Реактор Kilopower на Луне (рендер).
В 2017 году в центре им. Гленна НАСА были проведены полномасштабные тепловакуумные испытания прототипа реактора с использованием электрического имитатора тепла распада внутри имитатора активной зоны из обедненного урана. В целом надо отметить, что отработка механизма передачи тепла от активной зоны в генераторы на базе двигателей Стирлинга (далее — ГДС) с помощью тепловых труб являлась чуть ли не самой сложной и важной частью проекта, поэтому затянулась на 3 года. В частности, сложной задачей является запуск натриевых тепловых труб, в которых надо расплавить и испарить часть натрия, чтобы образовался достаточный тепловой поток, но при этом не перегреть их. Учитывая «самоуправляемый» характер реактора это не так-то и просто с точки зрения инженерии. Финальный цикл испытаний с болванкой обедненного уран-молибденового сплава был нацелен на испытания тепловых переходов между активной зоной (АЗ) и тепловыми трубами.
Температура в тепловых трубах Kilopower при запуске системы. Термопары расположены по возрастанию номера от имитатора АЗ к приемнику тепла (горячему концу ГДС).
Однако, хотя высокотемпературные тепловые трубы и ГДС — штуки интересные, все это мало касалось ядерной части Kilopower. Полноценный эксперимент с ядерным источником тепла был назван KRUSTY (Kilopower Reactor Using Stirling TechnologY) и проводился с осени 2017 по март 2018 в лаборатории DAF, расположенной в Невадском ядерном полигоне. В этой лаборатории (которая раньше была место сборки ядерных зарядов для испытательных взрывов на полигоне) сейчас расположено четыре критсборки (критсборками называют ядерные реакторы нулевой или малой мощности, используемые для верификации нейтронных расчетов) которые используются ядерными лабораториями США для различных экспериментов (в т.ч. довольно мирных — например для измерения дозиметрических констант). Кстати, именно в этой лаборатории началась история Kilopower, т.к. именно здесь расположена критсборка Flattop, на которой в 2011 году провели испытания концептуального прототипа реактора.
Критсборка — донор. Для KRUTSY использована рама и нижняя подвижная система.
Для эксперимента KRUSTY была взята машина Comet, раньше представляющая собой сдвигаемые по вертикали половинки из урановых болванок и отражателей. Теперь сверху разместили собственно Kilopower с вакуумной камерой а подвижной системой на болванку из обогащенного урана надвигали отражатель из оксида бериллия.
Сборка из машины Comet и реактора Kilopower, использованная в эксперименте KRUSTY. Запуск реактора осуществляется путем надвижки бокового отражателя из оксида бериллия на активную зону реактора
После сборки активной зоны (что, кстати, представляет собой отдельный поджанр — с кучей ограничений по наличию рядом людей, материалов) были проведены испытания поведения системы при отказах различных систем. NASA здесь пишет «conducted without power», однако из плана экспериментов вырисовывается несколько другая картина
Сборка активной зоны прототипа космического реактора. Одно из часто встречающихся ограничений при работе с критичными сборками — ограничение на присутствие людей рядом (скажем не более 2 человек в радиусе 2 метров), чтобы не испытывать судьбу наличием большого количества водяных отражателей вокруг оружейного материала. Элементы собираемые инженерами описаны на картинке ниже:
Далее был выполнен физический пуск реактора без системы преобразования с измерениями реактивностных характеристик отражателя и размножающих свойств системы а также, судя по планам — пускового поглощающего стержня из карбида бора, который проектно устанавливается в центре активной зоны и гарантирует незапуск реактора при нештатных ситуациях, например падении при выводе на орбиту.
Запланированные эксперименты включали в себя вводы реактивности при холодном состоянии реактора в 0,8 и 3 доллара (1 доллар означает превышение над критичностью равное доле запаздывающих нейтронов, после чего скорость разгона реактора резко увеличивается). При этом происходит рост нейтронной мощности (в случае ввода 3 долларов — быстрый) пока нагрев и расширение топливо не введет отрицательную реактивность и реактор не «успокоится» на определенном уровне мощности.
По планам со слайда выше должны были были измерены размножающие свойства различных элементов сборки при различных температурах.
Здесь надо отметить, что пресс-релиз NASA/DOE весьма скуп на детали, что же в реальности было сделано, но я на 99% уверен, что именно эти измерения были проведены зимой. Без экспериментальной проверки размножающих свойств реактора ему навсегда бы будет суждено остаться бумажными и не быть допущенным до пусков.
