?

Log in

No account? Create an account

Previous Entry | Next Entry

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.


Видео 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.

Comments

sharikowa
May. 15th, 2017 06:53 am (UTC)
Вот хорошо бы только эта штукенция с отсутствующей оболочкой активной зоны не грохнулась во время запуска. На далеких орбитах, конечно, облучать и загрязнять нечего, но перед тем, как туда попасть, надо стартовать с нашей многострадальной планетки...
tnenergy
May. 15th, 2017 06:59 am (UTC)
"Штукенция с отсутствующей оболочкой" до запуска (т.е. до первого изъятия поглощающего стержня) относится к очень низкоактивным радиоактивным отходам и в целом не опаснее остальных частей ракеты в любых аварийных ситуациях. Учитывая, что падать ей, если что, в атлантический океан, то эффекты от нее будут нулевые.
sharikowa
May. 15th, 2017 07:23 am (UTC)
Не совсем понятно как это соотносится с утверждением из вашей статьи: "Реактор, прорабатываемый в американской лаборатории LANL, представляется собой цилиндр из высокообогащенного сплава 7% молибдена и урана 235". Возможно, я чего-то не поняла.
Ну а про Атлантический океан - ну да, почему бы и нет. Вон в Тихий же из Фукусимы вылили немало, можно и в Атлантический забросить подарок.

Edited at 2017-05-15 07:23 am (UTC)
tnenergy
May. 15th, 2017 07:42 am (UTC)
Хм, вы попробуйте зайти с другой стороны.

Космические аппараты, которые летят дальше Юпитера, обычно несут на себе РИТЕГи с Pu238. Это альфаактивный изотоп, 20 тысяч кюри (кюри - это такая мера радиоактивности) на килограмм, 60-600 тысяч кюри на один такой дальний аппарат. при этом смертельная его доза (от радиотоксичности) при попадании внутрь - 0,7 милликюри! Т.е. Кассини, например, вез 850 миллионов смертельных доз Pu238.

Kilopower в свою очередь будет содержать до запуска 75 милликюри U235, почти в 10 миллионов раз меньше (такое снижение даже осознать сложно, на деле). При этом U235 - более безопасное вещество, смертельная доза - 50 милликюри, получается, надо съесть практическую всю болванку из реактора, вы от отравления тяжелым металлом умрете раньше.

Можно задать еще вопрос "а можно ли без этих радиоактивностей" - нет, нельзя. Аппараты за орбитой Юпитера (да и возле Юпитера) практически невозможно питать как-то еще, поэтому если мы хотим исследовать Солнечную Систему, то приходится использоваться такие штуки.
phdnk
May. 15th, 2017 09:17 am (UTC)
Табличная радиоактивность U235 может отличаться от практической.
Ожидаю, что в процессе обогащения, доля U234 тоже растет и ВОУ будет обогащен еще им.
Этот эффект уже был учтен выше ?

В природном уране соотношение этих изотопов подобно: U235:U238 = U234:U235.
Интересно, какой изотопный состав у ВОУ.

Edited at 2017-05-15 09:26 am (UTC)
tnenergy
May. 15th, 2017 12:50 pm (UTC)
>Табличная радиоактивность U235 может отличаться от практической. Ожидаю, что в процессе обогащения, доля U234 тоже растет и ВОУ будет обогащен еще им. Этот эффект уже был учтен выше ?

Нет, не был. Думаю, когда речь идет о миллионнократной разнице, это уже не так существенно.

>Интересно, какой изотопный состав у ВОУ.

Можно оценить. При выполнении ВОУ-НОУ устанавливался предел содержания U234 - 11 мг на г U235, т.е. не более 1,1% от его количества. При этом разбавлялось 500 тонн ВОУ с концентрацией 235 изотопа от 90 до 95% было превращено в НОУ с содержанием U235 - 4,4%.

Если взять и разбавить 465 тонн (93% ВОУ - возьмем такой постулат) 235 изотопом 238 до 4,4% то получается всего 10568 тонн, а было отгружено 14446 тонн, т.е. в таком случае было добавлено 3878 тонн урановой смеси, которая возникла из разбавителя - т.е. дообогащенного из отвала, где можно считать, что U234 не осталось.

Получается, что для разбавления 465 тонн U235 до разрешенного предела по U234 пришлось его разбавлять на 26,8% материалом без U234, т.е. содержание U234 в исходном ВОУ было около 1,3% (плюс-минус на реальную концентрацию U235 в ВОУ и реальное содержание U234 в отвале).
Alex Besogonov
May. 15th, 2017 07:04 am (UTC)
Так вся конструкция сделана из природных, 100% без-ГМО, натуральных материалов. Вся радиоактивность в ней - от природной активности урана.
sharikowa
May. 15th, 2017 07:09 am (UTC)
Это неправда. В статье указано: "Реактор, прорабатываемый в американской лаборатории LANL, представляется собой цилиндр из высокообогащенного сплава 7% молибдена и урана 235"
Alex Besogonov
May. 15th, 2017 07:11 am (UTC)
Ну так уран же природный. Просто сконцентрирован один из изотопов. Т.е. никакой дополнительной активности в окружающую среду не добавится.
sharikowa
May. 15th, 2017 07:19 am (UTC)
В том то и дело, что при концентрации одного из изотопов радиоактивность растет. Вплоть до того, что чистый 235 уран при определенной массе способен к цепной реакции распада.
tnenergy
May. 15th, 2017 07:24 am (UTC)
>В том то и дело, что при концентрации одного из изотопов радиоактивность растет. Вплоть до того, что чистый 235 уран при определенной массе способен к цепной реакции распада.

Цепная реакция распада логически никак не связана с радиоактивностью, теоретически может существовать стабильный (нерадиоактивный) изотоп, способный к цепной реакции распада.

P.S. Радиоактивность U235 (чистого) невысока, хотя есть его не стоит, но контактно он малоопасен, надо год спать на подушке с этой болванкой U235, что бы заболеть.

Edited at 2017-05-15 07:27 am (UTC)
sharikowa
May. 15th, 2017 07:39 am (UTC)
Вот про активность 235 считала совсем по другому... Век живи - век учись =)
misha_makferson
May. 15th, 2017 09:27 am (UTC)
>теоретически может существовать стабильный (нерадиоактивный) изотоп, способный к цепной реакции распада.
Гм, это как? Ну то есть висмут например на самом деле не стабильный и распадается, но период полураспада сопоставим с возрастом Вселенной. Практически это тоже самое, что стабильный.
Alex Besogonov
May. 15th, 2017 07:25 am (UTC)
Вообще говоря, не растёт.

Из-за того, что часть нейтронов от самопроизвольного деления урана вызовут цепную (не самоподдерживающуюся) реакцию в окружающем уране, где-то на тысячные доли процента будет больше активности по сравнению с чистым образцом природного урана. Но и всё.

Для цепной реакции нужна критическая конфигурация - здесь её не будет по дизайну реактора. До того, как будет вынут центральный стержень-поглотитель, понятное дело.

Profile

tnenergy
Ядерная энергия

Latest Month

April 2019
S M T W T F S
 123456
78910111213
14151617181920
21222324252627
282930    

Page Summary

Powered by LiveJournal.com