Киломощь

Киломощный реактор
Киломощный реактор
	Прототип ядерного реактора НАСА мощностью 1 кВт для использования в космосе и на поверхности планет
Поколение	Экспериментальный
Концепция реактора	Двигатель Стирлинга
Статус	В разработке
Основные параметры активной зоны реактора
Топливо ( делящийся материал )	У ВАС ЕСТЬ : 235 В
Состояние топлива	Цельный (литой цилиндр)
Основной метод контроля	из карбида бора Регулирующий стержень
Нейтронный отражатель	из оксида бериллия Радиальный отражатель
Первичный теплоноситель	Натриевые тепловые трубки
Использование реактора
Основное использование	Длительные космические миссии
Мощность (тепловая)	4,3–43,3 кВт ·т
Мощность (электрическая)	1–10 кВт
Веб-сайт	www .находится в .gov /дирекции /космические технологии /киломощь

Kilopower – это экспериментальный американский проект по созданию новых ядерных реакторов для космических путешествий . ^[1]^[2] Проект стартовал в октябре 2015 года под руководством НАСА и (NNSA) Министерства энергетики Национальной администрации по ядерной безопасности . ^[3] По состоянию на 2017 год предполагалось, что реакторы Kilopower будут выпускаться в четырех размерах, способных непрерывно производить от одного до десяти киловатт электроэнергии (1–10 кВт _эл .) в течение двенадцати-пятнадцати лет. ^[4]^[5] Реактор деления использует уран-235 для выработки тепла, которое передается в конвертеры Стирлинга с помощью пассивных натриевых тепловых трубок . ^[6] положительные результаты испытаний демонстрационного реактора Kilopower Reactor с использованием технологии Стирлинга ( KRUSTY ). В 2018 году были объявлены ^[2]

Потенциальные применения включают ядерную электрическую двигательную установку и стабильное снабжение электроэнергией пилотируемых или роботизированных космических миссий, которые требуют большого количества энергии, особенно там, где солнечный свет ограничен или недоступен. НАСА также изучало реактор Kilopower в качестве источника питания для пилотируемых миссий на Марс. Во время этих миссий реактор будет обеспечивать электроэнергией оборудование, необходимое для отделения и криогенного хранения кислорода из марсианской атмосферы для топлива поднимающихся транспортных средств. Как только люди прибудут, реактор будет обеспечивать их системы жизнеобеспечения и другие потребности. Исследования НАСА показали, что реактора мощностью 40 кВт _будет достаточно для поддержки экипажа из 4-6 астронавтов. ^[1]

Описание

реактора является Топливом сплав, состоящий из 93% урана-235 и 7% молибдена . ^[7]^[8] Активная зона реактора представляет собой конструкцию из твердого литого сплава, окруженную отражателем из оксида бериллия , который предотвращает выход нейтронов из активной зоны реактора и позволяет продолжать цепную реакцию. Отражатель также снижает выбросы гамма-излучения , которое может повредить бортовую электронику. ^[9] Преимущество уранового сердечника состоит в том, что он позволяет избежать неопределенности в поставках других радиоизотопов, таких как плутоний-238 , которые используются в РИТЭГах . ^[10]

Прототип реактора KRUSTY мощностью 1 кВт _e Kilopower весит 134 кг и содержит 28 кг ²³⁵
В
. Ожидается , что космическая мощность 10 кВт _e Kilopower для Марса будет иметь общую массу 1500 кг (с ядром 226 кг) и содержать 43,7 кг ²³⁵
В
. ^[5]^[11]

Управление ядерной реакцией обеспечивается одним стержнем из карбида бора , который является поглотителем нейтронов . Реактор предполагается запустить в холодном состоянии, предотвращая образование высокорадиоактивных продуктов деления . Как только реактор достигает пункта назначения, борный стержень, поглощающий нейтроны, удаляется, чтобы цепную ядерную реакцию . начать ^[7] начала реакции распад ряда После продуктов деления невозможно полностью остановить. Однако глубина введения регулирующего стержня обеспечивает механизм регулирования скорости деления урана, позволяя тепловой мощности соответствовать нагрузке.

Пассивные тепловые трубы, заполненные жидким натрием, передают тепло активной зоны реактора одному или нескольким свободнопоршневым двигателям Стирлинга , которые производят возвратно-поступательное движение для приведения в действие линейного электрического генератора . ^[12] Температура плавления натрия составляет 98 °C (208 °F), что означает, что жидкий натрий может свободно течь при высоких температурах от 400 до 700 °C (от 750 до 1300 °F). Ядра ядерного деления обычно работают при температуре около 600 ° C (1100 ° F).

