Потенциал реакторов быстрого разведения для поддержки применения космической ядерной энергии
Реакторы быстрого размножения (FBR) представляют собой класс ядерных реакторов, которые генерируют больше расщепляющегося материала, чем потребляют, - свойство, часто называемое размножением. В то время как наземные программы FBR имеют долгую историю развития, их уникальные характеристики делают их особенно привлекательными для применения в космической ядерной энергетике, где каждый килограмм топлива должен использоваться с максимальной эффективностью, а срок службы может продлиться на десятилетия. В этой статье рассматривается потенциал реакторов быстрого размножения для питания будущих космических аппаратов, планетарных баз и миссий в глубоком космосе, охватывающих технические принципы, преимущества, проблемы проектирования и текущие исследовательские инициативы.
Понимание технологии быстрого реактора
Нейтроника и основы топливного цикла
В термоядерном реакторе нейтроны замедляются (умеряются), чтобы увеличить вероятность деления в урании-235. В реакторе быстрого селекционера, напротив, используются быстрые нейтроны (энергии выше 0,1 МэВ) и отключается модератором. Спектр быстрых нейтронов позволяет захватывать нейтроны плодородными изотопами, такими как ураний-238, который затем трансмутируется в плутоний-239 — расщепляющийся материал, который сам может поддерживать цепную реакцию. Поскольку FBR могут создавать больше расщепляющегося топлива, чем они сжигают, часто говорят, что они имеют «размножение» больше, чем одно.
Типичное топливо для наземных ФБР состоит из смешанных оксидов (МОХ) или металлических сплавов урана и плутония. Для космических применений рассматриваются передовые виды топлива, такие как нитрид урана (UN) или уран-циркониевые сплавы, благодаря их более высокой теплопроводности и лучшей производительности при повышенных температурах. Процесс размножения позволяет космическому реактору начинать с относительно небольшого расщепляющегося инвентаря и полагаться на естественное преобразование урана-238 в течение его срока эксплуатации, резко продлевая продолжительность миссии без пополнения запасов.
Передача теплоты и теплоты
FBR работают при высоких температурах для достижения эффективной теплопередачи и преобразования в электричество. Поскольку охлаждающая жидкость не должна значительно замедлять нейтроны, предпочтительны жидкие металлы. Наземные FBR обычно используют жидкий натрий (точка кипения 883 °C) или свинец / свинцово-вспышковый эвтектик. Для космических реакторов жидкие металлы предлагают исключительную теплопередачу, низкое давление пара в вакууме и радиационную стойкость. Однако химическая реактивность натрия с воздухом и водой требует тщательной обработки во время запуска и развертывания. Недавние исследования исследовали литий или охлаждающие жидкости для компактных космических энергетических систем, наряду с пассивными функциями безопасности, такими как резервуары расширения и электромагнитные насосы.
Исторический контекст: космические ядерные программы
Использование ядерной энергии в космосе не ново. США запустили в 1965 году реактор SNAP-10A, который производил 43 киловатт (термальный) с использованием тепловой нейтронной конструкции с уран-гидридным топливом и жидкой охлаждающей жидкостью NaK. Советский Союз развернул более 30 реакторов ROMA/TOPAZ на борту спутников RORSAT, которые были тепловыми реакторами с термоядерным преобразованием. Эти ранние системы использовали высокообогащенный уран и не были заводчиками. Переход к возможностям разведения появился позже, поскольку планировщики миссий требовали более длительного срока службы и более высоких уровней мощности.
Программа SP-100 была амбициозным американским проектом по разработке космического реактора мощностью 100 кВт. SP-100 был разработан как реактор быстрого спектра с жидкостным литиевым хладагентом и термоэлектрическими преобразователями. Хотя его конструкция с быстрыми нейтронами не является полноценной, ее можно адаптировать к циклу размножения. Совсем недавно проект NASA Kilopower продемонстрировал систему теплового деления мощностью 1 кВт с использованием твердого ядра урана-235 и конверторов Стирлинга. Kilopower не является селекционером, но его успех усиливает жизнеспособность компактных реакторов деления для космоса. Для миссий в глубоком космосе, требующих от десятков до сотен киловатт, подход селекционера становится привлекательным, поскольку он минимизирует начальную нагрузку урана-235.
Преимущества быстрых реакторов для космических применений
Высокая плотность энергии и компактность
Ограничения на запуск в космос ставят на первое место массу и объем. ФБР достигают высокой плотности мощности, поскольку быстрое деление высвобождает больше нейтронов на деление, что позволяет уменьшить ядро для данного уровня мощности. Отсутствие модератора еще больше уменьшает размер реактора. В сочетании с возможностью использовать обедненный уран (уран-238) в качестве одеяла, ФБР может производить энергию в течение многих лет, не требуя пополнения исходного расщепляющегося материала. Это делает возможным поддержку мощной электрической тяги (например, ядерной электрической тяги) для транспортных средств для передачи Марса, сокращая время в пути по сравнению с химическими или даже солнечными электрическими системами.
