Reator espacial Kilopower

Um projeto interessante da NASA / DOE me iludiu na preparação para revisões anteriores de reatores espaciais [ 1 , 2 , 3 ]. Esta é a versão mais leve e mais simples de um reator nuclear, projetada para substituir RTGs de plutônio em missões espaciais de longo alcance e fornecimento de energia de pequenas bases de astronautas, de qualquer forma, segundo os criadores.

O projeto é interessante, pois muitas convenções em forma que prevalecem em diferentes reatores de papel são descartadas, e o baixo nível de complexidade nos permite tornar o design tão simples quanto o dos RTGs, o que, de fato, pode levar esse projeto ao sucesso. Um design simples e uma ideologia correta nos permitem passar pelos estágios de desenvolvimento a uma velocidade muito alta, o que não é típico dos projetos de reatores nucleares espaciais de décadas.


A aparência conceitual do Kilopower, da esquerda para a direita - radiadores mais frios, 2 conjuntos de geradores Stirling, proteção contra radiação e tubos de calor, um refletor de reator de óxido de berílio (dentro do reator).

A potência de Kilopower deve ser de 1 a 10 kW elétrica (e 4 vezes maior - térmica, o que fornece uma eficiência de 25%), e deve ser ajustada para uma missão específica. O que é interessante, pelo que entendi, apenas a parte elétrica-elétrica mudará de energia e a parte nuclear permanecerá aproximadamente a mesma para todas as opções. O reator que está sendo desenvolvido no laboratório americano LANL, é um cilindro feito de uma liga de 7% de molibdênio e urânio altamente enriquecido 235, que (HEU), por alguma razão, os desenvolvedores de reatores espaciais têm medo, embora pareça não terem encontrado terroristas e ditadores na órbita de Júpiter. O diâmetro do cilindro é de ~ 11 cm, comprimento de 25 cm, peso de 35 kg, no interior existe um canal de 3,7 cm de diâmetro, onde está localizada a única haste de carboneto de boro.



O molibdênio em uma liga com urânio é necessário aqui para conferir resistência mecânica e estabilidade do urânio às transições de fase durante o aquecimento, e a reatividade é regulada por uma haste absorvente de nêutrons do carboneto de boro - no estado inserido, o reator é subcrítico mesmo quando entra na água e é removido (de uma vez por todas) - vai para o supercrítico e ganhando energia térmica. A potência é regulada pela geometria do reator e do refletor, que é selecionada para que, quando aquecida a 1200 K, a expansão térmica da liga de urânio do reator reduz Keff (o coeficiente do número de nêutrons na próxima geração) estritamente para 1 e, em seguida, seja aquecido por uma reação em cadeia por mais de 10 anos.


A placa com o Kaff calculado do reator: 1) um reator frio com uma haste removida, 2) um reator frio com uma haste inserida, 3) um reator aquecido com uma haste removida no início do trabalho 4) um reator aquecido com uma haste removida após 10 anos de desgaste.

O reator é cercado por um refletor de nêutrons (para reduzir a massa crítica) de óxido de berílio, no qual são inseridos tubos de calor - e essa é absolutamente toda a estrutura do próprio reator. Entre o bloco de conversores de energia e o núcleo, existe uma proteção contra radiação segmentada (sombra, protegendo apenas uma maneira) contra camadas de hidreto de lítio e tungstênio.

A coisa mais surpreendente na minha opinião é a ausência de uma concha perto do núcleo de urânio - não é necessário no espaço, este reator nunca começa na terra. Resta apenas invejar o pensamento desarrumado e a falta de vigilância atômica na órbita de Netuno.


O núcleo do reator e duas opções para fixar tubos de calor nele. Aliás, a ligação de tubos de calor ao urânio é um dos problemas inesperadamente complexos nesse desenvolvimento, principalmente porque os elementos restantes do reator são simples ou gastos.

O calor removido do núcleo e do refletor por tubos de calor é fornecido às extremidades quentes dos geradores Stirling (em projetos diferentes do reator, eles têm quantidades e capacidades diferentes, mas aparentemente algo em torno de 4-16 peças), e suas extremidades frias são conectadas aos emissores de geladeira. Também aqui há uma simplicidade robusta no design - os tubos de calor são amplamente utilizados nas naves espaciais, e a NASA está testando espaço nos geradores Stirling pela segunda década. Ao mesmo tempo, acredita-se que a estrutura de gás fechado de Stirling seja melhor do que a ramificada e requer muito design de equipamentos de conversores turboelétricos (no ciclo de Brighton, conhecido nos artigos ocidentais como unidades rotativas de Brayton).


Testado em 2016 no NASA Glenn Center, uma montagem de um simulador de um reator (a partir de uma liga de urânio empobrecida aquecida por elementos de aquecimento) e 8 geradores Stirling montados em pares em 4 montagens. Bancada de teste para operação do sistema em vácuo.