Реактор спроектирован так, чтобы быть искробезопасным в широком диапазоне сред и сценариев. используется несколько механизмов обратной связи Для смягчения последствий ядерного взрыва . Основным методом является пассивное охлаждение, при котором не требуются механические механизмы для циркуляции охлаждающей жидкости. Конструкция реактора является саморегулирующейся за счет геометрии конструкции, которая создает отрицательный температурный коэффициент реактивности . ^[13] Фактически это означает, что по мере увеличения потребности в мощности температура реактора падает. Это заставляет его сжиматься, предотвращая утечку нейтронов. Это, в свою очередь, приводит к увеличению реактивности и увеличению выходной мощности для удовлетворения спроса. Это также работает в обратном порядке в периоды снижения энергопотребления. ^[11]

Демонстрация использования деления с плоской вершиной

Разработка Kilopower началась с эксперимента под названием DUFF или Демонстрация с использованием деления с плоской вершиной , который был протестирован в сентябре 2012 года с использованием существующей сборки Flattop в качестве ядерного источника тепла. Когда DUFF был испытан на предприятии по сборке устройств на испытательном полигоне в Неваде , он стал первым двигателем Стирлинга, работающим на энергии деления, и первым применением тепловой трубки для передачи тепла от реактора к системе преобразования энергии. ^[14] По словам Дэвида Постона, руководителя группы разработчиков компактных реакторов деления, и Патрика МакКлюра, менеджера по проектам малых ядерных реакторов в Национальной лаборатории Лос-Аламоса , ^[1] эксперимент DUFF показал, что «для реакторных систем малой мощности ядерные испытания могут проводиться с разумными затратами и в соответствии с графиком в рамках существующей инфраструктуры и нормативной базы». ^[14]

Испытание КРАСТИ и первое деление

В 2017 году было завершено строительство испытательного реактора КРАСТИ. КРАСТИ рассчитан на выработку электроэнергии мощностью до 1 киловатта и имеет высоту около 6,5 футов (1,9 метра). ^[15] Целью испытательного реактора является точное соответствие эксплуатационным параметрам, которые потребуются в миссиях НАСА в дальнем космосе. ^[16] В первых испытаниях использовалась активная зона из обедненного урана, изготовленная Комплексом национальной безопасности Y-12 в Ок-Ридже , штат Теннесси. Активная зона из обедненного урана представляет собой точно такой же материал, как и обычное ядро из высокообогащенного урана (ВОУ), с той лишь разницей, что это уровень обогащения урана . ^[1]

В прототипе Kilopower используется твердая литая активная зона реактора на уране-235 размером примерно с рулон бумажных полотенец. Тепло реактора передается через пассивные натриевые тепловые трубки , при этом тепло преобразуется в электричество двигателями Стирлинга . Тестирование для получения уровня технологической готовности (TRL) 5 началось в ноябре 2017 года и продолжалось в 2018 году. ^[4] Испытания KRUSTY представляют собой первый случай, когда Соединенные Штаты провели наземные испытания любого космического реактора с тех пор, как экспериментальный реактор SNAP-10A был испытан и в конечном итоге поднялся в воздух в 1965 году. ^[1]

С ноября 2017 года по март 2018 года испытания KRUSTY проводились на территории Национальной безопасности штата Невада . Испытания включали проверку тепловых показателей, материалов и компонентов и завершились успешным испытанием деления на полную мощность. Были смоделированы различные неисправности вспомогательного оборудования, чтобы обеспечить безопасную реакцию реактора. ^[2]

Реактор КРАСТИ был запущен на полную мощность 20 марта 2018 года во время 28-часовых испытаний с использованием активной зоны реактора с ураном-235 массой 28 кг . Он достиг температуры 850 ° C (1560 ° F) и произвел около 5,5 кВт энергии деления. В ходе испытаний оценивались сценарии отказа, включая остановку двигателей Стирлинга, регулировку стержня управления, термоциклирование и отключение системы отвода тепла. Scram - тест завершил эксперимент. Испытание было признано весьма успешной демонстрацией. ^[17]