Установка вакуумной камеры на «преобразовательную часть» Kilopower во время зимних тестов.
Наконец, были проведены комплексные испытания системы с пуском реактора и преобразовательной системы, выходом на номинал и прогоном на мощности. Весь тест занял 28 часов, из графика разогрева тепловых труб выше можно предположить что опыт выглядел как «старт за 4 часа + 24 часа работы на номинале». Проводились ли при этом испытания по самоуправляемости реактора (изменение тепловой мощности при изменении нагрузки), не сообщается, но одна картинка из пресс-релиза заставляет предположить, что да, проводились:
Сильнокликабельно
На заднем плане тут стойки управления критсборками GODIVA IV и Comet, на экранах можно разглядеть стенд из Comet с Kilopower, отражатель поднят в режим «пуск» и снег на экранах камеры тоже намекает, что это момент длительного прогона. На экранах на заднем столе, надо полагать какие-то ядерные параметры сборки, на экранах ближе к нам — графики температуры с термопар и состояние систем и инструментирования. Зубцы на графиках температуры вполне можно представить себе как включения дополнительных нагрузок. Планы на этот прогон тоже подтверждают эти идею:
На пресс-конференции инженер НАСА еще отметил, что «команда провела испытания последовательности запуска, параметров при работе на номинале, эффективность — причем по всем измеряемым параметрам система удовлетворяет требованиям».
Так или иначе для NASA/DOE это значительный шаг. За предыдущие 40 лет ни один проект гражданского космического реактора не дошел до физпуска, хотя этапы разработки и тепловакуумных испытаний прошли многие. Про военные проекты известно меньше, как минимум для реактора SP-100 испытания зашли весьма далеко — возможно что он был испытан в виде критсборки нулевой мощности. Этот успех невероятен на фоне десятилетий, которые тратили предыдущие, так и не дошедшие до полноценных наземных испытаний, проекты. Однако несмотря на отличную концепцию и успешную наземную отработку, будущее Kilopower неясно.
Концепции миссий к целям в поясе Койпера с применением 10-киловаттной версии Kilopower для обепечения тяги аппаратов.
Область применения подобного реактора хоть и относительно немаленькая, но одновременно и не такая большая: замена РИТЭГам в миссиях автоматических межпланетных станций за пределы орбиты Юпитера, в случае разработки 10 кВт версии — также снабжение электроэнергией пилотируемых миссий на Луну (хотя относительно миссий на лунный полюс вопрос спорный) и главное — снабжение электропитанием ЭРД миссий к дальним телам солнечной системы. Последняя опция, называемая Nuclear Electrical Propulsion самая продуктивная в смысле улучшения возможностей космических аппаратов и позволяет достичь целей, которые невозможно достичь на химических реактивных двигателях, например орбиты Харона, Плутона и других тел пояса Койпера.
Однако 10 киловаттную версию еще надо разработать. С использованием 380-ваттных тепловых труб, которые есть на прототипе это невозможно, и вообще задача отвести 40 киловатт тепла от относительно небольшой болванки из урана без движущегося теплоносителя выглядит трудной. Вполне возможно, что разработка 10 киловаттного реактора затянется надолго, и неплохо бы найти потребителей и на 1-киловаттную версию, что бы реактор залетал.
Замена же РИТЭГов (особенно их версий со ГДС) мало что дает в силу большого собственного веса Kilopower, кроме потенциального удешевления аппаратов (РИТЭГи обходятся НАСА в сумму порядка 100 млн долларов за киловатт, явно дороже Kilopower). Мейнстримное проектирование аппаратов НАСА продолжает делать оценки с использованием плутониевых РИТЭГов!
Планируемые НАСА миссии к Нептуну и Урану пока несут на борту РИТЭГи — развитие бортового энергоисточника ровера Curiocity.
Пилотируемые же базы/долговременные миссии где-то на Луне или Марсе же остаются в концептуальной фазе уже много десятилетий, и не похоже, что это та лошадь, которая способна вытащить Kilopower в космос. Собственно даже дальние АМС предусматривают темп запусков 1 раз в 10 лет, а то и реже. Думается, следующий шаг должна сделать именно НАСА, найдя достойную миссию для Kilopower и сделать его как можно скорее. Будем надеятся, что в ближайший год мы такой выбор увидим, что даст наилучшие шансы на появления нового ядерного реактора в космосе, чего мы не видели уже очень давно.
Комментарии (30)
tnenergy Автор
05.05.2018 13:48+1Как понимаю вес 10kW версии предполагается несколько тонн?
