?

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

b_my
May. 15th, 2017 03:26 pm (UTC)
В свою защиту скажу, что реактор как раз радикально решает главную проблему стирлинга (любого, но особенно - термоакустики): скорость теплообмена. Потому что тепло генерится по всему объёму ядерного топлива, и нет каких-то особых причин в космическом реакторе не увеличивать площадь теплообмена до безумных величин. Ограниченных только механической прочностью топлива.

В обычном реакторе - есть, у нас есть барьер "ТВЭЛ-теплоноситель", мы пытаемся не выпустить ПД из топлива в теплоноситель. Поэтому мы минимизируем площадь барьера и нам приходится мучаться с теплопотоками через него. Представьте, что мы на это просто забили болт.
В космическом реакторе нам на это пофиг. Топливо можно делать из пористой металлокерамики, точно так же как регенератор.
И иметь на литр единица-десятки (а может, сотни и тысячи) квадратных метров поверхности теплообмена.

Тут опять красивая синергия: в обычном стирлинге (на дровах, бензине, солнце) такое решение применить невозможно - всё тепло нужно всё равно тащить через какую-то плоскость. В ядерном реакторе тепло просто возникает изнутри.
Андрей Гаврилов
May. 15th, 2017 05:29 pm (UTC)
оформить в хороший текст, и в NASA отправить! )

А лучше, - с копией (и указанием о получателях копий в каждом письме) и китайцам заодно. ))

P.S.
а) интересно влияние пористости топлива на акустику, собственно; если более общо - интересны оптимальные формы теплообмена топливо - газ.
б) металлокерамика? А как вам решение Kilopower - просто сплав обогащенного урана с молибденом?
b_my
May. 15th, 2017 05:45 pm (UTC)
а) я неправильно выбрал слово. Не то чтобы "пористость"... скорее - микроканалы. Представьте себе пачку сложеных вместе в одном направлении проволочек: там будут поры, да, но направленные поры. Это же позволяет увеличить эффективную дозу за счёт использования электронов. Доза - это степень ионизации, степень ионизации - это проводимость, а проводимость можно разменять на требуемое магнитное поле и массу магнитов как следствие. Больше ионизация - легче машина. Со всех сторон выгоднее повышать площадь контакта топлива с газом.

б) я не знаю. Оксид лучше держит распухание за счёт ПД, следовательно - форму, что для такой конструкции может быть критичным. Но если интерметаллиды и так хороши, то я не религиозен, мне всё равно - металл или металл с оксидами.
Андрей Гаврилов
May. 18th, 2017 02:27 am (UTC)
a) да, именно микроканалы я себе и представлял (если проволочки - только иллюстрация - то представление совпадает, если же это вариант размещения топлива - то возникают вопросы, как минимум - "почему не каналы", "как держать, чтобы не мешать ходу газа(1) при том - достаточно жестко (2)" etc.

b) да, распухание! Гм. В общем, - "возможны варианты", на этом можно остановиться.
___

Чтоб два раза не вставать, скажу о проблеме, которая мне сходу видится в этой схеме (предлагаю вам ее уже поименовать как-т красиво, приоритет, все дела! х)): нужно будет придумать, как избежать засветки (и, следовательно, прямого нагрева) рекуператора и холодильника за ним.

Для прочих читателей, не сходивших в тред на форуме НК, приведу иллюстрацию схемы данной идеи, которую нарисовал читатель той ветки форума (newbieАлександр):


Очевидно, топливо с обоих сторон (по оси, сонаправленной оси каналов) должно продолжаться такой же формы, как и топливо (с каналами etc) отражателем (или поглотителем).

(Отражатель с обоих сторон - из соображений о нейтронном балансе, а так же удалении _лишних_ "точек нагрева" в конструкции, очевидно чувствительной к геометрии мест нагрева).

Это решит проблему с частью засветки строго по этой самой оси. Как решить проблему засветки с боковых поверхностей, при этом не ухудшив донельзя акустические характеристики - это проблема.

Просто убрать засветку - представляется решение в виде второго отражателя (вариант - поглотителя), в виде штырей (непонятно пока, как их закреплять; впрочем, вместо штырей могут быть пластины (/ поверхности сложной формы) расположенных на каком-то расстоянии (соответственно требованиям акустики и газодинамики) напротив выходов из каналов так, чтобы засвет с боковой поверхности каналов ловился ими.

Но можно ли найти такую конфигурацию, чтобы это все еще и прилично работало/ всем требованиям удовлетворяло... (Или даже вопрос - "как найти?").
Андрей Гаврилов
Jun. 1st, 2017 07:59 pm (UTC)
кстати, вы опять "в телевизоре" именно с этой идеей! :)

В сообществе Hard Sci Fi Ideas https://vk.com/hard_sci_fi_ideas aka "Полупрозрачный изобретатель",

его описание:
"Сообщество предназначено для коллекционирования и разбора фантастических технических идей, не противоречащих современным научным знаниям (хотя бы на первый взгляд)".
..., созданном известным генератором качественных идей такого рода (а заодно - физиком, и отличным популяризатором), aka antihydrogen. (Рекомендую!).

А именно, вот здесь, в теме "Ядерная Термоакустика Для Космических ЭДУ" (ваше авторство идеи - указано):
https://vk.com/wall-147618894_8

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