nominal y funcionamiento a potencia. La prueba completa tomó 28 horas, desde el gráfico de calentamiento de los tubos de calor de arriba, podemos suponer que la experiencia parecía "comenzar en 4 horas + 24 horas de operación a su valor nominal". Si las pruebas se realizaron en el autocontrol del reactor (un cambio en la potencia térmica cuando la carga cambió), no se informa, pero una imagen del comunicado de prensa sugiere que sí, se llevó a cabo lo siguiente:


Altamente cliqueable

En el fondo hay bastidores de control de ensamblaje crítico GODIVA IV y Comet, en las pantallas se puede ver el soporte de Comet con Kilopower, el reflector está en modo de "inicio" y la nieve en las pantallas de la cámara también insinúa que este es el momento de una larga carrera. En las pantallas de la mesa posterior, debemos asumir algún tipo de parámetros de ensamblaje nuclear, en las pantallas más cercanas a nosotros hay gráficos de temperatura con termopares y el estado de los sistemas y la instrumentación. Se puede imaginar que los dientes en los gráficos de temperatura incluyen cargas adicionales. Los planes para esta ejecución también confirman estas ideas:



En una conferencia de prensa, un ingeniero de la NASA también señaló que "el equipo probó la secuencia de inicio, los parámetros durante la operación a un valor nominal y la eficiencia, y el sistema cumple con los requisitos para todos los parámetros medidos".

De una forma u otra, para la NASA / DOE, este es un paso significativo. En los últimos 40 años, ni un solo proyecto de reactor espacial civil ha alcanzado el lanzamiento físico, aunque han pasado muchas etapas de desarrollo y pruebas de vacío térmico. Se sabe menos acerca de los proyectos militares, al menos para el reactor SP-100 las pruebas fueron muy lejos; es posible que se haya probado en forma de criterio de potencia cero. Este éxito es increíble en el contexto de las décadas que pasaron los proyectos anteriores que no alcanzaron las pruebas completas. Sin embargo, a pesar del excelente concepto y el desarrollo exitoso del terreno, el futuro de Kilopower no está claro.


Conceptos de misión para objetivos en el cinturón de Kuiper que utilizan la versión de 10 kilovatios de Kilopower para proporcionar tracción a los vehículos.

El alcance de dicho reactor, aunque relativamente grande, pero tampoco tan grande: reemplazar RTG en misiones de estaciones interplanetarias automáticas más allá de la órbita de Júpiter, en el caso de desarrollar una versión de 10 kW, también proporciona energía eléctrica a misiones tripuladas a la luna (aunque el problema con respecto a las misiones al polo lunar controvertido ) y lo más importante: el suministro de energía de las misiones ERD a los cuerpos distantes del sistema solar. La última opción, llamada Propulsión eléctrica nuclear, es la más productiva en términos de mejorar las capacidades de las naves espaciales y le permite alcanzar objetivos que no se pueden lograr en los motores de cohetes químicos, como las órbitas de Charon, Plutón y otros cuerpos del cinturón de Kuiper.

Sin embargo, aún se necesita desarrollar una versión de 10 kilovatios. Usar los tubos de calor de 380 vatios, que se encuentra en el prototipo, es imposible, y en general la tarea de eliminar 40 kilovatios de calor de un blanco relativamente pequeño de uranio sin un refrigerante en movimiento parece difícil. Es posible que el desarrollo de un reactor de 10 kilovatios se prolongue durante mucho tiempo, y sería bueno encontrar consumidores para la versión de 1 kilovatio, para que el reactor vuele.

Reemplazar los RTG (especialmente sus versiones con GDS) no da mucho debido al peso propio de Kilopower, además de los dispositivos potencialmente más baratos (los RTG le cuestan a la NASA alrededor de $ 100 millones por kilovatio, claramente más caro que Kilopower). ¡El diseño convencional de la nave espacial de la NASA continúa haciendo estimaciones utilizando RTG de plutonio!


Las misiones planificadas de la NASA a Neptuno y Urano aún llevan RTG a bordo: el desarrollo de la fuente de energía a bordo Curiocity.

Las bases tripuladas / misiones a largo plazo en algún lugar de la Luna o Marte han permanecido en la fase conceptual durante muchas décadas, y no parece que este sea el caballo que pueda llevar a Kilopower al espacio. En realidad, incluso los AMS distantes proporcionan una tasa de lanzamiento de una vez cada 10 años, o incluso menos. Parece que la NASA debería dar el siguiente paso, encontrar una misión digna para Kilopower y hacerlo lo antes posible. Esperamos que en el próximo año veamos una elección que brinde la mejor oportunidad de un nuevo reactor nuclear en el espacio, que no hemos visto en mucho tiempo.