Космический реактор Kilopower
Интересный проект NASA/DOE ускользнул от меня при подготовке к предыдущем обзорам космических реакторов [ 1, 2, 3]. Это максимально легкий и простой вариант ядерного реактора, призванный заменить плутониевые РИТЭГи в дальних космических миссиях и энергоснабжении небольших баз астронавтов, во всяком случае по замыслу создателей.
Проект интересен тем, что здесь отброшены многие условности в облике, которые довлеют в разных бумажных реакторах, а невысокий уровень сложности позволяет сделать конструкцию такой же простой, как у РИТЭГов, что, на самом деле сможет привести этот проект к успеху. Простая конструкция и правильная идеология позволяют проходить стадии разработки с очень высокой скоростью, не характерной для ковыряющихся десятилетиями проектов космических ядерных реакторов.
Концептуальный облик Kilopower, слева на право - радиаторы-холодильники, 2 сборки генераторов стирлинга, радиационная защита и тепловые трубки, отражатель реактора из оксида бериллия (реактор внутри него).
Мощность Kilopower должна составлять от 1 до 10 кВт электрических (и в 4 раза выше - тепловая, что дает кпд в 25%), и настраиваться под конкретную миссию. Что интересно, насколько я понял, от мощности будет меняться только тепло-электрическая часть, а ядерная, фактически оставаться примерно одинаковой для всех вариантов. Реактор, прорабатываемый в американской лаборатории LANL, представляется собой цилиндр из сплава 7% молибдена и высокообогащенного урана 235, чего (ВОУ), почему-то разработчики космических реакторов боятся, хотя вроде никаких террористов и диктаторов за орбитой Юпитера пока не нашли. Диаметр цилиндра ~11 см, длина 25 см, вес ~35 кг, внутри расположен канал в 3.7 см диаметром, где расположен единственный стержень из карбида бора.
Молибден в сплаве с ураном нужен тут для придания механической прочности и устойчивости урана к фазовым переходам при нагреве, а стержнем-поглотителем нейтронов из карбида бора регулируется реактивность - во вставленном состоянии реактор подкритичен даже при попадании в воду, в изъятом (раз и навсегда) - выходит на закритику и набирает тепловую мощность. Мощность регулируется геометрией реактора и отражателя, которая подобрана так, что при нагреве до 1200 К тепловое расширение уранового сплава реактора снизит Кэфф строго до 1, и дальше он больше 10 лет будет греться идущей цепной реакцией.
Табличка с расчетными Кэфф реактора: 1) холодный реактор с изъятым стержнем, 2) холодный реактор с вставленным стержнем, 3) нагретый реактор с изъятым стержнем в начале работы 4) нагретый реактор с изъятым стержнем после 10 лет выгорания.
Реактор окружен отражателем нейтронов (для снижения критмассы) из оксида бериллия, в который вставлены тепловые трубы - и это абсолютно вся конструкция собственно реактора. Между блоком преобразователей энергии и активной зоны стоит сегментная (теневая, защищающая только в одну сторону) радиационная защита из слоев гидрида лития и вольфрама.
Самое потрясающее на мой взгляд - это отсутствие оболочки у урановой активной зоны - в космосе она не нужна, на земле этот реактор не запускается никогда. Остается только позавидовать незашоренному мышлению и отсутвию атомнадзоров на орбите Нептуна.
Активная зона реактора и два варианта закрепления тепловых труб на ней. Между прочим крепление тепловых труб к реактору - одна из сложнейших проблем в этой разработке.
Тепло, отводимое от активной зоны и отражателя тепловыми трубами подается на горячие концы генераторов Стирлинга (в разных проработках реактора их разное количество и мощность, но видимо что-то около 4-16 штук), а холодные их концы подключены к холодильникам-излучателям. Здесь тоже наблюдается здравая простота в конструкции - тепловые трубы широко применяются в космических аппаратах, а генераторы Стирлинга для космоса NASA тестирует уже второе десятилетие. При этом, считается, что замкнутая газовая конструкция Стирлингов лучше, чем разветвленная и требующая множество оборудования конструкция турбоэлектрических преобразователей (на цикле Брайтона, модно называемых в западных статьях rotating Brayton units).
Готовящаяся к испытаним в центре Гленна сборка из имитатора реактора (из сплава обедленного урана, нагреваемая ТЭНами) и 8 генераторов стирлинга собранных попарно в 4 сборки. Стенд для испытаний работы системы в вакууме.
