При подготовке к предыдущим обзорам космических реакторов от меня ускользнул интересный проект НАСА/Министерства энергетики [ 1 , 2 , 3 ].
Это самый легкий и простой вариант ядерного реактора, предназначенный для замены плутония.
РИТЭГ и в дальних космических полётах и энергоснабжении небольших баз астронавтов, по крайней мере так, как задумано создателями.
Проект интересен тем, что в нем отбрасываются многие условности проектирования, преобладающие в различных бумажных реакторах, а низкий уровень сложности позволяет сделать конструкцию такой же простой, как у RITЭGov, что действительно может привести этот проект к успеху.
.
Простая конструкция и правильная идеология позволяют проходить этапы разработки с очень высокой скоростью, что не характерно для проектов космических ядерных реакторов, над которыми работают десятилетиями.
Концептуальный внешний вид Kilopower, слева направо - радиаторы-охладители, 2 сборки генератора Стирлинга, радиационная защита и тепловые трубки, отражатель оксидно-бериллиевого реактора (реактор внутри него).
Kilopower должна составлять от 1 до 10 кВт электрическую (и в 4 раза выше тепловую, что дает КПД 25%) и настраиваться под конкретную миссию.
Что интересно, насколько я понимаю, в зависимости от мощности будет меняться только теплоэлектрическая часть, а ядерная часть фактически останется примерно одинаковой для всех вариантов.
Реактор, разрабатываемый в американской лаборатории LANL, представляет собой цилиндр, изготовленный из сплава 7% молибдена и высокообогащенного урана-235, которого (ВОУ) почему-то боятся разработчики космических реакторов, хотя кажется, что нет террористов или диктаторов еще не нашли за орбитой Юпитера.
Диаметр цилиндра ~11 см, длина 25 см, вес ~35 кг, внутри имеется канал диаметром 3,7 см, в котором расположен одиночный стержень из карбида бора.
Молибден в сплаве с ураном здесь нужен для придания механической прочности и устойчивости урана к фазовым переходам при нагревании, а стержень-поглотитель нейтронов из карбида бора регулирует реактивность - во вставленном состоянии реактор подкритичен даже при попадании в воду, в снятом состоянии (раз и навсегда) - переходит в перегруз и набирает тепловую мощность.
Мощность регулируется геометрией реактора и отражателя, которая подобрана так, чтобы при нагреве до 1200 К тепловое расширение уранового сплава реактора уменьшало Кэфф (коэффициент числа нейтронов в следующем поколении).
строго до 1, и тогда он будет нагреваться более 10 лет за счет продолжающейся цепной реакции.
Табличка с расчетным Кэфф реактора: 1) холодный реактор с удаленным стержнем, 2) холодный реактор с вставленным стержнем, 3) нагретый реактор с удаленным стержнем в начале работы, 4) нагретый реактор с удаленным стержнем после 10 лет выгорания.
Реактор окружен отражателем нейтронов (для снижения критической массы) из оксида бериллия, в который вставлены тепловые трубки – и это абсолютно вся конструкция самого реактора.
Между блоком преобразователей энергии и активной зоной находится сегментная (теневая, защищающая только в одном направлении) радиационная защита из слоев гидрида лития и вольфрама.
Самое удивительное, на мой взгляд, это отсутствие оболочки в урановой активной зоне - в космосе она не нужна, на Земле этот реактор никогда не запускается.
Можно только позавидовать непредвзятому мышлению и отсутствию ядерного наблюдения на орбите Нептуна.
Активная зона реактора и два варианта крепления к ней тепловых трубок.
Кстати, прикрепление тепловых трубок к урану является одной из неожиданно сложных проблем в этой разработке, главным образом потому, что остальные элементы реактора просты или отработаны.
Тепло, отводимое от активной зоны и отражателя тепловыми трубками, подается на горячие концы генераторов Стирлинга (в разных конструкциях реактора их количество и мощность различаются, но, видимо, их около 4-16 штук), а их холодные концы соединяются между собой.
к радиаторным холодильникам.
Здесь тоже присутствует здоровая простота конструкции — в космических кораблях широко используются тепловые трубки, а НАСА уже второе десятилетие испытывает генераторы Стирлинга в космосе.
При этом считается, что закрытая газовая конструкция Стирлингов лучше разветвленной и требующей большого оборудования конструкции турбоэлектрических преобразователей (на цикле Брайтона, модно называемом в западных статьях вращающимися агрегатами Брайтона).
Сборка имитатора реактора (изготовлена из сплава обедненного урана, нагретого Т-Нами) и 8 генераторов Стирлинга, собранных попарно в 4 сборки, испытана в Центре Гленна НАСА в 2016 году.
Стенд для проверки работы системы в вакууме.
.
