Reator espacial Kilopower passa em testes no solo

A NASA realizou uma conferência de imprensa sobre o progresso no desenvolvimento do reator espacial Kilopower. Há um ano, descrevi esse projeto em detalhes e, em seguida, o desenvolvimento foi testado em um sistema de conversão de calor em eletricidade. Bem, pode-se afirmar que o magnífico progresso do projeto se tornou ainda melhor.


Reator Kilopower na lua (render).

Em 2017, no centro deles. A Glenn NASA conduziu um teste de vácuo térmico em larga escala de um reator de protótipo usando um simulador de calor por decaimento elétrico dentro de um simulador de núcleo de urânio empobrecido. Em geral, deve-se notar que o desenvolvimento de um mecanismo de transferência de calor do núcleo para geradores baseado em motores Stirling (doravante - GDS) usando tubos de calor era quase a parte mais difícil e importante do projeto, por isso foi adiado por 3 anos. Em particular, o desafio é iniciar tubos de calor de sódio, nos quais parte do sódio deve ser derretida e evaporada, para formar um fluxo de calor suficiente, mas não superaquecido. Dada a natureza "autogovernada" do reator, isso não é tão simples do ponto de vista da engenharia. O ciclo de teste final com uma peça em branco de liga de urânio-molibdênio empobrecido teve como objetivo testar as transições térmicas entre o núcleo (AZ) e os tubos de calor.



Temperatura do tubo de calor Kilopower na inicialização do sistema. Os termopares são organizados em ordem crescente do simulador de AZ para o receptor de calor (extremidade quente do GDS).

No entanto, embora tubos de calor de alta temperatura e GDS sejam coisas interessantes, tudo isso tem pouco a ver com a parte nuclear do Kilopower. Um experimento completo com uma fonte de calor nuclear foi nomeado KRUSTY (Reator Kilopower Using Stirling TechnologY) e foi realizado do outono de 2017 a março de 2018 no laboratório da DAF localizado no local de testes nucleares de Nevada. Neste laboratório (que costumava ser o local de montagem de cargas nucleares para explosões de teste no local do teste), agora estão localizadas quatro montagens críticas (as montagens críticas são chamadas de reatores nucleares de baixa ou baixa potência usados ​​para verificar cálculos de nêutrons) que são usados ​​pelos laboratórios nucleares dos EUA para várias experiências (incluindo bastante pacífico - por exemplo, para medir constantes dosimétricas). A propósito, foi neste laboratório que a história da Kilopower começou, porque é aqui que está localizado o conjunto crítico Flattop, no qual em 2011 foi testado o protótipo conceitual do reator.


A assembléia crítica é um doador. Para o KRUTSY, o quadro e o sistema móvel inferior são usados.

Para o experimento KRUSTY, foi utilizada a máquina Comet, que costumava ser uma metade deslocada verticalmente de espaços em branco e refletores de urânio. Agora, o Kilopower atual com uma câmara de vácuo foi colocado no topo e um refletor de óxido de berílio foi empurrado para o branco enriquecido de urânio com um sistema móvel.


Montagem a partir de uma máquina Comet e um reator Kilopower usado no experimento KRUSTY. O reator é lançado deslizando o refletor lateral de óxido de berílio no núcleo do reator

Depois de montar o núcleo (que, a propósito, é um subgênero separado - com várias restrições à presença de várias pessoas e materiais), o sistema foi testado em caso de falha de vários sistemas. A NASA escreve "conduzido sem energia" aqui, mas uma imagem ligeiramente diferente surge do plano de experimentos.



Montagem do núcleo de um reator espacial de protótipo. Uma das restrições mais comuns ao trabalhar com montagens críticas é a restrição da presença de pessoas próximas (digamos, não mais de 2 pessoas em um raio de 2 metros), para não tentar o destino pela presença de um grande número de refletores de água ao redor do material da arma. Os elementos montados pelos engenheiros são descritos na figura abaixo:



Em seguida, uma inicialização física do reator sem um sistema de conversão foi realizada com medições das características de reatividade do refletor e das propriedades de propagação do sistema e, a julgar pelos planos, uma haste absorvente de inicialização feita de carboneto de boro, projetada no centro do núcleo e que garante que o reator não inicie em caso de emergência, por exemplo, lançamento em órbita.



As experiências planejadas incluíram entradas de reatividade quando o reator estava frio a US $ 0,8 e US $ 3 (US $ 1 significa um excesso de criticidade igual à fração de nêutrons atrasados, após o que a taxa de aceleração do reator aumenta acentuadamente). Nesse caso, a potência de nêutrons aumenta (no caso de inserir US $ 3 - rapidamente) até que o aquecimento e a expansão do combustível introduzam reatividade negativa e o reator "se acalme" em um determinado nível de potência.



De acordo com os planos do slide acima, as propriedades de propagação de vários elementos de montagem a diferentes temperaturas deveriam ser medidas.