O Kilopower difere do design concorrente dos RTGs com o Pu238 pelo baixo custo significativamente maior (35 kg de urânio altamente enriquecido custa cerca de US $ 0,5 milhão, em comparação com cerca de US $ 50 milhões por 45 kg de Pu238 necessários para um RTG de quilowatt) e muito menos problemas de manuseio ao preparar a espaçonave e seu lançamento, no entanto hoje os desenvolvedores de LANL estão falando de uma vida útil de dez anos do reator, enquanto RTGs e Voyagers estão em operação há 40 anos - em algum lugar isso pode ser uma circunstância importante.


Local de testes em Nevada, onde serão realizados os testes do reator e do gerador Stirling, que permaneceram na NASA após o programa de criação de RTGs com Stirlings.

O período de dez anos de operação, aparentemente, é principalmente limitado pela parte mecânica do reator (geradores Stirling). Em qualquer caso, o núcleo de urânio em 10 anos de operação a uma potência de 4 quilowatts (térmico) terá tempo para queimar menos de 0,1%, e o inchaço e os danos ao material equivalerão a cerca de 1/10 da expansão térmica, a redução de energia devido a envenenamento também é reconhecida como insignificante.

Vídeo LANL sobre o projeto (em inglês).

Uma circunstância importante para o espaço é a massa do reator. A NASA constrói seus RTGs a partir de cubos, com uma versão mínima na forma de MMRTG pesando 45 kg e uma potência de 125 watts, há também um GPHS-RTG pesando cerca de 60 kg e uma potência de 300 watts elétricos, enquanto a versão mínima do Kilopower é de 1 kW pesa cerca de 300 kg, dos quais o reator e a proteção contra radiação pesam cerca de 230 kg. Infelizmente, nem todos os dispositivos da NASA enviados para o espaço profundo têm uma reserva de massa de 100 a 250 kg, mesmo devido à economia de US $ 50 milhões em plutônio 238.


Diferentes opções para fontes de energia que podem ser criadas com base no Kilopower.

Em princípio, os desenvolvedores do Kilopower certamente estariam a cavalo se o DOE não tivesse retomado recentemente o programa de produção Pu238 - afinal, em 2011, quando o projeto desse reator espacial foi realmente lançado, a possibilidade de restaurar a produção do Pu238 ainda era hipotética, o que alimentou o interesse a alternativas.


Um pouco mais de ferro - testes de tubos de calor e um modelo térmico de um "tubo de reator" em um suporte a vácuo

Durante o desenvolvimento, os especialistas da LANL propuseram e calcularam o design de um reator de quilowatt de urânio e mais - realizaram um pequeno experimento em seu conjunto de críticas Flattop, que é uma bola de urânio enriquecido cercada por um refletor de berílio. O experimento consistiu na instalação de um micro-turbilhão e um tubo de calor em um conjunto crítico, o que possibilitou a obtenção de 25 watts de energia elétrica a partir do calor de uma reação em cadeia por um tempo, prova de conceito, por assim dizer.


Montagem crítica do Flattop e um refletor móvel de berílio, no lado direito - instalação de um tubo de calor e um gerador de turbilhão.

Após uma demonstração bem-sucedida, o projeto Kilopower recebeu financiamento imediatamente da NASA e da NNSA (esta agência está envolvida no armazenamento, produção e tráfico de materiais nucleares nos EUA) por 16,17 e 18 anos, o que prevê a criação de um protótipo de gerador de quilowatt com um reator nuclear real (!) E seus testes em 2018 Nevada. A produção do reator será realizada pela planta Y-12 (geralmente envolvida na produção de armas nucleares), o refletor fabricará LANL, a parte térmica do reator, um suporte a vácuo e a biossegurança para testes serão realizados pelo NASA Marshall Center, testes do módulo com um simulador de reator (com um núcleo de urânio empobrecido aquecido eletricamente). em 2017 no Glenn Center da NASA.


Planos de projeto Kilopower. ISRU - recebendo combustível de foguete no local (em Marte), GRC - NASA Glenn Center, SBIR - programa para o desenvolvimento de uma ampla gama de tecnologias da NASA

No contexto de projetos de reatores "grandes" que passam por todos os círculos de desenvolvimento, construção de stands, testes em stands, aprovação pelo regulador de justificativas de segurança para stands, etc. por décadas, um projeto de tal duração, simplicidade e com boa probabilidade de voar para o espaço não pode deixar de se alegrar. Ele começará a se alegrar ainda mais se for selecionado como fonte de energia para uma das missões distantes que se reunirão no espaço na próxima década.

PS: Uma interessante apresentação da NASA sobre aspectos do uso da energia nuclear em uma missão para visitar Marte
PPS Ligeiramente distorcido (as explicações começam no meio), mas um vídeo único sobre o desenvolvimento do final dos anos 80, início dos 90 - reator espacial de alta temperatura SP-100, planejado principalmente para uso militar, ainda parcialmente classificado.