Нет, в концептуальных расчетах используется вес всей ЯЭУ на 10 кВт ~1200 кг. Для 1 киловатта это порядка 400 кг.
И разрабатываться это ещё будет 10-20 лет?
Не знаю. Тут вопрос в том, насколько инженерно реалистична высокотемпературная тепловая труба, скажем, на 3 киловатта тепла — если реалистична, то можно сделать быстрее, если нужны какие-то серьезные разработки, то все затянется.
Мне рассказывали о существующих 10Mwt ( эелктрической мощности)реакторах помещающихся в грузовик и существующих сейчас.
Нет, такого точно нет. 10 мегаваттный(э) реактор даже с биозащитой местным грунтом будет весить тонн 100 (в основном за счет системы сброса тепла, конечно)… хотя есть грузовики и на 100 тонн...
george_vernin
05.05.2018 14:17Там где я смотрел у концепта killopowwer 10kW масса 1550.
У FSP ( fussion surface power )3 т
Но суть понятна.
Большие реакторы рассчитанные на длительную работу (10ки лет) и с защитами( пусть даже без био защиты) и прочими механизмами будут веситьза рамками современных возможностей космонавтикиtnenergy Автор
05.05.2018 14:48+1Большие реакторы рассчитанные на длительную работу (10ки лет) и с защитами( пусть даже без био защиты) и прочими механизмами будут веситьза рамками современных возможностей космонавтики
Можно подумать, что потребность в таких "больших реакторах" в рамках современного состояния космонавтики. Для МКС и даже Deep Space Gateway 10 мегаваттный реактор не нужен.
george_vernin
05.05.2018 15:05Самое простое применение
Космический буксир с ЯЭДУ, который пытался даже роскосмос построить.
А дальше куча всего — Полеты крупных аппаратов к другим планетам, быстрые полеты и облеты астероидов, транспортировка астероидов и миллион других вещей.
Как говорится технологический прорыв
tnenergy Автор
05.05.2018 15:26+2А, ну конечно таких задач много — терраформирование планет, войны с колониями, варп-драйв в конце-концов.
Но что из этого реально? Даже буксир Роскосмоса (ТЭМ) выглядел не очень востребованным, а все остальные задачи в реальности не встречаются вообще.
george_vernin
05.05.2018 15:30-1Вполне востребованно.
Если бы буксир сделали нормально и в срок то можно было бы без 3й ступени кучу всего разгонять.
Про добычу на астероидах — думаю ближайшее будещее.
Уже законы принимают…tnenergy Автор
05.05.2018 16:05+1У вас упрощенное представление о реальности, на мой взгляд. Это не лего.
george_vernin
06.05.2018 02:04Именно упрощенные. 5 лет в космической отрасли, и свой бизес по производству комплектующих — это действительно пока «ниочем» по сравнению с инженером электонщиком — специалистом по лего
metric_ghost
05.05.2018 22:45Про добычу на астероидах — думаю ближайшее будещее.
Уже законы принимают…
Ближайшим будущим добыча на астероидах может стать только в случае, если принимаемые законы — это новые законы физики. А пока с физикой складывается не очень.george_vernin
06.05.2018 02:13К чему пустые заявления?
Прогнозы сегодня говорят о том что эта отрасль бурно развивается
Через 10 лет пробные миссии, 20 лет развитие индустрии.
phys.org/news/2017-10-asteroid-years-industry-expert.html
futurist.ru/news/4005-zakon-o-dobiche-iskopaemih-na-asteroidah-zarabotaet-v-lyuksemburge-s-1-avgusta
ria.ru/science/20170920/1505147158.html
Даже россии во главе с роскосмосом беспокоится об этом — Кабы не произошло :)
tass.ru/kosmos/4801166
russian.rt.com/science/article/436642-roskosmos-iskopaemye-kosmos-lyuksemburg
www.interfax.ru/world/591239
Я готов деньги вложить в эту область.
Могу и на спор деньги поставить — пока выигрывал в большом количестве
black_semargl
07.05.2018 11:39Только при полётах к дальним планетам реактор выигрывает у солнечных батарей…
Ну и поверхность, например Луны где полмесяца света нет.
darthmaul
06.05.2018 14:39насколько инженерно реалистична высокотемпературная тепловая труба, скажем, на 3 киловатта тепла
А почему обязательно использовать тепловую трубу вместо обычной трубы с высокотемпературным теплоносителем?Javian
07.05.2018 06:24теплоноситель должен циркулировать — как минимум насос нужен. А труба сама по себе работает.
tnenergy Автор
07.05.2018 09:53А почему обязательно использовать тепловую трубу вместо обычной трубы с высокотемпературным теплоносителем?
