Kilopower - Kilopower

Kilopower reaktor
Kilopower experiment.jpg
Prototyp jaderného reaktoru Kilopower NASA o výkonu 1 kW pro použití ve vesmírných a planetárních površích
GeneraceExperimentální
Koncept reaktoruStirlingův motor
PostaveníVe vývoji
Hlavní parametry aktivní zóny reaktoru
Palivo (štěpný materiál )HEU: 235U
Stav palivaPlný (litý válec)
Primární kontrolní metodaKarbid boru ovládací tyč
Neutronový reflektorOxid berylnatý radiální reflektor
Primární chladivoSodík tepelné trubky
Využití reaktoru
Primární použitíDlouhodobé vesmírné mise
Napájení (tepelné)4,3–43,3 kWth
Napájení (elektrické)1–10 kW
webová stránkawww.nasa.gov/ ředitelství/ spacetech/ kilopower

Kilopower je experimentální projekt zaměřený na výrobu nových jaderné reaktory pro kosmické lety.[1][2] Projekt byl zahájen v říjnu 2015 pod vedením NASA a Srna Je Národní správa jaderného zabezpečení (NNSA).[3] Od roku 2017 měly být reaktory Kilopower dodávány ve čtyřech velikostech, schopných vyrábět od jedné do deseti kilowattů elektrické energie (1-10 kWE) nepřetržitě po dobu dvanácti až patnácti let.[4][5] The štěpný reaktor používá uran-235 k výrobě tepla, které se přenáší do Stirlingovy převaděče s pasivním sodíkem tepelné trubky.[6] V roce 2018 byly pozitivní výsledky testů pro Kilopower reaktor využívající technologii Stirling (KRUSTY) byl vyhlášen demonstrační reaktor.[7]

Mezi potenciální aplikace patří jaderný elektrický pohon a stálý přísun elektřiny pro posádkové nebo robotické vesmírné mise, které vyžadují velké množství energie, zejména tam, kde je sluneční světlo omezené nebo není k dispozici. NASA také studovala reaktor Kilopower jako zdroj energie pro mise na Marsu s posádkou. Během těchto misí byl reaktor odpovědný za napájení strojů nezbytných k oddělení a kryogenickému ukládání kyslíku z marťanské atmosféry pro pohonné hmoty pro výstupová vozidla. Jakmile lidé dorazí, reaktor by napájel jejich systémy na podporu života a další požadavky. Studie NASA ukázaly, že 40 kWE reaktor by stačil na podporu posádky 4 až 6 astronautů.[8]

Popis

Reaktor je poháněný palivem slitinou 93% uran-235 a 7% molybden.[9][10] Jádro reaktoru je pevná litá slitinová struktura obklopená a oxid berylnatý reflektor, který zabraňuje neutronům v úniku z jádra reaktoru a umožňuje pokračování řetězové reakce. Reflektor také snižuje emise gama záření které by mohly narušit palubní elektroniku.[11] Výhodou uranového jádra je vyhýbání se nejistotě v zásobování jinými radioizotopy, jako je plutonium, které se používají v RTG.[12] Uran-235 má zřetelnou nevýhodu, že jeho poločas je více než 700 milionů let, zatímco poločas plutonia použitého v RTG je 87,7 let.

Prototyp KRUSTY 1 kWE Reaktor Kilopower váží 134 kg a obsahuje 28 kg 235
U
. Prostor o výkonu 10 kWE Očekává se, že Kilopower pro Mars bude mít celkem 1 500 kg (s jádrem 226 kg) a bude obsahovat 43,7 kg 235
U
.[5][13]

Jaderná reakce ovládání je zajištěno jedinou tyčí karbid boru, což je absorbér neutronů. Reaktor má být spuštěn studený, aby se zabránilo tvorbě vysoce radioaktivních látek štěpné produkty. Jakmile reaktor dosáhne svého cíle, je odstraněna bórová tyč absorbující neutrony, aby umožnila jaderná řetězová reakce začít.[9] Jakmile je reakce zahájena, rozklad a série štěpných produktů nelze úplně zastavit. Hloubka zasunutí ovládací tyče však poskytuje mechanismus pro nastavení rychlosti, jakou se štěpí uran, což umožňuje, aby tepelný výkon odpovídal zatížení.