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Гибсон, Марк; Олесон, Стивен; Постон, Дэвид; МакКлюр, Патрик (4 марта 2017 г.). Разработка реактора НАСА Kilopower и путь к миссиям с более высокой мощностью (PDF) . НАСА (Отчет). Архивировано (PDF) из оригинала 23 января 2022 г. Проверено 25 марта 2018 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Ян Виттри, Джина Андерсон (2 мая 2018 г.). «Демонстрация доказывает, что система ядерного деления может обеспечить энергию для исследования космоса» (пресс-релиз). НАСА. 18-031. Архивировано из оригинала 18 апреля 2022 года . Проверено 2 мая 2018 г.
^ «Технология малого ядерного деления Kilopower (КП)» . TechPort.nasa.gov . НАСА. 9 августа 2011 г. Архивировано из оригинала 18 апреля 2022 г. Проверено 16 мая 2018 г.
^ Jump up to: ^а ^б Холл, Лора (13 ноября 2017 г.). «Усиление человеческого присутствия НАСА на Красной планете» . Космические технологии . НАСА. Архивировано из оригинала 18 апреля 2022 года . Проверено 15 ноября 2017 г.
^ Jump up to: ^а ^б МакКлюр, Патрик Рэй (6 марта 2017 г.). «Разработка космического ядерного реактора» . Обзор возможностей ядерной энергетики . LA-UR-17-21904: 16 . Проверено 16 мая 2018 г.
^ «Медиа-слайды проекта Kilopower» (PDF) . НАСА.GOV . НАСА и Лос-Аламос. Архивировано из оригинала (PDF) 18 ноября 2021 г. Проверено 26 января 2018 г.
^ Jump up to: ^а ^б Гибсон, Марк А.; Мейсон, Ли; Боуман, Шерил; и др. (1 июня 2015 г.). «Разработка малой энергетической системы НАСА для науки и исследований человека» (PDF) . 50-я совместная конференция по двигательной технике . NASA/TM-2015-218460: 4. Архивировано (PDF) из оригинала 18 апреля 2022 г. . Проверено 16 мая 2018 г.
^ Уиттингтон, Марк Р. (10 мая 2019 г.). «Ядерный реактор Kilopower НАСА изменит правила игры в освоении космоса» . Холм . Архивировано из оригинала 18 апреля 2022 года.
^ Сонди, Дэвид (2 мая 2018 г.). «НАСА успешно испытало космический реактор нового поколения» . Новый Атлас . ГИЗМАГ ПТИ ЛТД. Архивировано из оригинала 18 апреля 2022 года . Проверено 12 июня 2018 г.
^ Фауст, Джефф (10 октября 2017 г.). «Поставка плутония для миссий НАСА сталкивается с долгосрочными проблемами – SpaceNews.com» . SpaceNews.com . Проверено 16 мая 2018 г.
^ Jump up to: ^а ^б МакКлюр, Патрик Рэй (8 июля 2019 г.). «Небольшой реактор деления для энергии на поверхности планеты и в дальнем космосе» . Архивировано из оригинала 18 апреля 2022 года . Проверено 16 июля 2019 г.
^ Патраску, Даниэль (3 мая 2018 г.). «Ядерный реактор НАСА КРАСТИ может годами обеспечивать электроэнергией аванпосты на Марсе» . автоэволюция . СофтНьюс НЭТ. Архивировано из оригинала 18 апреля 2022 года . Проверено 12 июня 2018 г.
^ «КРАСТИ: Первый реактор нового поколения, киломощность, часть II» . За пределами НЕРВЫ . за пределами нервной системы. 19 ноября 2017 года. Архивировано из оригинала 18 апреля 2022 года . Проверено 16 мая 2018 г.
^ Jump up to: ^а ^б Постон, Дэвид; МакКлюр, Патрик (январь 2013 г.). «Эксперимент DUFF. Что было изучено?» . Ядерные и новые технологии для космоса .
^ Ирен Клотц (29 июня 2017 г.). «НАСА испытает энергию ядерного деления для будущей колонии на Марсе» . Space.com . Архивировано из оригинала 18 апреля 2022 года . Проверено 15 ноября 2017 г.
^ Санчес, Рене (март 2017 г.). «Киловаттный реактор с использованием технологии Стирлинга (KRUSTY), обновленная информация об эксперименте, Марси, 2017 г.» (PDF) . Национальный исследовательский центр экспериментов по критичности . Архивировано (PDF) из оригинала 18 апреля 2022 г. Проверено 25 апреля 2018 г.
^ «КРАСТИ: У нас есть деление! Киломощность, часть III» . За пределами НЕРВЫ . за пределами нервной системы. 2 мая 2018 г. Архивировано из оригинала 18 апреля 2022 г. Проверено 16 мая 2018 г.

Внешние ссылки

[DUFF-Gibson-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Гибсон, Марк; Олесон, Стивен; Постон, Дэвид; МакКлюр, Патрик (4 марта 2017 г.). Разработка реактора НАСА Kilopower и путь к миссиям с более высокой мощностью (PDF) . НАСА (Отчет). Архивировано (PDF) из оригинала 23 января 2022 г. Проверено 25 марта 2018 г.