Устойчивость топлива и продление срока службы миссии
Для длительных миссий к внешним планетам или для постоянной лунной или марсианской базы топливная логистика становится критической. Быстрый реактор-селекционер, работающий в течение десятилетия, может генерировать достаточное количество избыточного плутония, чтобы запустить второй реактор без дополнительного расщепляющегося материала из земных источников. В замкнутом топливном цикле отработанное топливо может быть переработано на месте (хотя это создает значительные инженерные проблемы в микрогравитации и вакууме). Даже без переработки племенное одеяло может использоваться для «выращивания» топлива, которое может быть извлечено и использовано в других энергетических системах или в ядерных тепловых ракетах для пилотируемых миссий.
Эффективное использование ресурсов
Природный уран состоит из 99,3% урана-238 и только 0,7% урана-235. Тепловые реакторы потребляют в основном редкий U-235. Быстрые заводчики могут преобразовывать обильные U-238 в пригодное для использования топливо, увеличивая энергию, извлекаемую из добытого урана, в 50 - 100 раз. Для космических миссий, особенно тех, которые зависят от использования ресурсов на месте (ISRU), эта эффективность приводит к уменьшению массы запуска и снижению затрат на миссию. Тот же принцип применяется к другим плодородным изотопам, таким как торий-232, который может быть выведен в уран-233.
Потенциал для систем замкнутого цикла
Реактор быстрого селекционера может быть соединен с блоком переработки для формирования замкнутого топливного цикла. В то время как наземная переработка является сложной и дорогостоящей, в космосе преимущества сокращения отходов и регенерации топлива могут перевесить накладные расходы. Объемы радиоактивных отходов сокращаются, а долгоживущие актиниды становятся топливом, а не обязательствами. Передовые концепции, такие как реакторы с расплавленной солью, позволяют непрерывно обрабатывать и удалять продукты деления, которые могут быть адаптированы для космических мест обитания или поверхностных оснований, где удаление отходов ограничено.
Технические проблемы и стратегии смягчения
Контроль реактивности и безопасность при запуске
Одна из самых больших проблем для любого космического ядерного реактора - обеспечение того, чтобы он оставался подкритическим во время аварии запуска, достигая быстрого запуска один раз на орбите или на поверхности. FBR обычно имеют более высокую реактивность, чем тепловые реакторы из-за быстрого спектра. Вставка управляющих стержней или барабанов с нейтронными поглотителями (например, карбид бора) является стандартной, но вибрации запуска и возвращение в атмосферу не должны вызывать непреднамеренную критичность. Необходимы высококвалифицированные стержни безопасности, замки запуска и несколько избыточных систем отключения. Программа [FLT: 1] и [FLT: 2] Проект Prometheus [FLT: 3] широко изучал такие функции безопасности.
Разложение материалов при облучении и температуре
Быстрые нейтроны наносят больший ущерб конструкционным материалам, чем тепловые нейтроны. Охрупкость, отек и ползучесть более выражены, особенно при высоких рабочих температурах, необходимых для эффективного производства электроэнергии. Космические FBR требуют передовых сплавов (например, оксид-дисперсионно-укрепленных сталей, сплавов на основе ниобия или огнеупорных металлов, таких как вольфрам), которые могут выдерживать интенсивный поток нейтронов и высокие тепловые потоки. Керамические лайнеры и композиты карбида кремния также исследуются для облицовки топлива и саванной оболочки.
Отказ от тепла в вакууме
В космосе тепло может быть отброшено только через излучение. Для заданного электрического выхода реактор должен отклонить существенную тепловую нагрузку (обычно в 2-4 раза больше электрической мощности) через радиаторы. Высокие рабочие температуры позволяют меньшие радиаторы (поскольку тепловые шкалы излучения как T4). FBR могут работать при более высоких температурах, чем тепловые реакторы с водяным охлаждением, что делает их привлекательными. Тем не менее, радиаторы становятся большими для многомегаваттных систем. Тем не менее, инновационные конструкции включают жидкостные капельные радиаторы или развертываемые сегментированные панели, которые вписываются в пусковой обтекатель. Концепция JIMO (Jupiter Icy Moons Orbiter) [FLT: 1]] рассматривала такие радиаторы для реактора с быстрым спектром 100 кВт.
Управление жидким металлическим охлаждением
В условиях микрогравитации поток жидких металлов и разделение становятся нетривиальными. Газовые пузырьки (от деления или радиолиза) должны быть удалены; электромагнитные насосы без движущихся частей предпочтительны. Замораживание охлаждающей жидкости во время периодов выдвижения или после отключения должно быть предотвращено, требуя сплавов с низкой температурой плавления (например, NaK, эвтектический свинцовый висмут). Кроме того, пожары натрия представляют собой наземную опасность, но в вакууме они не являются проблемой; однако, прерывание запуска над океаном может вызвать пожар, поэтому натрий часто заменяется свинцом или литием для космических систем, несмотря на более низкую теплопроводность.
