Kilokraft
| Kilopower reaktor | |
|---|---|
 Prototyp NASA 1kW Kilopower kärnreaktor för användning i rymden och planetytor
| |
| Generation | Experimentell |
| Reaktor koncept | Stirling motor |
| Status | Under utveckling |
| Huvudparametrar för reaktorhärden | |
| Bränsle ( klyvbart material ) | HEU : 235 U |
| Bränsletillstånd | Solid (gjuten cylinder) |
| Primär kontrollmetod | Styrstav av borkarbid |
| Neutronreflektor | Berylliumoxid radiell reflektor |
| Primär kylvätska | Natrium värmerör |
| Reaktoranvändning | |
| Primär användning | Långvariga rymduppdrag |
| Ström (termisk) | 4,3–43,3 kW th |
| Ström (elektrisk) | 1–10 kW |
| Hemsida | |
Kilopower är ett experimentprojekt som syftar till att producera nya kärnreaktorer för rymdresor . Projektet startade i oktober 2015, ledd av NASA och DoE :s National Nuclear Security Administration (NNSA). Från och med 2017 var Kilopower-reaktorerna tänkta att komma i fyra storlekar, kunna producera från en till tio kilowatt elektrisk effekt (1-10 kW e ) kontinuerligt i tolv till femton år. Klyvningsreaktorn använder uran-235 för att generera värme som transporteras till Stirling-omvandlare med passivt natriumvärmerör . Under 2018 tillkännagavs positiva testresultat för demonstrationsreaktorn Kilopower Reactor Using Stirling Technology ( KRUSTY ) .
Potentiella applikationer inkluderar nukleär elektrisk framdrivning och en jämn elförsörjning för besättnings- eller robotuppdrag som kräver stora mängder kraft, särskilt där solljus är begränsat eller inte tillgängligt. NASA har också studerat Kilopower-reaktorn som strömförsörjning för bemannade Mars-uppdrag. Under dessa uppdrag skulle reaktorn vara ansvarig för att driva det maskineri som är nödvändigt för att separera och kryogent lagra syre från Mars atmosfär för drivmedel för stigande fordon. När människor anländer skulle reaktorn driva deras livsuppehållande system och andra krav. NASA-studier har visat att en 40 kW e reaktorn skulle vara tillräcklig för att stödja en besättning på mellan 4 och 6 astronauter.
Beskrivning
Reaktorn drivs av en legering av 93% uran-235 och 7% molybden . Kärnan i reaktorn är en solid gjuten legeringsstruktur omgiven av en berylliumoxidreflektor , som förhindrar neutroner från att fly från reaktorhärden och låter kedjereaktionen fortsätta. Reflektorn minskar också utsläppen av gammastrålning som kan försämra elektroniken ombord. En urankärna har fördelen av att undvika osäkerhet i tillgången på andra radioisotoper, såsom plutonium-238, som används i RTG .
Prototypen KRUSTY 1 kW e Kilopower reaktor väger 134 kg och innehåller 28 kg 235
U
. Den utrymmesklassade 10 kW e Kilopower för Mars förväntas väga 1500 kg totalt (med en kärna på 226 kg) och innehålla 43,7 kg av 235
U
.
Kärnreaktionskontroll tillhandahålls av en enda stav av borkarbid , som är en neutronabsorbator . Reaktorn är avsedd att lanseras kallt, vilket förhindrar bildandet av högradioaktiva fissionsprodukter . När reaktorn når sin destination tas den neutronabsorberande borstaven bort för att tillåta kärnkedjereaktionen att starta. När reaktionen väl initieras, sönderfall av en serie av fissionsprodukter kan inte stoppas helt. Djupet på införandet av styrstaven ger dock en mekanism för att justera hastigheten med vilken uran klyvs, vilket gör att värmeeffekten kan matcha belastningen.
