Kilopower es un proyecto experimental destinado a producir nuevos reactores nucleares para viajes espaciales . [1] [2] El proyecto se inició en octubre de 2015, dirigida por la NASA y el Departamento de Energía ‘s Administración Nacional de Seguridad Nuclear (NNSA). [3] A partir de 2017, los reactores Kilopower estaban destinados a venir en cuatro tamaños, capaces de producir de uno a diez kilovatios de energía eléctrica (1-10 kW e ) de forma continua durante doce a quince años. [4] [5] El reactor de fisión utiliza uranio-235 para generar calor que se transporta a los convertidores Stirling.con tubos de calor de sodio pasivo . [6] En 2018, se anunciaron resultados positivos de las pruebas del reactor de demostración Kilopower Reactor Using Stirling Technology ( KRUSTY ). [7]
Reactor de kilopotencia | |
---|---|
Generacion | Experimental |
Concepto de reactor | motor Stirling |
Estado | En desarrollo |
Principales parámetros del núcleo del reactor. | |
Combustible ( material fisionable ) | HEU : 235 U |
Estado de combustible | Sólido (cilindro fundido) |
Método de control primario | Varilla de control de carburo de boro |
Reflector de neutrones | Reflector radial de óxido de berilio |
Refrigerante primario | Tubos de calor de sodio |
Uso del reactor | |
Uso primario | Misiones espaciales de larga duración |
Energía (térmica) | 4,3–43,3 kW th |
Energía (eléctrica) | 1–10 kW |
Sitio web | www |
Las aplicaciones potenciales incluyen la propulsión eléctrica nuclear y un suministro eléctrico constante para misiones espaciales tripuladas o robóticas que requieren grandes cantidades de energía, especialmente donde la luz solar es limitada o no está disponible. La NASA también ha estudiado el reactor Kilopower como fuente de alimentación para misiones tripuladas a Marte. Durante esas misiones, el reactor sería responsable de alimentar la maquinaria necesaria para separar y almacenar criogénicamente el oxígeno de la atmósfera marciana para los propulsores de los vehículos de ascenso. Una vez que lleguen los humanos, el reactor alimentaría sus sistemas de soporte vital y otros requisitos. Los estudios de la NASA han demostrado que un reactor e de 40 kW sería suficiente para mantener a una tripulación de entre 4 y 6 astronautas. [8]
Descripción
El reactor está alimentado por una aleación de 93% de uranio 235 y 7% de molibdeno . [9] [10] El núcleo del reactor es una estructura de aleación sólida rodeada por un reflector de óxido de berilio , que evita que los neutrones escapen del núcleo del reactor y permite que continúe la reacción en cadena. El reflector también reduce las emisiones de radiación gamma que podrían dañar la electrónica de a bordo. [11] Un núcleo de uranio tiene la ventaja de evitar la incertidumbre en el suministro de otros radioisótopos, como el plutonio , que se utilizan en los RTG . [12] El uranio-235 tiene la clara desventaja de que su vida media es de más de 700 millones de años, mientras que la vida media del plutonio utilizado en las RTG es de 87,7 años.
El prototipo del reactor KRUSTY 1 kW e Kilopower pesa 134 kg y contiene 28 kg de235
U
. Se espera que el espacio nominal de 10 kW e Kilopower para Marte tenga una masa de 1500 kg en total (con un núcleo de 226 kg) y contenga 43,7 kg de235
U
. [5] [13]
El control de la reacción nuclear lo proporciona una sola varilla de carburo de boro , que es un absorbedor de neutrones . El reactor está destinado a ser lanzado en frío, evitando la formación de productos de fisión altamente radiactivos . Una vez que el reactor llega a su destino, la barra de boro que absorbe neutrones se retira para permitir que comience la reacción en cadena nuclear . [9] Una vez que se inicia la reacción, la descomposición de una serie de productos de fisión no se puede detener por completo. Sin embargo, la profundidad de inserción de la barra de control proporciona un mecanismo para ajustar la velocidad a la que se fisiona el uranio, lo que permite que la salida de calor coincida con la carga.
Los tubos de calor pasivos llenos de sodio líquido transfieren el calor del núcleo del reactor a uno o más motores Stirling de pistón libre , que producen un movimiento alternativo para impulsar un generador eléctrico lineal . [14] El punto de fusión del sodio es 98 ° C (208 ° F), lo que significa que el sodio líquido puede fluir libremente a altas temperaturas entre 400 y 700 ° C (750 y 1300 ° F). Los núcleos de fisión nuclear suelen funcionar a unos 600 ° C (1100 ° F).