От конкурирующей конструкции РИТЭГов с Pu238 Kilopower отличает заметно бОльшая дешевизна (35 кг высокообогащенного урана стоит около 0,5 млн долларов, против примерно 50 млн долларов за 45 кг Pu238, необходимых для киловаттного РИТЭГ), и сильно меньшие проблемы с обращением при подготовке космического аппарата и его запуске, однако сегодня разработчики из LANL говорят о десятилетнем сроке работы реактора, в то время, как РИТЭГи Вояджеров работают уже 40 лет - где-то это может быть важным обстоятельством.
Испытательная площадка в Неваде, где пройдут тесты реактора и генератор Стирлинга, оставшийся у НАСА после программы создания РИТЭГов с Стирлингами.
Десятилетний срок работы, по видимому, в основном ограничен механической частью реактора (генераторами Стирлинга). Во всяком случае урановое ядро за 10 лет работы на мощности 4 киловатта (тепловых) успеет выгореть меньше, чем на 0,1%, и распухание и повреждение материала составят примерно 1/10 теплового расширения, снижение мощности из-за отравления тоже признано незначительным.
Click to viewВидео от LANL, рассказывающее про проект (на английском).
Важным обстоятельством для космоса является масса реактора. NASA собирает свои РИТЭГи их кубиков, с минимальным вариантом в виде MMRTG массой 45 кг и мощностью 125 ватт, так же имеется GPHS-RTG весом около 60 кг и мощностью в 300 электрических ватт, в то время, как минимальная версия Kilopower мощностью в 1 кВт весит около 300 кг, из которых реактор и радиационная защита весят около 230 кг. К сожалению, далеко не каждый аппарат NASA, отправляемый в дальний космос, имеет запас массы в 100-250 кг, даже за счет экономии 50 млн долларов на плутонии 238.
Разные варианты энергоисточников, которые можно создать на базе Kilopower.
В принципе, разработчики Kilopower точно оказались бы на коне, если бы DOE не так давно не возобновило программу производства Pu238 - ведь в 2011 году, когда, фактически стартовал проект этого космического реактора, возможность варианта восстановления производства Pu238 была все еще гипотетической, что подогревало интерес к альтернативам.
Еще немного железа - испытания тепловых труб и тепловой модели "реактор-трубы" в вакуумном стенде
В ходе разработки, специалисты LANL предложили и просчитали конструкцию киловаттного уранового реактора, и более - провело маленький эксперимент на своей критсборке Flattop, представляющей собой шар из обогащенного урана, окруженного бериллиевым отражателем. Эксперимент заключался в установке микростирлинга и тепловой трубы в критсборку, что позволило получать от тепла цепной реакции какое-то время 25 ватт электрических, так сказать proof of concept.
Критсборка Flattop и сдвигаемый бериллиевый отражатель, в правой врезке - установка тепловой трубы и генератора стирлинга к ней.
После удачной демонстрации проект Kilopower получил финансирование сразу от NASA и NNSA (это агенство, занимающееся хранением, производством и оборотом ядерных материалов в США) на 16,17 и 18 годы, предусматривающее создание прототипа киловаттного генератора с настоящим ядерным реактором (!) и испытание его в 2018 году Неваде. Производством реактора займется завод Y-12 (обычно занимающийся производством ядерного оружия), отражатель изготовит LANL, тепловую часть реактора, вакуумный стенд и биозащиту для испытаний сделает центр Маршала NASA, испытания модуля с иммитатором реактора (с ядром из обедненного урана, нагреваемого электрически) проведут в 2017 году в центре Гленна NASA.
Планы по проекту Kilopower. ISRU - получение ракетного топлива на месте (на Марсе), GRC - центр Гленна NASA, что такое SBIR - не знаю (видимо, конкретный радиатор-холодильник)
На фоне проектов "больших" реакторов, которые проходят все круги разработки, строительства стендов, испытания на стендов, одобрения регулятором обоснований безопасности стендов и т.п. десятилетиями, проект такой длительности, простоты и с хорошей вероятностью полететь в космос не может не радовать. Еще больше он начнет радовать, если будет отобран в качестве источника энергии в одну из дальних миссий, собирающихся в космос в следующем десятилетии.
P.S. Интересная презентация NASA по аспектам использования ядерной энергии в миссии посещения Марса
P.P.S. Слегка невнятное (объяснения начинаются с середины) , но довольно уникальное видео по разработке конца 80-х, начала 90х - высокотемпературному космическому реактору SP-100, планировавшегося в основном на военное применение, до сих пор частично засекреченному.