Kilopower - реактор для космоса

AtomInfo.Ru, ОПУБЛИКОВАНО 09.09.2019

В феврале 2019 года в Ричланде (США) прошла конференция американского ядерного общества, посвящённая различным вопросам применения ядерных технологий в космосе.

Один из докладов (авторы - D.I.Poston и др.) был посвящён американскому проекту реактора "Kilopower", разработанному для нужд космической программы США.

Простота концепции

Официально работы по созданию ядерных реакторов для космоса были свёрнуты в США после закрытия программы SNAP в 60-ых годах. По мнению авторов доклада, причиной этому являлась попытка разработчиков сделать первый шаг слишком большим, что на практике оказалось трудно.

Для любого первого в своём роде инженерного проекта важна простота. Необязательно выбирать наипростейшую конструкцию, но нужно проложить наипростейший путь через все стадии разработки.

В качестве хорошего примера авторы напомнили об эксперименте DUFF (Demonstration Using Flattop Fissions), проведённом на критстенде "Flattop". Он обошёлся менее чем в 1 миллион долларов и был завершён менее чем за полгода.

Следующим шагом стала программа KRUSTY (Kilowatt Reactor Using Stirling TechnologY), в рамках которой проводилась разработка реактора "Kilopower".

Реактор "Kilopower" использует механизм тепловых трубок для отвода тепла от твёрдого топливного блока. Мощность реактора - 1 кВт(э) или 10 кВт(э). В систему "Kilopower", кроме собственно реактора, входит также система преобразования энергии.

Простота проекта "Kilopower" наблюдается, в первую очередь, в нейтронной кинетике и динамике всей системы в целом. Кинетика компактного быстрого реактора определяется единственным фактором - изменениями в ядерных концентрациях и геометрии.

Твёрдотопливная зона устраняет любые потенциальные смещения топливных стержней или иных элементов активной зоны относительно друг друга. Геометрия фиксирована, за исключением небольших изменений вследствие термического расширения. Всё это существенно упрощает пусковые операции и управление реактором на мощности.

При мощности порядка 10 кВт изменение реактивности при выгорании настолько мало, что на протяжении 10 и даже более лет не требуется какого-либо перемещения органов управления. При больших мощностях такие перемещения изредка понадобятся с целью поддержания нужной температуры в реакторе.

Система "Kilopower"

Мощность и обогащение

Как уже сказано, для "Kilopower" рассматриваются два варианта по мощности - 5 кВт(т) и 50 кВт(т), что соответствует 1 кВт(э) и 10 кВт(э). Тепловая мощность реактора определяется двумя параметрами - мошностью теплопередачи тепловых трубок и максимальной температурой топлива. Отсюда при заданной мощности можно подобрать диаметр и количество тепловых трубок.

Вариантов по обогащению топлива также рассматривается два. В качестве топлива может выступать либо оружейный уран (93% обогащение), либо уран, известный как HALEU (19,75% обогащение, находится ниже границы, разделяющей условно мирный и военный ураны).

Авторы доклада признают, что вариант с ВОУ превосходит по своим показателям вариант с HALEU, и единственный значимый аргумент в пользу последнего - соображения по нераспространению. В настоящее время законодательство США позволяет использовать ВОУ для космических исследований. В программе экспериментов KRUSTY также использовался высокообогащённый уран.

На рисунке ниже по тексту можно видеть изображения из программы MCNP для четырёх вариантов реактора "Kilopower", получающихся путём комбинации перечисленных выше вариантов по мощности и обогащению. Жёлтым цветом показан топливный блок, синим - отражатель из BeO.

В ходе экспериментов по программе KRUSTY было показано, что при внешнем диаметре тепловых трубок 0,5 дюйма (12,7 мм) возможно отвести тепло от топливного блока. После чего разработчиками было принято решение использовать один и тот же диаметр 0,5 дюйма для всех мощностей реактора.

В докладе отмечается, что такой подход может негативно сказаться для вариантов с мощностью менее 1 кВт(э), а именно, привести к увеличению массы реакторной системы. Поэтому если появится потребность в вариантах "Kilopower" с такими мощностями, то решение об унификации диаметра тепловых трубок может быть пересмотрено.

Аналогично разработчики могут поступить, если потребуются варианты "Kilopower" с мощностями больше 10 кВт(э).

Защита и масса

Для космических применений принципиально важным параметром реакторных систем является их общая масса, а она, в свою очередь, зависит от предъявляемых требований по защите.

Для космических полётов авторы доклада рассматривают следующий вариант защиты - реактор сверху прикрыт тремя слоями LiH и вольфрама, которые, в свою очередь, накрыты "шляпой" из LiH (на иллюстрациях LiH показан зелёным цветом).

Для напланетных применений защита будет выглядеть по-иному. Она должна быть выполнена в варианте "4π" (всенаправленная). Рассмотренные в докладе предложения по защите имеют бутылкообразный вид.

Защита при космическом полёте

Защита для напланетного реактора

Применение гидрида лития в качестве материала защиты чревато рисками технологического характера. Потребуется проанализировать такие аспекты как поведение защиты в различных температурных режимах, выход водорода, а также опасность радиационного распухания при больших мощностях реактора.

Конечный пользователь системы "Kilopower" должен будет определиться, что для него важнее - убрать технологические риски путём перехода к защите из бериллия или B₄C или получить выигрыш в массе системы, используя защиту из гидрида лития.

По массе системы авторы доклада привели несколько вариантов, отличающихся требованиям по эффективности защиты.