El reactor está diseñado para ser intrínsecamente seguro en una amplia gama de entornos y escenarios. Se emplean varios mecanismos de retroalimentación para mitigar una fusión nuclear . El método principal es el enfriamiento pasivo, que no requiere mecanismos mecánicos para hacer circular el refrigerante. El diseño del reactor se autorregula a través de una geometría de diseño que crea un coeficiente de reactividad de temperatura negativo . [15] En efecto, esto significa que a medida que aumenta la demanda de energía, la temperatura del reactor desciende. Esto hace que se encoja, evitando que los neutrones se filtren, lo que a su vez hace que aumente la reactividad y que la producción de energía aumente para satisfacer la demanda. Esto también funciona a la inversa para momentos de menor demanda de energía. [13]
Demostración con fisiones de superficie plana
El desarrollo de Kilopower comenzó con un experimento llamado DUFF o Demonstration Using Flattop Fissions , que se probó en septiembre de 2012 utilizando el ensamblaje Flattop existente como fuente de calor nuclear. Cuando se probó DUFF en la instalación de ensamblaje de dispositivos en el sitio de prueba de Nevada , se convirtió en el primer motor Stirling impulsado por energía de fisión y el primer uso de un tubo de calor para transportar calor desde un reactor a un sistema de conversión de energía. [16] Según David Poston, líder del Equipo de Diseño de Reactores de Fisión Compactos, y Patrick McClure, gerente de proyectos de pequeños reactores nucleares en el Laboratorio Nacional de Los Alamos , [1] el experimento DUFF mostró que "para sistemas de reactores de baja potencia , las pruebas nucleares se pueden realizar con un costo y un calendario razonables dentro de la infraestructura existente y el entorno regulatorio ". [dieciséis]
Prueba de KRUSTY y primera fisión
En 2017, se completó el reactor de prueba KRUSTY. KRUSTY está diseñado para producir hasta 1 kilovatio de energía eléctrica y mide aproximadamente 6,5 pies de alto (1,9 metros). [17] El objetivo del reactor de prueba es coincidir estrechamente con los parámetros operativos que se requerirían en las misiones del espacio profundo de la NASA. [18] Las primeras pruebas utilizaron un núcleo de uranio empobrecido fabricado por Y-12 National Security Complex en Tennessee. El núcleo de uranio empobrecido es exactamente el mismo material que el núcleo de uranio muy enriquecido (HEU) regular, con la única diferencia en el nivel de enriquecimiento de uranio . [1]
El prototipo Kilopower utiliza un núcleo de reactor sólido de uranio 235 fundido , aproximadamente del tamaño de un rollo de papel toalla. El calor del reactor se transfiere a través de tubos de calor de sodio pasivos , y los motores Stirling convierten el calor en electricidad . Las pruebas para obtener el nivel de preparación tecnológica (TRL) 5 comenzaron en noviembre de 2017 y continuaron en 2018. [4] Las pruebas de KRUSTY representan la primera vez que Estados Unidos realiza pruebas en tierra en cualquier reactor espacial desde que se probó el reactor experimental SNAP-10A. y finalmente voló en 1965. [1]
Durante noviembre de 2017 hasta marzo de 2018, se realizaron pruebas de KRUSTY en el sitio de seguridad nacional de Nevada . Las pruebas incluyeron validación térmica, de materiales y de componentes, y culminaron con una prueba de fisión exitosa a plena potencia. Se simularon varias fallas en el equipo de apoyo para garantizar que el reactor pudiera responder de manera segura. [2]
El reactor KRUSTY se hizo funcionar a plena potencia el 20 de marzo de 2018 durante una prueba de 28 horas utilizando un Núcleo del reactor de uranio 235 de 28 kg . Se alcanzó una temperatura de 850 ° C (1,560 ° F), produciendo aproximadamente5,5 kW de potencia de fisión. La prueba evaluó escenarios de falla, incluido el apagado de los motores Stirling, el ajuste de la barra de control, el ciclo térmico y la desactivación del sistema de eliminación de calor. Una prueba Scram concluyó el experimento. La prueba se consideró una demostración de gran éxito. [19]
Ver también
- Generador avanzado de radioisótopos Stirling
- Energía nuclear en el espacio
- Generador termoeléctrico de radioisótopos
- RAPID-L
- Pequeño reactor modular
- SNAP-10A
Referencias
- ^ a b c d Gibson, Marc; Oleson, Steven; Poston, David; McClure, Patrick. "Desarrollo del reactor Kilopower de la NASA y el camino hacia misiones de mayor potencia" (PDF) . NASA . Consultado el 25 de marzo de 2018 .