Ну в этом фишка проекта Kilopower — максимально простой реактор. С текущим теплоносителем была предыдущая разработка FSP, которая не дошла до ядерных испытаний, но была поэлементно отработана.
Вариант с прокачкой теплоносителя несет следующие системные минусы на фоне KIlopower:
-создание топлива традиционной конфигурации (с твэлами), которое требуется сначала испытать потвэльно/ТВС в исследовательском реактора, а затем уже проводить испытаний в сборе
-создание системы разморозки жидкого натрия (100500 обогревателей)
-создание всей жидкосной системы 1 контура — магниты, фильтры, компенсатор давления, все это дублированное.
-испытать весь этот набор устройств
В итоге получается более тяжелое и сложное устройство и гораздо более тяжелые и сложные испытания. Поскольку НАСА проходило этот путь неоднократно (3 проекта за 30 последних лет) и ни разу так не дошло до наземных ядерных испытаний (по причине дороговизны и сложности), то решили попробовать создать что-то максимально простое. Получилось.
Dzp
05.05.2018 16:05Как всё это будет в вакууме работать? Где холодильник и его масса.
Наделикастрюлювакуумную камеру на «преобразовательную часть» и провели успешные испытания. Охлаждение кастрюли атмосферным воздухом учитывали?tnenergy Автор
05.05.2018 16:08+1Как всё это будет в вакууме работать?
Надо полагать, что прекрасно будет работать.
Где холодильник и его масса.
Во всех описаниях и рендерах космического варианта холодильник описан и просматривается.
Охлаждение кастрюли атмосферным воздухом учитывали?
Я вам больше скажу — вместо радиатора-излучателя во всех этих экспериментах использовался имитатор. Холодильник полноценно испытывался в других экспериментах, для FSP например.
dozzvidania
07.05.2018 02:06Вопрос в тему поста: насколько мне известно, у нас на орбите в 700-800 км находятся три десятка отработавших своё ядерных реакторов (советских ЯЭУ «Бук») полных ОЯЭ на борту. Какова вероятность, что эти хреновины когда-нибудь войдут в атмосферу и каковы могут быть последствия?
tnenergy Автор
07.05.2018 09:46Какова вероятность, что эти хреновины когда-нибудь войдут в атмосферу
Обязательно войдут в атмосферу. Срок существования там от 800 лет до 4000 для разных "БУКов"
каковы могут быть последствия
С высокой вероятностью никаких последствий не будет — прилетевший ОЯТ просто рассеется в атмосфере. Хотя по нынешним правилам так делать нельзя, потому что вероятность, что кто-то преждевременно умрет от рака, индуцированного внутренним облучением от частички с плутонием или америцием ненулевая.
black_semargl
07.05.2018 11:45В своё время сосчитали, что даже если все четыре реактора Фукусимы растворить в океане — его радиоактивность вырастет всего на 1%
Атмосфера конечно поменьше, но её тоже дохрена. А вот если до грунта долетит — в этом месте будет неприятно
differentlocal
07.05.2018 13:21Ничего не будет. К моменту входа активность уже изрядно упадет, во-первых. А во-вторых — оно или упадет крупным куском (если вдруг) и заразит смешную площадь, или сгорит и рассеется в атмосфере, увеличив естественный фон на доли процента.
george_vernin
Как понимаю вес 10kW версии предполагается несколько тонн?
И разрабатываться это ещё будет 10-20 лет?
Помнится я говорил про трудности выработки энергии на Марсе
В рамках колонизации
Мне рассказывали о существующих 10Mwt ( эелктрической мощности)реакторах помещающихся в грузовик и существующих сейчас.
В статье хорошо описаны существующие проблемы.
Теплоотвод итд.
Так что 10mWt работающий ЯР помещающийся в современную ракету пока увы фантастика
vasimv
Потому что не надо путать то что повезут на Марс с готовым собранным реактором. Ядро реактора на мегаватты с минимальной защитой втиснуть в несколько тонн — можно прямо сейчас. Турбину, насосы и конденсаторы — отдельными посылками, часть из этого можно даже будет на Марсе производить, когда хоть немного устроятся. Воду и многотонную защиту — на Марс везти точно не надо.
Реакторы типа Kilopower будут для Марса не основным источником электричества, а скорее стартовым/аварийным.
KostaArnorsky
На Марсе нет проблемы теплоотвода, это не открытый космос.