Le réacteur spatial Kilopower passe les tests au sol

La NASA a tenu une conférence de presse sur les progrès réalisés dans le développement du réacteur spatial Kilopower. Il y a un an, j'ai décrit ce projet en détail puis le développement a été mis à l'épreuve d'un système de conversion de chaleur en électricité. Eh bien, on peut dire que la magnifique progression du projet est devenue encore meilleure.


Réacteur Kilopower sur la lune (rendu).

En 2017, au centre d'eux. La NASA de Glenn a effectué un test de vide thermique à grande échelle d'un réacteur prototype en utilisant un simulateur de chaleur de désintégration électrique à l'intérieur d'un simulateur de noyau d'uranium appauvri. En général, il convient de noter que le développement d'un mécanisme de transfert de chaleur du cœur vers des générateurs basés sur des moteurs Stirling (ci-après - GDS) utilisant des caloducs était presque la partie la plus difficile et la plus importante du projet, il a donc été retardé de 3 ans. En particulier, le défi consiste à démarrer des caloducs au sodium, dans lesquels une partie du sodium doit être fondue et évaporée afin qu'un flux de chaleur suffisant se forme, mais ne surchauffe pas. Compte tenu de la nature "autonome" du réacteur, ce n'est pas si simple d'un point de vue technique. Le cycle d'essai final avec une ébauche d'alliage uranium-molybdène appauvri visait à tester les transitions thermiques entre le cœur (AZ) et les caloducs.



Température du caloduc kilopuissance au démarrage du système. Les thermocouples sont disposés par ordre croissant du simulateur AZ au récepteur de chaleur (extrémité chaude du GDS).

Cependant, bien que les caloducs à haute température et le GDS soient des choses intéressantes, tout cela n'avait pas grand-chose à voir avec la partie nucléaire de Kilopower. Une expérience à part entière avec une source de chaleur nucléaire a été baptisée KRUSTY (Kilopower Reactor Using Stirling TechnologY) et a été réalisée de l'automne 2017 à mars 2018 dans le laboratoire DAF situé sur le site d'essais nucléaires du Nevada. Dans ce laboratoire (qui était le lieu de rassemblement des charges nucléaires pour les explosions d'essai sur le site d'essai), quatre assemblages critiques sont maintenant localisés (les assemblages critiques sont appelés réacteurs nucléaires à puissance nulle ou faible utilisés pour vérifier les calculs de neutrons) qui sont utilisés par les laboratoires nucléaires américains pour diverses expériences (y compris assez paisible - par exemple, pour mesurer des constantes dosimétriques). Soit dit en passant, c'est dans ce laboratoire que l'histoire de Kilopower a commencé, car c'est ici que se situe l'ensemble critique Flattop, sur lequel en 2011 le prototype conceptuel du réacteur a été testé.


L'assemblage critique est un donateur. Pour KRUTSY, le cadre et le système mobile inférieur sont utilisés.

Pour l'expérience KRUSTY, la machine Comet a été prise, qui était autrefois une moitié décalée verticalement de blancs d'uranium et de réflecteurs. Maintenant, le Kilopower réel avec une chambre à vide a été placé sur le dessus, et un réflecteur d'oxyde de béryllium a été poussé sur le blanc d'uranium enrichi avec un système mobile.


Assemblage à partir d'une machine Comet et d'un réacteur Kilopower utilisé dans l'expérience KRUSTY. Le réacteur est lancé en faisant glisser le réflecteur latéral d'oxyde de béryllium sur le cœur du réacteur

Après avoir assemblé le noyau (qui, soit dit en passant, est un sous-genre distinct - avec un tas de restrictions sur la présence d'un certain nombre de personnes et de matériaux), le système a été testé en cas de défaillance de divers systèmes. La NASA écrit «menée sans électricité» ici, mais une image légèrement différente émerge du plan d'expériences.



Assemblage du cœur d'un prototype de réacteur spatial. L'une des restrictions les plus courantes lorsque l'on travaille avec des assemblages critiques est la restriction de la présence de personnes à proximité (disons pas plus de 2 personnes dans un rayon de 2 mètres), afin de ne pas tenter le destin par la présence d'un grand nombre de réflecteurs d'eau autour du matériel de l'arme. Les éléments assemblés par les ingénieurs sont décrits dans l'image ci-dessous:



Ensuite, un démarrage physique du réacteur sans système de conversion a été effectué avec des mesures des caractéristiques de réactivité du réflecteur et des propriétés de propagation du système et, à en juger par les plans, une tige absorbante de démarrage en carbure de bore, qui est conçue au centre du cœur et garantit que le réacteur ne démarre pas en cas d'urgence, par exemple, lancement en orbite.



Les expériences prévues comprenaient des entrées de réactivité lorsque le réacteur était froid à 0,8 $ et 3 $ (1 $ signifie un excès de criticité égal à la fraction de neutrons retardés, après quoi le taux d'accélération du réacteur augmente fortement). Dans ce cas, la puissance neutronique augmente (en cas d'entrée de 3 $ - rapide) jusqu'à ce que le chauffage et l'expansion du combustible introduisent une réactivité négative et que le réacteur se "calme" à un certain niveau de puissance.



Selon les plans de la diapositive ci-dessus, les propriétés de propagation de divers éléments d'assemblage à différentes températures devaient être mesurées.