Passiva värmerör fyllda med flytande natrium överför reaktorns härdvärme till en eller flera frikolvs Stirling-motorer , som producerar fram- och återgående rörelse för att driva en linjär elektrisk generator . Smältpunkten för natrium är 98 °C (208 °F), vilket innebär att flytande natrium kan flöda fritt vid höga temperaturer mellan cirka 400 och 700 °C (750 och 1 300 °F) . Kärnklyvningskärnor arbetar vanligtvis vid cirka 600 °C (1 100 °F).
Reaktorn är designad för att vara egensäker i en mängd olika miljöer och scenarier. Flera återkopplingsmekanismer används för att mildra en kärnsmälta . Den primära metoden är passiv kylning, som inte kräver några mekaniska mekanismer för att cirkulera kylvätska. Reaktorkonstruktionen är självreglerande genom designgeometri som skapar en negativ temperaturreaktivitetskoefficient . I praktiken betyder detta att när effektbehovet ökar sjunker temperaturen i reaktorn. Detta får den att krympa, vilket förhindrar att neutroner läcker ut vilket i sin tur gör att reaktiviteten ökar och uteffekten ökar för att möta efterfrågan. Detta fungerar även omvänt för tider med lägre effektbehov.
Demonstration med Flattop Fissions
Utvecklingen av Kilopower började med ett experiment som heter DUFF eller Demonstration Using Flattop Fissions, som testades i september 2012 med den befintliga Flattop -enheten som en kärnvärmekälla. När DUFF testades vid Device Assembly Facility vid Nevada Test Site , blev det den första Stirling-motorn som drevs av fissionsenergi och den första användningen av ett värmerör för att transportera värme från en reaktor till ett kraftomvandlingssystem. Enligt David Poston, ledaren för Compact Fission Reactor Design Team, och Patrick McClure, chef för små kärnreaktorprojekt vid Los Alamos National Laboratory , DUFF-experimentet visade att "för lågeffektreaktorsystem kan kärntekniska tester utföras med rimliga kostnader och tidsplaner inom den befintliga infrastrukturen och regleringsmiljön".
KRUSTIG testning och första fission
2017 färdigställdes testreaktorn KRUSTY. KRUSTY är designad för att producera upp till 1 kilowatt elkraft och är cirka 6,5 fot hög (1,9 meter). Målet med testreaktorn är att nära matcha de driftsparametrar som skulle krävas i NASAs djupa rymduppdrag. De första testerna använde en av utarmat uran tillverkad av Y-12 National Security Complex i Oak Ridge, Tennessee. Den utarmade urankärnan är exakt samma material som det vanliga höganrikade uranet (HEU) kärna med den enda skillnaden är nivån av urananrikning .
Prototypen Kilopower använder en solid, gjuten uran-235 reaktorkärna , ungefär lika stor som en pappershandduksrulle. Reaktorvärme överförs via passiva natriumvärmerör , varvid värmen omvandlas till elektricitet av Stirling-motorer . Testning för att uppnå teknologisk beredskapsnivå (TRL) 5 startade i november 2017 och fortsatte in i 2018. Testningen av KRUSTY representerar första gången USA har genomfört marktester på någon rymdreaktor sedan SNAP-10A experimentreaktorn testades och så småningom flögs år 1965.
Under november 2017 till mars 2018 genomfördes testning av KRUSTY på Nevada National Security Site . Testerna inkluderade termisk, material- och komponentvalidering och kulminerade i ett framgångsrikt fissionsförsök med full effekt. Olika fel i stödutrustningen simulerades för att säkerställa att reaktorn kunde reagera säkert.
KRUSTY-reaktorn kördes med full effekt den 20 mars 2018 under ett 28-timmars test med en 28 kg uran-235 reaktorhärd. En temperatur på 850 °C (1 560 °F) uppnåddes, vilket producerade cirka 5,5 kW fissionseffekt. Testet utvärderade felscenarier inklusive att stänga av Stirling-motorerna, justera styrstaven, termisk cykling och inaktivera värmeavlägsningssystemet. Ett Scram -test avslutade experimentet. Testet ansågs vara en mycket lyckad demonstration.