Дозовая нагрузка на преобразователи Стирлинга во всех вариантах была выбрана одинаковой, а именно: 2×10¹⁴ nvt (E_n>100 кэВ) и 10 Мрад за 15 эффективных лет. Варьировались расстояние до защищаемых объектов и максимально допустимые нагрузки на данном расстоянии.

Так как расчёты, результаты которых приводятся в докладе, носят откровенно поисковый характер, то нет смысла их повторять. Для иллюстрации ниже приводятся результаты по массам для варианта космического полёта с наиболее жёсткими требованиями к защите - на расстоянии 4 метра за 15 эффективных лет не должно быть более 1×10¹¹ nvt (E_n>100 кэВ) и 25 крад.

Данные результаты показывают также зависимость массы от мощности реактора и от обогащения урана.

Вопросы выбора защиты при использовании "Kilopower" в пилотируемых полётах выходили за рамки доклада. В ранних работах было показано, что для доставки экипажа к напланетной базе мощность 40 кВт(э) может быть получена от системы массой от пяти до восьми тонн.

Технические сложности

Авторы доклада остановились на тех проблемах, которые предстоит решить до начала практического использования реакторной системы "Kilopower" в космических исследованиях. При этом они ограничились только теми проблемами, что касаются реакторной технологии.

Для реакторов мощностью 50 кВт(т) придётся разработать новый способ крепления тепловых трубок к топливу, отличный от использовавшегося в программе KRUSTY, в которой испытывался реактор мощностью 5 кВт(т).

При малых мощностях температурный перепад по топливу невелик, и тепловые трубки можно расставлять по периметру активной зоны, что упрощает их соединение с топливом. При мощностях свыше 10 кВт(т) такой вариант уже не проходит по температурам, и трубки придётся размешать внутри топливного блока.

Для таких мощностей рассматриваются три варианта соединения - пайка, диффузионная сварка и соединение с жидкометаллическим подслоем (liquid metal bond). Все эти варианты должны быть исследованы на предмет химической совместимости и потенциального массопереноса. Соответствующие работы уже начаты, первые результаты обнадёживающие.

Ряд недостатков имеется у выбранного для программы KRUSTY уран-молибденового топлива. У него относительно низкая температура плавления (в программе KRUSTY топливо работало при 880°C). Не так сложно сконструировать систему, предотвращающую плавление топлива, но даже с ней топливо будет "мягким" при рабочих температурах, и придётся вводить дополнительные меры, не допускающие искривлений топлива.

UMo плохо химически совместим с большинством конструкционных материалов (например, со сплавом Haynes 230) при повышенных температурах, что также потребует дополнительного изучения и, возможно, инженерных решений.

С ростом мощности у уран-молибденового топлива будет наблюдаться распухание. Интересно, что эта проблема намного меньше выражена для вариантов с HALEU-топливом, так как топливная загрузка в них выше, чем в вариантах с оружейным ураном.

В докладе утверждается, что для HALEU-топлива проблема распухания не будет стоять остро вплоть до тепловых мощностей порядка нескольких сотен киловатт. В то же время, для варианта с оружейным ураном распухание ставит верхний предел по мощности 50 кВт(т).

Кроме того, придётся показать возможность надёжной работы на протяжении 15 и более лет органов управления, тепловых трубок и так далее. Однако авторы отмечают, что эта задача выглядит простой на фоне необходимости показать возможность надёжной работы в течение того же периода входящих в состав системы преобразователей Стирлинга. Возможным выходом из положения станет глубокое резервирование.

В заключительной части доклада авторы представили соображения по возможному выходу на более высокие мощности по сравнению с теми, что сейчас рассматриваются для системы "Kilopower". Нетрудно предположить, что они являются свидетельством споров внутри атомной отрасли США о том, что такое "Kilopower" - перспективный проект или тупиковый путь?

Авторы, естественно, считают свою разработку перспективной. По их мнению, простота заложенных в неё решений позволяет выйти в будущем на мегаваттные уровни мощности. Однако для этого придётся сделать три крупных изменения в проекте.

Во-первых, потребуется отказаться от единого топливного блока. Мегаваттный "Kilopower" будет использовать топливо в виде стержней или таблеток, помещаемых в некий монолитный блок, с которым ещё предстоит определиться. Так придётся поступить из-за ограничений, накладываемых распуханием топлива.

Авторы признают, что над подобными вариантами они размышляли "на протяжении десятилетий", но все предложения в данном направлении вели в тупик - "по крайней мере, до настоящего времени".

Во-вторых, при переходе от мощностей порядка 50 кВт(э) к мощностям порядка 100 кВт(э) преобразователи Стирлинга будут заменены на установки с циклом Брайтона.

В-третьих, для систем с электрической мощностью от 1 до 3 МВт(э) - такие системы могут обслуживать крупные напланетные колонии или работать в составе мощных ядерных двигателей - придётся, возможно, отказаться от тепловых трубок. Проект приблизится к традиционным реакторным проектам, так как в нём появится поток теплоносителя, движущийся через отверстия в активной зоне.

Ключевые слова: Космические реакторы, США, Статьи

---

Другие новости:

Блок №2 АЭС "Taishan" введён в коммерческую эксплуатацию

Оба китайских EPR имеют теперь коммерческий статус.

Ленинградская АЭС-2: на энергоблоке №2 ВВЭР-1200 началась загрузка ИТВС

Предстоит загрузить 163 имитатора.

"Shin Kori-4" введён в коммерческую эксплуатацию

Это второй коммерческий блок с APR-1400.

---

---

---

---

Поиск по сайту: