Réacteur spatial Kilopower

Un projet intéressant de la NASA / DOE m'a échappé en préparation des examens précédents des réacteurs spatiaux [ 1 , 2 , 3 ]. Il s'agit de la version la plus légère et la plus simple d'un réacteur nucléaire, conçue pour remplacer les RTG au plutonium dans les missions spatiales à longue portée et l'alimentation en énergie de petites bases d'astronautes, en tout cas, selon les créateurs.

Le projet est intéressant car de nombreuses conventions d'apparence qui prévalent dans différents réacteurs à papier sont rejetées, et le faible niveau de complexité nous permet de rendre la conception aussi simple que celle des RTG, ce qui, en fait, peut mener ce projet vers le succès. Une conception simple et une idéologie correcte nous permettent de passer par les étapes de développement à une vitesse très élevée, ce qui n'est pas typique des conceptions de réacteurs nucléaires spatiaux de plusieurs décennies.


L'aspect conceptuel de Kilopower, de gauche à droite - radiateurs plus froids, 2 groupes électrogènes Stirling, radioprotection et caloducs, réflecteur de réacteur à oxyde de béryllium (à l'intérieur du réacteur).

La puissance kilopuissance devrait être de 1 à 10 kW électrique (et 4 fois plus élevée - thermique, ce qui donne une efficacité de 25%), et être réglée sur une mission spécifique. Ce qui est intéressant, si je comprends bien, seule la partie thermo-électrique changera de puissance, et la partie nucléaire restera en fait à peu près la même pour toutes les options. Le réacteur en cours de développement dans le laboratoire américain LANL, est un cylindre fait d'un alliage de 7% de molybdène et d'uranium 235 hautement enrichi, ce qui (HEU), pour une raison quelconque, a peur des développeurs de réacteurs spatiaux, bien qu'il semble qu'ils n'aient pas encore trouvé de terroristes et de dictateurs au-delà de l'orbite de Jupiter. Le diamètre du cylindre est ~ 11 cm, longueur 25 cm, poids ~ 35 kg, à l'intérieur il y a un canal de 3,7 cm de diamètre, où se trouve la seule tige de carbure de bore.



Le molybdène dans un alliage avec de l'uranium est nécessaire ici pour conférer une résistance mécanique et une stabilité de l'uranium aux transitions de phase pendant le chauffage, et la réactivité est régulée par une tige d'absorption de neutrons en carbure de bore - à l'état inséré, le réacteur est sous-critique même lorsqu'il entre dans l'eau, retiré (une fois pour toutes) - va au supercritique et gagne en puissance thermique. La puissance est régulée par la géométrie du réacteur et du réflecteur, qui est choisi pour que lorsqu'il est chauffé à 1200 K, l'expansion thermique de l'alliage d'uranium du réacteur réduit strictement le Keff (le coefficient du nombre de neutrons de la prochaine génération) à 1, puis il sera chauffé par une réaction en chaîne pendant plus de 10 ans.


La plaque avec le Kaff calculé du réacteur: 1) un réacteur froid avec une tige retirée, 2) un réacteur froid avec une tige insérée, 3) un réacteur chauffé avec une tige retirée au début des travaux 4) un réacteur chauffé avec une tige retirée après 10 ans d'épuisement.

Le réacteur est entouré d'un réflecteur à neutrons (pour réduire la masse critique) d'oxyde de béryllium, dans lequel des caloducs sont insérés - et c'est absolument toute la structure du réacteur lui-même. Entre le bloc de convertisseurs d'énergie et le cœur se trouve une radioprotection segmentée (ombre, ne protégeant que dans un sens) contre les couches d'hydrure de lithium et de tungstène.

La chose la plus étonnante à mon avis est l'absence d'un obus près du cœur d'uranium - il n'est pas nécessaire dans l'espace, ce réacteur ne démarre jamais sur terre. Il ne reste plus qu'à envier la pensée non étayée et le manque de surveillance atomique dans l'orbite de Neptune.


Le cœur du réacteur et deux options pour y fixer des caloducs. Soit dit en passant, la fixation de caloducs à l'uranium est l'un des problèmes complexes inattendus de ce développement, principalement parce que les éléments restants du réacteur sont simples ou usés.

La chaleur évacuée du cœur et du réflecteur par les caloducs est fournie aux extrémités chaudes des générateurs Stirling (dans différentes conceptions du réacteur, elles ont des quantités et des capacités différentes, mais apparemment quelque chose comme 4-16 pièces), et leurs extrémités froides sont connectées aux réfrigérateurs-émetteurs. Ici aussi, la conception est d'une simplicité robuste - les caloducs sont largement utilisés dans les vaisseaux spatiaux, et la NASA a testé les générateurs Stirling pour l'espace pendant la deuxième décennie. Dans le même temps, on pense que la structure de gaz fermée de Stirling est meilleure que la ramification et nécessite beaucoup de conception d'équipement de convertisseurs turboélectriques (sur le cycle de Brighton, à la mode dans les articles occidentaux comme unités rotatives de Brayton).


Testé en 2016 au NASA Glenn Center, un assemblage d'un simulateur de réacteur (à partir d'un alliage d'uranium appauvri chauffé par des éléments chauffants) et 8 générateurs Stirling assemblés par paire en 4 assemblages. Banc d'essai pour le fonctionnement du système sous vide.

Kilopuissance diffère de la conception concurrente des RTG avec Pu238 par un coût nettement plus élevé (35 kg d'uranium hautement enrichi coûte environ 0,5 million de dollars, contre environ 50 millions de dollars pour 45 kg de Pu238 nécessaires pour un RTG de kilowatt), et beaucoup moins de problèmes de manipulation lors de la préparation du vaisseau spatial et son lancement, mais aujourd'hui, les développeurs LANL parlent d'une durée de vie de dix ans du réacteur, tandis que les RTG et Voyagers fonctionnent depuis 40 ans - quelque part, cela peut être une circonstance importante.


Site d'essai au Nevada, où se tiendront les essais du réacteur et du générateur Stirling, qui sont restés à la NASA après le programme de création de RTG avec Stirlings.

La période d'exploitation de dix ans est apparemment limitée principalement par la partie mécanique du réacteur (générateurs Stirling). Dans tous les cas, le cœur d'uranium en 10 ans de fonctionnement à une puissance de 4 kilowatts (thermique) aura le temps de brûler moins de 0,1%, et le gonflement et les dommages au matériau représenteront environ 1/10 de l'expansion thermique, et la réduction de puissance due à l'empoisonnement est également reconnue comme insignifiante.

Vidéo LANL sur le projet (en anglais).

Une circonstance importante pour l'espace est la masse du réacteur. La NASA construit ses RTG à partir de cubes, avec une version minimale sous forme de MMRTG pesant 45 kg et une puissance de 125 watts, il existe également un GPHS-RTG pesant environ 60 kg et une capacité de 300 watts électriques, tandis que la version minimale de Kilopower avec une puissance de 1 kW pèse environ 300 kg, dont le réacteur et la radioprotection pèsent environ 230 kg. Malheureusement, tous les appareils de la NASA envoyés dans l'espace lointain n'ont pas une réserve de masse de 100 à 250 kg, même en raison des économies de 50 millions de dollars sur le plutonium 238.


Différentes options pour les sources d'énergie qui peuvent être créées sur la base de Kilopower.

En principe, les développeurs de Kilopower auraient certainement été à cheval si le DOE n'avait pas récemment repris le programme de production de Pu238 - après tout, en 2011, lorsque le projet de ce réacteur spatial a été réellement lancé, la possibilité de restaurer la production de Pu238 était encore hypothétique, ce qui a alimenté l'intérêt aux alternatives.


Un peu plus de fer - tests de caloducs et d'un modèle thermique d'un «tube réacteur» dans une cuve à vide

Au cours du développement, les experts LANL ont proposé et calculé la conception d'un réacteur à uranium kilowatt, et plus encore - ont mené une petite expérience sur leur assemblage critique Flattop, qui est une boule d'uranium enrichi entourée d'un réflecteur en béryllium. L'expérience a consisté à installer un microstirling et un caloduc dans un ensemble critique, ce qui a permis d'obtenir 25 watts d'énergie électrique de la chaleur d'une réaction en chaîne pendant un certain temps, preuve de concept, pour ainsi dire.


Assemblage critique de Flattop et d'un réflecteur mobile en béryllium, sur le côté droit - installation d'un caloduc et d'un générateur stirling.

Après une démonstration réussie, le projet Kilopower a reçu immédiatement un financement de la NASA et de la NNSA (cette agence est impliquée dans le stockage, la production et le trafic de matières nucléaires aux USA) pendant 16,17 et 18 ans, ce qui prévoit la création d'un prototype de générateur de kilowatt avec un vrai réacteur nucléaire (!) Et ses essais en 2018 Nevada. La production du réacteur sera réalisée par l'usine Y-12 (généralement engagée dans la production d'armes nucléaires), le réflecteur fabriquera LANL, la partie thermique du réacteur, un stand de vide et la biosécurité pour les tests seront effectués par le NASA Marshall Center, des tests du module avec un simulateur de réacteur (avec un noyau d'uranium appauvri chauffé électriquement) seront effectués en 2017 au Glenn Center de la NASA.


Plans du projet Kilopower. ISRU - réception de carburant de fusée sur site (sur Mars), GRC - NASA Glenn Center, SBIR - programme de développement d'une large gamme de technologies de la NASA

Dans le cadre de projets de "grands" réacteurs qui traversent tous les cercles de développement, construction de stands, tests de stands, approbation par le régulateur des justifications de sûreté des stands, etc. pendant des décennies, un projet d'une telle durée, simplicité et avec une bonne probabilité de voler dans l'espace ne peut que se réjouir. Il commencera à se réjouir encore plus s'il est sélectionné comme source d'énergie pour l'une des missions lointaines se rassemblant dans l'espace au cours de la prochaine décennie.

PS Une présentation intéressante de la NASA sur les aspects de l'utilisation de l'énergie nucléaire dans une mission pour visiter Mars
PPS Légèrement flou (les explications commencent au milieu), mais vidéo plutôt unique sur le développement de la fin des années 80, début des années 90 - le réacteur spatial à haute température SP-100, qui était prévu principalement pour un usage militaire, encore partiellement classé.