Pasivní tepelné trubky plněné tekutý sodík přenášet teplo aktivní zóny reaktoru na jeden nebo více volných pístů Stirlingovy motory, které produkují vratný pohyb k pohonu lineárního elektrický generátor.[14] The bod tání sodíku je 98 ° C (208 ° F), což znamená, že kapalný sodík může volně proudit při vysokých teplotách mezi asi 400 a 700 ° C (750 až 1300 ° F). Jaderná štěpná jádra typicky pracují při asi 600 ° C (1100 ° F).

Reaktor je navržen tak, aby byl jiskrově bezpečný v široké škále prostředí a scénářů. Ke zmírnění a. Se používá několik mechanismů zpětné vazby jaderné zhroucení. Primární metodou je pasivní chlazení, které nevyžaduje žádné mechanické mechanismy pro cirkulaci chladicí kapaliny. Návrh reaktoru je samoregulační prostřednictvím konstrukční geometrie, která vytváří negativ koeficient teplotní reaktivity.[15] To ve skutečnosti znamená, že se zvyšující se potřebou energie klesá teplota reaktoru. To způsobí, že se zmenší a zabrání úniku neutronů, což zase způsobí zvýšení reaktivity a zvýšení výkonu, aby byla uspokojena poptávka. Toto funguje také obráceně pro časy nižší spotřeby energie.[13]

Demonstrace pomocí plochých štěpení

Vývoj Kilopower začal experimentem s názvem DUFF nebo Demonstrace pomocí plochých štěpení, který byl testován v září 2012 s využitím stávajícího Plochý vršek montáž jako zdroj jaderného tepla. Když byl DUFF testován v zařízení pro montáž zařízení v Nevada Test Site, se stal prvním Stirlingovým motorem poháněným štěpnou energií a prvním použitím tepelné trubice k přenosu tepla z reaktoru do systému přeměny energie.[16] Podle Davida Postona, vedoucího konstrukčního týmu kompaktních štěpných reaktorů, a Patricka McClura, manažera pro malé projekty jaderných reaktorů v Národní laboratoř Los Alamos,[1] experiment DUFF ukázal, že „u nízkoenergetických reaktorových systémů lze jaderné testování provést s rozumnými náklady a harmonogramem v rámci stávající infrastruktury a regulačního prostředí“.[16]

KRUSTY testování a první štěpení

Maketa jádra ochuzeného uranu, vyrobená v Y-12 pro experiment KRUSTY.
Tepelné trubky KRUSTY během zkoušky elektrického ohřevu

V roce 2017 byl dokončen zkušební reaktor KRUSTY. KRUSTY je navržen tak, aby produkoval až 1 kilowatt elektrická energie a je asi 1,9 metru vysoký.[17] Cílem zkušebního reaktoru je těsné sladění provozních parametrů, které by byly vyžadovány při misích hlubokého vesmíru NASA.[18] První testy používaly a ochuzený uran jádro vyrobené společností Komplex národní bezpečnosti Y-12 v Tennessee. The ochuzený uran jádro je přesně stejný materiál jako běžné vysoce obohacený uran (HEU) jádro s jediným rozdílem je úroveň obohacování uranu.[1]

Prototyp Kilopower využívá pevný litý uran 235 jádro reaktoru, o velikosti role papírového ručníku. Teplo reaktoru se přenáší pasivním sodíkem tepelné trubky, přičemž teplo se převádí na elektřinu pomocí Stirlingovy motory. Testování k získání úroveň připravenosti technologie (TRL) 5 byla zahájena v listopadu 2017 a pokračovala do roku 2018.[4] Testování KRUSTY představuje poprvé Spojené státy provedla pozemní zkoušky na jakémkoli vesmírném reaktoru od roku 2004 SNAP-10A experimentální reaktor byl testován a nakonec letěl v roce 1965.[1]

Během listopadu 2017 až března 2018 proběhlo testování KRUSTY na Místo národní bezpečnosti v Nevadě. Testy zahrnovaly termické, materiálové a komponentní validace a vyvrcholily úspěšnou zkouškou štěpení na plný výkon. Byly simulovány různé poruchy na podpůrném zařízení, aby bylo zajištěno, že reaktor může bezpečně reagovat.[2]

