Reaktor Ruang Kilopower

Proyek NASA / DOE yang menarik luput dari saya dalam persiapan untuk ulasan sebelumnya tentang reaktor ruang angkasa [ 1 , 2 , 3 ]. Ini adalah versi reaktor nuklir yang paling ringan dan paling sederhana, yang dirancang untuk menggantikan RTG plutonium dalam misi ruang angkasa jarak jauh dan catu daya pangkalan astronot kecil, dalam hal apa pun, menurut pencipta.

Proyek ini menarik karena banyak konvensi dalam bentuk yang berlaku di berbagai reaktor kertas dibuang, dan tingkat kompleksitas yang rendah memungkinkan kami untuk membuat desain sesederhana RTG, yang, pada kenyataannya, dapat mengarahkan proyek ini menuju kesuksesan. Desain yang sederhana dan ideologi yang benar memungkinkan kita untuk melewati tahap pengembangan dengan kecepatan yang sangat tinggi, yang tidak biasa untuk desain reaktor nuklir luar angkasa selama beberapa dekade.


Tampilan konseptual dari Kilopower, dari radiator pendingin ke kiri, 2 rakitan generator Stirling, proteksi radiasi dan pipa panas, reflektor reaktor berilium oksida (di dalam reaktor).

Daya kilopower harus dari 1 hingga 10 kW listrik (dan 4 kali lebih tinggi - panas, yang memberikan efisiensi 25%), dan disesuaikan dengan misi tertentu. Apa yang menarik, seperti yang saya mengerti, hanya bagian panas-listrik yang akan berubah dari daya, dan bagian nuklir akan tetap kira-kira sama untuk semua opsi. Reaktor yang dikembangkan di laboratorium Amerika LANL, adalah sebuah silinder yang terbuat dari paduan 7% molybdenum dan uranium 235 yang sangat diperkaya, yang (HEU), untuk beberapa alasan, para pengembang reaktor ruang angkasa takut, walaupun tampaknya mereka belum menemukan teroris dan diktator di orbit Jupiter. Diameter silinder ~ 11 cm, panjang 25 cm, berat ~ 35 kg, di dalamnya ada saluran berdiameter 3,7 cm, di mana satu-satunya batang boron karbida berada.



Molibdenum dalam paduan dengan uranium diperlukan di sini untuk memberikan kekuatan mekanik dan stabilitas uranium ke fase transisi selama pemanasan, dan reaktivitas diatur oleh batang penyerap neutron dari boron karbida - dalam keadaan dimasukkan, reaktor bersifat subkritis bahkan ketika memasuki air, dihilangkan (sekali dan untuk semua) - pergi ke kekuatan termal superkritis dan mendapatkan. Daya diatur oleh geometri reaktor dan reflektor, yang dipilih sehingga ketika dipanaskan hingga 1200 K, ekspansi termal paduan uranium reaktor mengurangi Keff (koefisien jumlah neutron pada generasi berikutnya) secara ketat menjadi 1, dan kemudian akan dipanaskan dengan reaksi berantai selama lebih dari 10 tahun.


Pelat dengan perhitungan Kaff reaktor: 1) reaktor dingin dengan batang yang dilepas, 2) reaktor dingin dengan batang yang dimasukkan, 3) reaktor yang dipanaskan dengan batang yang dilepas pada awal pekerjaan, 4) reaktor yang dipanaskan dengan batang yang dilepas setelah 10 tahun kejenuhan.

Reaktor dikelilingi oleh reflektor neutron (untuk mengurangi massa kritis) berilium oksida, di mana pipa panas dimasukkan - dan ini benar-benar seluruh struktur reaktor itu sendiri. Di antara blok konverter energi dan inti ada proteksi radiasi tersegmentasi (bayangan, hanya satu arah) dari lapisan lithium hidrida dan tungsten.

Hal yang paling menakjubkan menurut saya adalah tidak adanya cangkang di dekat inti uranium - tidak diperlukan di ruang angkasa, reaktor ini tidak pernah dimulai di bumi. Tetap hanya untuk iri dengan pemikiran yang tidak terluka dan kurangnya pengawasan atom di orbit Neptunus.


Inti reaktor dan dua opsi untuk memasang pipa panas padanya. Kebetulan, pemasangan pipa panas ke uranium adalah salah satu masalah kompleks yang tak terduga dalam pengembangan ini, terutama karena elemen sisa reaktor sederhana atau dihabiskan.

Panas yang dikeluarkan dari inti dan reflektor oleh pipa panas disuplai ke ujung panas dari generator Stirling (dalam desain yang berbeda dari reaktor mereka memiliki jumlah dan kapasitas yang berbeda, tetapi tampaknya sekitar 4-16 buah), dan ujung dinginnya terhubung ke penghasil-kulkas. Di sini, juga, ada kesederhanaan yang kuat dalam desain - pipa panas banyak digunakan di pesawat ruang angkasa, dan NASA telah menguji generator Stirling untuk ruang untuk dekade kedua. Pada saat yang sama, diyakini bahwa struktur gas tertutup Stirling lebih baik daripada yang bercabang dan membutuhkan banyak desain peralatan konverter turboelektrik (pada siklus Brighton, yang secara modis disebut memutar unit Brayton dalam artikel Barat).


Diuji pada tahun 2016 di NASA Glenn Center, rakitan simulator reaktor (dari paduan uranium yang dipanaskan oleh elemen pemanas) dan 8 generator Stirling yang dipasang berpasangan dalam 4 rakitan. Bangku uji untuk operasi sistem dalam ruang hampa.