Il convient de noter que le communiqué de presse de la NASA / DOE est très avare de détails, de ce qui a réellement été fait, mais je suis sûr à 99% que ces mesures ont été effectuées en hiver. Sans vérification expérimentale des propriétés d'élevage du réacteur, il serait à jamais destiné à rester papier et ne serait pas autorisé à démarrer.


Installation d'une chambre à vide sur la «pièce de conversion» Kilopower lors des essais hivernaux.

Enfin, des tests complets du système ont été effectués avec le démarrage du réacteur et du système de conversion, sortie à la valeur nominale et fonctionnement à la puissance. L'ensemble du test a duré 28 heures, à partir du graphique de chauffage des caloducs ci-dessus, nous pouvons supposer que l'expérience ressemblait à "commencer en 4 heures + 24 heures de fonctionnement à leur valeur nominale". Si des tests ont été effectués sur l'autocontrôle du réacteur (un changement de puissance thermique lorsque la charge a changé), cela n'est pas rapporté, mais une photo du communiqué de presse suggère que oui, les éléments suivants ont été effectués:


Très cliquable

En arrière-plan, il y a des racks de contrôle d'assemblage critique GODIVA IV et Comet, sur les écrans, vous pouvez voir le stand de Comet avec Kilopower, le réflecteur est en mode «démarrage» et la neige sur les écrans de la caméra indique également que c'est le moment d'une longue course. Sur les écrans du tableau arrière, nous devons supposer une sorte de paramètres d'assemblage nucléaire, sur les écrans les plus proches de nous sont des graphiques de température avec des thermocouples et l'état des systèmes et de l'instrumentation. Les dents sur les graphiques de température peuvent être imaginées comme incluant des charges supplémentaires. Les plans de cette course confirment également ces idées:



Lors d'une conférence de presse, un ingénieur de la NASA a également noté que "l'équipe a testé la séquence de démarrage, les paramètres pendant le fonctionnement à la valeur nominale et l'efficacité - et le système répond aux exigences de tous les paramètres mesurés".

D'une manière ou d'une autre, pour la NASA / DOE, c'est une étape importante. Au cours des 40 dernières années, aucun projet de réacteur spatial civil n'a atteint le lancement physique, bien que de nombreuses étapes de développement et d'essais sous vide thermique soient passées. On en sait moins sur les projets militaires, du moins pour le réacteur SP-100, les tests sont allés très loin - il est possible qu'il ait été testé sous la forme d'un critère de puissance nulle. Ce succès est incroyable dans le contexte des décennies passées par les projets précédents qui n'ont pas atteint la totalité des essais au sol. Cependant, malgré l'excellent concept et le développement réussi du terrain, l'avenir de Kilopower n'est pas clair.


Concepts de mission pour les cibles de la ceinture de Kuiper utilisant la version 10 kilowatts de Kilopower pour assurer la traction des véhicules.

La portée d'un tel réacteur, bien que relativement grande, n'est pas non plus aussi grande: remplacer les RTG dans les missions de stations interplanétaires automatiques au-delà de l'orbite de Jupiter, dans le cas du développement de la version 10 kW, elle fournit également de l'énergie électrique aux missions habitées sur la Lune (bien que la question sur les missions du pôle lunaire) controversée ) et surtout - l’alimentation électrique des missions ERD vers les corps éloignés du système solaire. La dernière option, appelée Nuclear Electrical Propulsion, est la plus productive dans le sens de l'amélioration des capacités des engins spatiaux et vous permet d'atteindre des objectifs qui ne peuvent être atteints sur des moteurs-fusées chimiques, tels que les orbites de Charon, Pluton et d'autres corps de la ceinture de Kuiper.

Cependant, une version de 10 kilowatts doit encore être développée. L'utilisation des caloducs de 380 watts, qui se trouve sur le prototype, cela est impossible, et en général, la tâche d'éliminer 40 kilowatts de chaleur d'un blanc d'uranium relativement petit sans liquide de refroidissement en mouvement semble difficile. Il est possible que le développement d'un réacteur de 10 kilowatts se prolonge pendant longtemps, et il serait bien de trouver des consommateurs pour la version de 1 kilowatt, afin que le réacteur vole.

Le remplacement des RTG (en particulier leurs versions avec GDS) donne peu en raison du propre poids du Kilopower, en plus des appareils potentiellement moins chers (les RTG coûtent environ 100 millions de dollars par kilowatt à la NASA, nettement plus cher que Kilopower). La conception des vaisseaux spatiaux traditionnels de la NASA continue de faire des estimations en utilisant des RTG au plutonium!


Les missions prévues de la NASA à Neptune et Uranus transportent toujours des RTG à bord - le développement de la source d'alimentation embarquée Curiocity.

Les bases habitées / missions à long terme quelque part sur la Lune ou sur Mars sont restées dans la phase conceptuelle pendant de nombreuses décennies, et il ne semble pas que ce soit le cheval qui puisse entraîner Kilopower dans l'espace. En fait, même les AMS distants prévoient un taux de lancement d'une fois tous les 10 ans, voire moins. Il semble que la NASA devrait passer à l'étape suivante, trouver une mission digne pour Kilopower et la réaliser dès que possible. Nous espérons qu'au cours de l'année à venir, nous verrons un tel choix qui donnera les meilleures chances d'un nouveau réacteur nucléaire dans l'espace, ce que nous n'avons pas vu depuis très longtemps.