[Kilo_works-2] Jump up to: ^а ^б ^с Ян Виттри, Джина Андерсон (2 мая 2018 г.). «Демонстрация доказывает, что система ядерного деления может обеспечить энергию для исследования космоса» (пресс-релиз). НАСА. 18-031. Архивировано из оригинала 18 апреля 2022 года . Проверено 2 мая 2018 г.

[3] «Технология малого ядерного деления Kilopower (КП)» . TechPort.nasa.gov . НАСА. 9 августа 2011 г. Архивировано из оригинала 18 апреля 2022 г. Проверено 16 мая 2018 г.

[NASA_20171113-4] Jump up to: ^а ^б Холл, Лора (13 ноября 2017 г.). «Усиление человеческого присутствия НАСА на Красной планете» . Космические технологии . НАСА. Архивировано из оригинала 18 апреля 2022 года . Проверено 15 ноября 2017 г.

[Space_Dev-5] Jump up to: ^а ^б МакКлюр, Патрик Рэй (6 марта 2017 г.). «Разработка космического ядерного реактора» . Обзор возможностей ядерной энергетики . LA-UR-17-21904: 16 . Проверено 16 мая 2018 г.

[Media_event20180118-6] «Медиа-слайды проекта Kilopower» (PDF) . НАСА.GOV . НАСА и Лос-Аламос. Архивировано из оригинала (PDF) 18 ноября 2021 г. Проверено 26 января 2018 г.

[AIAA-7] Jump up to: ^а ^б Гибсон, Марк А.; Мейсон, Ли; Боуман, Шерил; и др. (1 июня 2015 г.). «Разработка малой энергетической системы НАСА для науки и исследований человека» (PDF) . 50-я совместная конференция по двигательной технике . NASA/TM-2015-218460: 4. Архивировано (PDF) из оригинала 18 апреля 2022 г. . Проверено 16 мая 2018 г.

[8] Уиттингтон, Марк Р. (10 мая 2019 г.). «Ядерный реактор Kilopower НАСА изменит правила игры в освоении космоса» . Холм . Архивировано из оригинала 18 апреля 2022 года.

[9] Сонди, Дэвид (2 мая 2018 г.). «НАСА успешно испытало космический реактор нового поколения» . Новый Атлас . ГИЗМАГ ПТИ ЛТД. Архивировано из оригинала 18 апреля 2022 года . Проверено 12 июня 2018 г.

[10] Фауст, Джефф (10 октября 2017 г.). «Поставка плутония для миссий НАСА сталкивается с долгосрочными проблемами – SpaceNews.com» . SpaceNews.com . Проверено 16 мая 2018 г.

[Mars_Summit-11] Jump up to: ^а ^б МакКлюр, Патрик Рэй (8 июля 2019 г.). «Небольшой реактор деления для энергии на поверхности планеты и в дальнем космосе» . Архивировано из оригинала 18 апреля 2022 года . Проверено 16 июля 2019 г.

[12] Патраску, Даниэль (3 мая 2018 г.). «Ядерный реактор НАСА КРАСТИ может годами обеспечивать электроэнергией аванпосты на Марсе» . автоэволюция . СофтНьюс НЭТ. Архивировано из оригинала 18 апреля 2022 года . Проверено 12 июня 2018 г.

[Nerva-13] «КРАСТИ: Первый реактор нового поколения, киломощность, часть II» . За пределами НЕРВЫ . за пределами нервной системы. 19 ноября 2017 года. Архивировано из оригинала 18 апреля 2022 года . Проверено 16 мая 2018 г.

[DUFF-Poston-14] Jump up to: ^а ^б Постон, Дэвид; МакКлюр, Патрик (январь 2013 г.). «Эксперимент DUFF. Что было изучено?» . Ядерные и новые технологии для космоса .

[Mars_20170629-15] Ирен Клотц (29 июня 2017 г.). «НАСА испытает энергию ядерного деления для будущей колонии на Марсе» . Space.com . Архивировано из оригинала 18 апреля 2022 года . Проверено 15 ноября 2017 г.

[16] Санчес, Рене (март 2017 г.). «Киловаттный реактор с использованием технологии Стирлинга (KRUSTY), обновленная информация об эксперименте, Марси, 2017 г.» (PDF) . Национальный исследовательский центр экспериментов по критичности . Архивировано (PDF) из оригинала 18 апреля 2022 г. Проверено 25 апреля 2018 г.

[Nerva_III-17] «КРАСТИ: У нас есть деление! Киломощность, часть III» . За пределами НЕРВЫ . за пределами нервной системы. 2 мая 2018 г. Архивировано из оригинала 18 апреля 2022 г. Проверено 16 мая 2018 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]