Что отличает Kilopower от конкурирующей конструкции РИТЭГов с Pu238, так это заметно меньшая стоимость (35 кг высокообогащенного урана стоит около $0,5 млн против около $50 млн за 45 кг Pu238, необходимых для киловаттного РИТЭГ), и гораздо меньше проблем с обращением при подготовке корабля и его запуске, однако сегодня разработчики из LANL говорят о десятилетнем сроке эксплуатации реактора, тогда как РИТ "Вояджер" работают уже 40 лет - в ряде случаев это может быть важное обстоятельство.
Испытательный полигон в Неваде, где будут проводиться испытания реактора и генератора Стирлинга, оставшихся у НАСА после программы создания РИТЭГов со Стирлингами.
Десятилетний срок эксплуатации, по-видимому, в основном ограничен механической частью реактора (генераторами Стирлинга).
В любом случае за 10 лет работы на мощности 4 киловатта (тепловой) урановый сердечник успеет сгореть менее чем на 0,1%, а распухание и повреждение материала составят примерно 1/10 тепловой расширение; снижение мощности вследствие отравления также считается незначительным.
видео из LANL, рассказываю о проекте (на английском языке).
Важным фактором для космоса является масса реактора.
НАСА собирает свои РИТЭГ из кубиков, причём минимальная версия в виде ММРТГ массой 45 кг и мощностью 125 Вт, есть ещё GPHS-РТГ массой около 60 кг и мощностью 300 электроватт, а минимальная версия Kilopower мощностью 1 кВт весит около 300 кг, из них реактор и радиационная защита весят около 230 кг.
К сожалению, не каждый аппарат НАСА, отправляемый в глубокий космос, имеет запас массы в 100-250 кг, даже с учетом экономии 50 миллионов долларов на плутонии-238. 
Различные варианты источников энергии, которые можно создать на базе Kilopower.
В принципе, разработчики Kilopower определенно были бы на высоте, если бы недавно Министерство энергетики не возобновлена программа производства Pu238 - ведь в 2011 году, когда проект этого космического реактора фактически стартовал, возможность восстановления производства Pu238 еще была гипотетической, что подогревало интерес к альтернативам.
Еще немного железа — тестирование тепловых трубок и тепловой модели «реактор-труба» на вакуумном стенде
В ходе разработки специалисты LANL предложили и рассчитали конструкцию киловаттного уранового реактора, а также провели небольшой эксперимент на своей критической сборке Flattop, представляющей собой шар из обогащенного урана, окруженный бериллиевым отражателем.
Эксперимент заключался в установке в критической сборке микро-стирлинга и тепловой трубки, что позволяло на некоторое время получать 25 Вт электроэнергии из тепла цепной реакции, так сказать, доказательство концепции.
Плоский критический узел и подвижный бериллиевый отражатель, в правой вставке — установка тепловой трубки и генератора Стирлинга для нее.
После успешной демонстрации проект Kilopower получил финансирование сразу от НАСА и NNSA (это агентство, занимающееся хранением, производством и обращением ядерных материалов в США) на 16, 17 и 18 годы, предусматривающее создание прототип киловаттного генератора с настоящим ядерным реактором (!) и его испытания в 2018 году в Неваде.
Производством реактора будет заниматься завод Я-12 (обычно занимается производством ядерного оружия), отражатель - производством LANL, тепловая часть реактора, вакуумный стенд и биозащита для испытаний - производства Центра Маршала НАСА, испытания модуля с имитатором реактора (с активной зоной из обедненного урана, нагреваемой электрически) пройдут в 2017 году в Центре Гленна НАСА.
Планы проекта Kilopower. ISRU - производство ракетного топлива на месте (на Марсе), GRC - Центр Гленна НАСА, SBIR - широкая программа развития технологий НАСА.
На фоне проектов «больших» реакторов, проходящих все стадии разработки, строительства стендов, испытаний на стендах, утверждения регулятором обоснований безопасности стендов и т. д. десятилетий, проект такой продолжительности, простоты и с хорошая вероятность полета в космос не может не радовать.
Будет еще более интересно, если он будет выбран в качестве источника энергии для одной из дальних миссий в космос в следующем десятилетии.
P.S. Интересный презентация НАСА об аспектах использования ядерной энергии в миссии по посещению Марса П.
П.
С.
Немного расплывчато (объяснения начинаются с середины), но весьма уникально.
видео по разработкам конца 80-х, начала 90-х - высокотемпературный космический реактор СП-100, запланированный в основном для военного применения, до сих пор частично засекреченный.
Теги: #Научно-популярная #Космонавтика #космос #Энергия и аккумуляторы #ядерный реактор #космический реактор
-
Облако Не Читается
19 Oct, 24 -
Обзор Инструментов Качества Данных
19 Oct, 24 -
Важные Комментарии
19 Oct, 24 -
Будет Ли У Тебя Партнер? Защити Себя!
19 Oct, 24 -
Аккаунты Ubisoft Утекли В Сеть
19 Oct, 24