Применимость к конкретным космическим миссиям
Поверхностная мощность для лунной и марсианской баз
Солнечная энергия прерывиста на Луне (14-дневная ночь) и слаба на Марсе во время пыльных бурь. Многокиловаттный реактор быстрого селекционера может обеспечить непрерывную мощность для мест обитания, жизнеобеспечения, установок ISRU и научных инструментов. Способность к размножению означает, что один реактор может «сеять» несколько меньших реакторов, построенных из местных материалов, если это необходимо. Проект НАСА Fission Surface Power изучил концепции 10 кВт; для расширения цикла селекционера потребуются только незначительные изменения ядра и одеяла.
Ядерный электрический двигатель (NEP)
Высокомощный NEP является ключом к сокращению времени полета на Марс и за его пределами. 2 МВт FBR, питающие электрические двигатели (например, эффект Холла или сетчатые ионные двигатели) могут сократить кругосветное путешествие на Марс от 900 дней (химические) до менее 500 дней. Селекционное свойство гарантирует, что реактор может работать при высоком удельном импульсе для всей миссии без дозаправки. NASA VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) является кандидатом на такие уровни мощности.
Глубокий космос и миссии на внешних планетах
Для Юпитера, Сатурна и других планет солнечное излучение слишком слабое для солнечных батарей. Радиоизотопные термоэлектрические генераторы (RTG) ограничены несколькими сотнями ватт. Быстрый реактор-размножитель может доставлять десятки и сотни киловатт, обеспечивая связь с высокой пропускной способностью, мощное радиолокационное картирование или даже операции привязного привязного канала на лунах, таких как Европа или Титан. Конструкция SP-100 была предназначена для таких миссий, прежде чем была отменена в начале 1990-х годов.
Производство топлива в космосе и биомодальные системы
Быстрый заводчик на борту космической станции или топливного депо мог бы производить плутоний из урана-238, отправленного с Земли или добытого из лунного реголита (который содержит следы урана). Этот плутоний мог бы питать меньшие RTG или радиоизотопные нагреватели. Бимодальные системы, сочетающие ядерную тепловую тягу (NTP) с выработкой электроэнергии, также возможны: после ожога реактор переключается на более низкую температуру для электричества. Ядро заводчика позволило бы многократно сжигать, не истощая расщепляющееся топливо.
Современные исследования и будущие направления
Килоэнергетика и передовые концепции NASA
Преемник Kilopower, Fission Power System (FPS), нацелен на 10 кВ с использованием теплового спектра. Однако программа NASA Space Nuclear Propulsion (SNP) также изучает реакторы быстрого спектра для более высоких мощностей. Недавние исследования в Idaho National Laboratory и NASA Glenn Research Center изучили миниатюрные быстрые ядра с использованием уран-нитридного топлива и жидкостно-металлического охлаждающего вещества с коэффициентами размножения между 1,1 и 1,3. Такие реакторы могут работать в течение 20 лет без дозаправки.
Международные усилия
Российский проект FLT:0 MBIR (многоцелевой быстрый реактор) и проект FLT:1 (многоцелевой быстрый реактор) и проект PRE-FAST (дружественный к окружающей среде, толерантный к авариям) в Европе имеют отношение к космическим системам. Китайская лунная программа Chang'e изучала ядерную поверхностную энергию, хотя детали остаются засекреченными. Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) опубликовало руководящие принципы по проектированию и безопасности космических ядерных реакторов, включая быстроразводных.
Космическое ядерное движение НАСА
Быстрые нейтронные реакторы МАГАТЭ
Аддитивное производство и передовые материалы
3D-печать сложных геометрий ядер, топливных штифтов с градуированным обогащением и тепловых труб может снизить массу и сложность сборки космического FBR. Рефрактерные металлы, напечатанные в теплообменниках и радиационных щитах, разрабатываются в нескольких университетах. Эти технологии могут обеспечить готовую к запуску систему быстрого селекционера в течение следующих двух десятилетий.
Заключение
Реакторы быстрого размножения предлагают уникально привлекательное сочетание высокой плотности энергии, самодостаточности топлива и длительного срока службы для применения космической ядерной энергии. В то время как наземные разработки FBR сосредоточены на крупных коммерческих установках, космические конструкции могут быть компактными, модульными и оптимизированными для безопасности и надежности в суровой космической среде. Возможность конвертировать уран-238 в расщепляющееся топливо резко уменьшает массу радиоактивного материала, который должен быть запущен с Земли, что делает более целенаправленные миссии на Луну, Марс и внешнюю солнечную систему более осуществимыми.
Проблемы остаются в материаловедении, обращении с охлаждающей жидкостью в условиях микрогравитации, безопасности запуска и космической переработке ядерного топлива. Однако, продвигающиеся исследовательские программы в НАСА, международных космических агентствах и национальных лабораториях неуклонно устраняют эти препятствия. По мере того, как человечество все глубже погружается в космос, реактор быстрого размножения - технология, первоначально задуманная для устойчивости земной энергии - может стать незаменимым источником энергии для поселений, движения и научных открытий.
Обзор технологии быстрых реакторов