- ^ a b Jan Wittry, Gina Anderson. "La demostración demuestra que el sistema de fisión nuclear puede proporcionar energía de exploración espacial" . NASA . Consultado el 2 de mayo de 2018 .
- ^ "Kilopower Small Fission Technology (KP)" . TechPort.nasa.gov . NASA. 9 de agosto de 2011 . Consultado el 16 de mayo de 2018 .
- ^ a b Loura Hall. "Impulsando el alcance humano de la NASA para el planeta rojo" . NASA.GOV . NASA . Consultado el 15 de noviembre de 2017 .
- ^ a b McClure, Patrick Ray (6 de marzo de 2017). "Desarrollo del reactor nuclear espacial" . Revisión de la capacidad de ingeniería nuclear . LA-UR-17-21904: 16 . Consultado el 16 de mayo de 2018 .
- ^ "Diapositivas de medios del Proyecto Kilopower" (PDF) . NASA.GOV . NASA y Los Alamos . Consultado el 26 de enero de 2018 .
- ^ La demostración demuestra que el sistema de fisión nuclear puede proporcionar energía de exploración espacial . Sean Potter, Noticias de la NASA. 2 de mayo de 2018. COMUNICADO 18-031.
- ^ "Desarrollo del reactor Kilopower de la NASA y el camino hacia misiones de mayor potencia" (PDF) . NASA .
- ^ a b Gibson, Marc A .; Mason, Lee; Bowman, Cheryl; et al. (1 de junio de 2015). "Desarrollo del pequeño sistema de energía de fisión de la NASA para la exploración científica y humana" . 50ª Conferencia Conjunta de Propulsión . NASA / TM-2015-218460: 4 . Consultado el 16 de mayo de 2018 .
- ^ El reactor nuclear Kilopower de la NASA cambiaría las reglas del juego de la exploración espacial . Mark R. Whittington, La colina . 10 de mayo de 2019.
- ^ Szondy, David (2 de mayo de 2018). "La NASA prueba con éxito el reactor espacial de próxima generación" . Nuevo Atlas . GIZMAG PTY LTD . Consultado el 12 de junio de 2018 .
- ^ Foust, Jeff (10 de octubre de 2017). "El suministro de plutonio para las misiones de la NASA se enfrenta a desafíos a largo plazo - SpaceNews.com" . SpaceNews.com . Consultado el 16 de mayo de 2018 .
- ^ a b McClure, Patrick Ray (8 de julio de 2019). "Un pequeño reactor de fisión para la superficie planetaria y la energía del espacio profundo" (PDF) . Consultado el 16 de julio de 2019 . Cite journal requiere
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( ayuda ) - ^ Patrascu, Daniel (3 de mayo de 2018). "El reactor nuclear KRUSTY de la NASA podría alimentar puestos avanzados en Marte durante años" . autoevolución . SoftNews NET . Consultado el 12 de junio de 2018 .
- ^ "KRUSTY: Primero de una nueva generación de reactores, Kilopower Part II" . Más allá de NERVA . beyondnerva. 19 de noviembre de 2017 . Consultado el 16 de mayo de 2018 .
- ^ a b Poston, David; McClure, Patrick (enero de 2013). "El experimento DUFF - ¿Qué se aprendió?" . Tecnologías nucleares y emergentes para el espacio .
- ^ Irene Klotz (29 de junio de 2017). "NASA para probar el poder de fisión para la futura colonia de Marte" . Space.com . Consultado el 15 de noviembre de 2017 .
- ^ Sánchez, Rene (marzo de 2017). "Reactor de kilovatios con tecnología Stirling (KRUSTY), actualización del experimento Marcy 2017" (PDF) . Centro de Investigación de Experimentos de Criticidad Nacional . Consultado el 25 de abril de 2018 .
- ^ "KRUSTY: ¡Tenemos fisión! Kilopower parte III" . Más allá de NERVA . beyondnerva. 2 de mayo de 2018 . Consultado el 16 de mayo de 2018 .
enlaces externos
- Sitio web de Kilopower NASA
- Kilopower: una puerta de entrada a abundante energía para la exploración en YouTube
- Pequeño reactor para la exploración del espacio profundo - Laboratorio Nacional de Los Alamos en YouTube
- Kilopower Reactor - presentación pública en agosto de 2018 en YouTube
- Kilopower - hechos
- Concepto de reactor espacial KiloPower - Estudio de materiales del reactor