Deve-se notar aqui que o comunicado de imprensa da NASA / DOE é muito mesquinho com detalhes, o que realmente foi feito, mas tenho 99% de certeza de que essas medições foram realizadas no inverno. Sem uma verificação experimental das propriedades de reprodução do reator, ele estaria destinado a permanecer em papel para sempre e não teria permissão para iniciar.


Instalação de uma câmara de vácuo na “peça de conversão” Kilopower durante os testes de inverno.

Por fim, foram realizados testes abrangentes do sistema com a partida do reator e do sistema de conversão, com saída para nominal e com a potência. Todo o teste levou 28 horas, a partir do gráfico de aquecimento dos tubos de calor acima, podemos supor que a experiência parecia "iniciar em 4 horas + 24 horas de operação pelo valor nominal". Se foram realizados testes no autocontrole do reator (alteração na energia térmica quando a carga mudou), isso não é relatado, mas uma imagem do comunicado de imprensa sugere que sim, foram realizados os seguintes:


Altamente clicável

No fundo, existem racks de controle de montagem críticos GODIVA IV e Comet, nas telas você pode ver o suporte do Comet com Kilopower, o refletor está no modo "iniciar" e a neve nas telas da câmera também indica que este é o momento de longo prazo. Nas telas da tabela de trás, devemos assumir algum tipo de parâmetro de montagem nuclear; nas telas mais próximas de nós há gráficos de temperatura com termopares e o status dos sistemas e instrumentação. Os dentes nos gráficos de temperatura podem ser imaginados como incluindo cargas adicionais. Os planos para essa execução também confirmam essas idéias:



Em uma conferência de imprensa, um engenheiro da NASA também observou que "a equipe testou a sequência de inicialização, os parâmetros durante a operação com valor nominal e eficiência - e o sistema atende aos requisitos de todos os parâmetros medidos".

De uma forma ou de outra, para a NASA / DOE, este é um passo significativo. Nos últimos 40 anos, nenhum projeto de reator espacial civil atingiu o lançamento físico, embora muitos estágios de desenvolvimento e testes de vácuo térmico tenham passado. Pouco se sabe sobre projetos militares, pelo menos para o reator SP-100 os testes foram muito longe - é possível que ele tenha sido testado na forma de um critério de potência zero. Esse sucesso é inacreditável no cenário das décadas que os projetos anteriores não atingiram os testes de campo completos. No entanto, apesar do excelente conceito e do desenvolvimento bem-sucedido do solo, o futuro da Kilopower não é claro.


Conceitos de missão para alvos no cinturão de Kuiper usando a versão de 10 quilowatts do Kilopower para fornecer tração para veículos.

O escopo de um reator desse tipo, embora relativamente grande, também não é tão grande: substituir RTGs em missões de estações interplanetárias automáticas além da órbita de Júpiter, no caso do desenvolvimento da versão de 10 kW, também fornece energia elétrica para missões tripuladas à lua (embora a questão sobre missões polares lunares controverso ) e mais importante - o fornecimento de energia das missões ERD para os corpos distantes do sistema solar. A última opção, chamada Propulsão Elétrica Nuclear, é a mais produtiva em termos de melhoria das capacidades das naves espaciais e permite atingir objetivos que não podem ser alcançados em motores de foguetes químicos, como as órbitas de Caronte, Plutão e outros corpos do cinturão de Kuiper.

No entanto, uma versão de 10 quilowatts ainda precisa ser desenvolvida. Usar os tubos de calor de 380 watts, que está no protótipo, é impossível e, em geral, a tarefa de remover 40 quilowatts de calor de um espaço em branco relativamente pequeno de urânio sem um refrigerante em movimento parece difícil. É possível que o desenvolvimento de um reator de 10 quilowatts se prolonge por um longo tempo, e seria bom encontrar consumidores para a versão de 1 quilowatt, para que o reator voe.

A substituição de RTGs (especialmente suas versões pelo GDS) não dá muito devido ao peso do próprio Kilopower, além dos dispositivos potencialmente mais baratos (os RTGs custam à NASA cerca de US $ 100 milhões por quilowatt, claramente mais caro que o Kilopower). O design convencional da espaçonave da NASA continua fazendo estimativas usando RTGs de plutônio!


As missões planejadas da NASA para Netuno e Urano ainda carregam RTGs a bordo - o desenvolvimento da fonte de energia a bordo do Curiocity.

Bases tripuladas / missões de longo prazo em algum lugar da Lua ou de Marte permaneceram na fase conceitual por muitas décadas, e não parece que este seja o cavalo que pode puxar Kilopower para o espaço. Na verdade, mesmo AMSs distantes prevêem uma taxa de lançamento a cada 10 anos, ou até menos. Parece que a NASA deve dar o próximo passo, encontrar uma missão digna para a Kilopower e fazê-la o mais rápido possível. Esperamos que, no próximo ano, tenhamos uma escolha que ofereça as melhores chances de um novo reator nuclear no espaço, o que não vemos há muito tempo.