Kilopower berbeda dari desain RTG yang bersaing dengan Pu238 dengan murahnya yang secara signifikan lebih besar (35 kg uranium yang sangat diperkaya harganya sekitar $ 0,5 juta, dibandingkan dengan sekitar $ 50 juta untuk 45 kg Pu238 yang dibutuhkan untuk kilowatt RTG), dan jauh lebih sedikit menangani masalah saat menyiapkan pesawat ruang angkasa. dan peluncurannya, namun hari ini pengembang LANL berbicara tentang kehidupan reaktor selama sepuluh tahun, sementara RTG dan Voyager telah beroperasi selama 40 tahun - di suatu tempat ini mungkin merupakan keadaan yang penting.


Situs pengujian di Nevada, di mana tes reaktor dan generator Stirling, yang tetap dengan NASA setelah program untuk membuat RTG dengan Stirlings, akan diadakan.

Periode operasi sepuluh tahun, tampaknya, terutama dibatasi oleh bagian mekanis reaktor (generator Stirling). Dalam kasus apa pun, inti uranium dalam 10 tahun beroperasi dengan daya 4 kilowatt (termal) akan memiliki waktu untuk terbakar kurang dari 0,1%, dan pembengkakan dan kerusakan pada material akan berjumlah sekitar 1/10 dari ekspansi termal, pengurangan daya karena keracunan juga diakui sebagai tidak signifikan.

Video LANL tentang proyek (dalam bahasa Inggris).

Keadaan penting untuk ruang adalah massa reaktor. NASA membangun RTG-nya dari kubus, dengan versi minimum dalam bentuk MMRTG dengan berat 45 kg dan daya 125 watt, ada juga GPHS-RTG dengan berat sekitar 60 kg dan daya 300 watt listrik, sedangkan versi minimum Kilopower adalah 1 kW beratnya sekitar 300 kg, dimana reaktor dan proteksi radiasi berbobot sekitar 230 kg. Sayangnya, tidak semua perangkat NASA yang dikirim ke luar angkasa memiliki cadangan massal 100-250 kg, bahkan karena penghematan $ 50 juta pada plutonium 238.


Pilihan berbeda untuk sumber energi yang dapat dibuat berdasarkan Kilopower.

Pada prinsipnya, pengembang Kilopower pasti akan berkuda jika DOE belum baru-baru ini melanjutkan program produksi Pu238 - setelah semua, pada tahun 2011, ketika proyek untuk reaktor ruang angkasa ini benar-benar diluncurkan, kemungkinan memulihkan produksi Pu238 masih hipotetis, yang memicu minat ke alternatif.


Setrika lebih sedikit - tes pipa panas dan model termal "pipa reaktor" di penyedot debu

Selama pengembangan, para ahli LANL mengusulkan dan menghitung desain reaktor uranium kilowatt, dan banyak lagi - melakukan percobaan kecil pada rakitan kritik Flattop, yang merupakan bola uranium yang diperkaya yang dikelilingi oleh reflektor berilium. Percobaan terdiri dalam memasang microstirling dan pipa panas dalam rakitan kritis, yang memungkinkan untuk memperoleh 25 watt energi listrik dari panas reaksi berantai untuk sementara waktu, bukti konsep, bisa dikatakan.


Rakitan kritis Flattop dan reflektor berilium bergerak, di sisi kanan - pemasangan pipa panas dan generator pengaduk untuknya.

Setelah demonstrasi yang sukses, proyek Kilopower segera menerima dana dari NASA dan NNSA (agensi ini terlibat dalam penyimpanan, produksi, dan perdagangan bahan nuklir di AS) selama 16,17 dan 18 tahun, yang menyediakan pembuatan prototipe kilowatt generator dengan reaktor nuklir nyata (!) Dan pengujiannya di 2018 Nevada. Produksi reaktor akan dilakukan oleh pabrik Y-12 (biasanya terlibat dalam produksi senjata nuklir), reflektor akan memproduksi LANL, bagian termal reaktor, ruang hampa udara dan biosecurity untuk pengujian akan dilakukan oleh NASA Marshall Center, tes modul dengan simulator reaktor (dengan inti uranium yang dipanaskan secara elektrik) akan dilakukan pada 2017 di Glenn Center NASA.


Rencana proyek kilopower. ISRU - menerima bahan bakar roket di lokasi (di Mars), GRC - NASA Glenn Center, SBIR - program untuk pengembangan berbagai teknologi NASA

Terhadap latar belakang proyek reaktor "besar" yang melewati semua lingkaran pengembangan, pembangunan tegakan, pengujian di tegakan, persetujuan oleh regulator pembenaran keselamatan untuk tegakan, dll. selama beberapa dekade, proyek dengan durasi, kesederhanaan, dan probabilitas yang bagus untuk terbang ke luar angkasa tidak bisa lain kecuali bersukacita. Dia akan mulai lebih bersukacita jika dia dipilih sebagai sumber energi untuk salah satu misi yang jauh berkumpul di luar angkasa dalam dekade berikutnya.

PS Presentasi yang menarik oleh NASA mengenai aspek penggunaan energi nuklir dalam misi untuk mengunjungi Mars
PPS Sedikit cadel (penjelasan dimulai di tengah), tetapi video yang agak unik tentang perkembangan akhir 80-an, awal 90-an - reaktor ruang suhu tinggi SP-100, direncanakan terutama untuk penggunaan militer, masih sebagian diklasifikasikan.