Reaktor KRUSTY byl spuštěn na plný výkon 20. března 2018 během 28hodinového testu s použitím a 28 kg jádro reaktoru uran-235. Bylo dosaženo teploty 850 ° C (1560 ° F), produkující asi 5,5 kW štěpné energie. Test vyhodnotil scénáře selhání, včetně vypnutí Stirlingových motorů, nastavení ovládací tyče, tepelného cyklování a deaktivace systému odvodu tepla. A Scram test uzavřel experiment. Test byl považován za velmi úspěšnou ukázku.[19]

Viz také

Reference

  1. ^ A b C d Gibson, Marc; Oleson, Steven; Poston, David; McClure, Patrick. „Vývoj reaktoru Kilopower NASA a cesta k misím s vyšší energií“ (PDF). NASA. Citováno 25. března 2018.
  2. ^ A b Jan Wittry, Gina Anderson. „Demonstrace prokazuje, že systém jaderného štěpení může poskytnout sílu pro průzkum vesmíru“. NASA. Citováno 2. května 2018.
  3. ^ „Technologie malého štěpení Kilopower (KP)“. TechPort.nasa.gov. NASA. 9. srpna 2011. Citováno 16. května 2018.
  4. ^ A b Loura Hall. „Posílení dosahu NASA na červenou planetu“. NASA.GOV. NASA. Citováno 15. listopadu 2017.
  5. ^ A b McClure, Patrick Ray (6. března 2017). „Vývoj vesmírných jaderných reaktorů“. Kontrola schopností jaderného inženýrství. LA-UR-17-21904: 16. Citováno 16. května 2018.
  6. ^ „Mediální snímky projektu Kilopower Project“ (PDF). NASA.GOV. NASA a Los Alamos. Citováno 26. ledna 2018.
  7. ^ Demonstrace prokazuje, že systém jaderného štěpení může poskytnout energii pro průzkum vesmíru. Sean Potter, zprávy NASA. 2. května 2018. ZPRÁVA 18-031.
  8. ^ „Vývoj reaktoru Kilopower NASA a cesta k misím s vyšší energií“ (PDF). NASA.
  9. ^ A b Gibson, Marc A .; Mason, Lee; Bowman, Cheryl; et al. (1. června 2015). „Vývoj malého energetického systému štěpení NASA pro vědu a průzkum člověka“. 50. společná konference o pohonu. NASA / TM-2015-218460: 4. Citováno 16. května 2018.
  10. ^ Jaderný reaktor NASA Kilopower by změnil hru v oblasti průzkumu vesmíru. Mark R. Whittington, Kopec. 10. května 2019.
  11. ^ Szondy, David (2. května 2018). „NASA úspěšně testuje vesmírný reaktor nové generace“. Nový Atlas. GIZMAG PTY LTD. Citováno 12. června 2018.
  12. ^ Foust, Jeff (10. října 2017). „Zásoba plutonia pro mise NASA čelí dlouhodobým výzvám - SpaceNews.com“. SpaceNews.com. Citováno 16. května 2018.
  13. ^ A b McClure, Patrick Ray (8. července 2019). „Malý štěpný reaktor pro planetární povrch a energii v hlubokém vesmíru“ (PDF). Citováno 16. července 2019. Citovat deník vyžaduje | deník = (Pomoc)
  14. ^ Patrascu, Daniel (3. května 2018). „NASA KRUSTY Nuclear Reactor Could Power Outposts on Mars for years“. autoevoluce. SoftNews NET. Citováno 12. června 2018.
  15. ^ „KRUSTY: First of a New Breed of Reactors, Kilopower Part II“. Kromě NERVA. beyondnerva. 19. listopadu 2017. Citováno 16. května 2018.
  16. ^ A b Poston, David; McClure, Patrick (leden 2013). „Experiment DUFF - co se dozvěděl?“. Jaderné a vznikající technologie pro vesmír.
  17. ^ Irene Klotz (29. června 2017). „NASA otestuje štěpnou energii pro budoucí kolonii Marsu“. ProfoundSpace.org. Citováno 15. listopadu 2017.
  18. ^ Sanchez, Rene (březen 2017). „Reaktor Kilowatt využívající Stirling TechnologY (KRUSTY) Aktualizace experimentu Marcy 2017“ (PDF). Výzkumné centrum experimentů s národní kritičností. Citováno 25. dubna 2018.
  19. ^ „KRUSTY: Máme štěpení! Kilopower část III“. Kromě NERVA. beyondnerva. 2. května 2018. Citováno 16. května 2018.

externí odkazy