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| キロパワー原子炉 | |
|---|---|
 宇宙や惑星の表面で使用するためのNASAの1kWキロパワー原子炉のプロトタイプ | |
| 世代 | 実験的 |
| 原子炉のコンセプト | スターリングエンジン |
| 状態 | 開発中 |
| 原子炉コアの主なパラメータ | |
| 燃料（核分裂性物質） | 高濃度EU : 235U |
| 燃料状態 | ソリッド（鋳造シリンダー） |
| 主な制御方法 | 炭化ホウ素制御棒 |
| 中性子反射体 | ベリリウム酸化物放射状反射鏡 |
| 一次冷却材 | ナトリウムヒートパイプ |
| 原子炉の使用 | |
| 主な用途 | 長期宇宙ミッション |
| 電力（熱） | 4.3～43.3kW |
| 電力（電気） | 1～10kW |
| Webサイト | www.nasa.gov/directorates/spacetech/kilopower |
キロパワーは、宇宙旅行用の新しい原子炉を作る米国の実験プロジェクトです。[1] [2]このプロジェクトは、NASAとエネルギー省の国家核安全保障局（NNSA）が主導して2015年10月に開始されました。[3] 2017年の時点で、キロパワー原子炉は4つのサイズがあり、 12年から15年間連続して1〜10キロワットの電力（1〜10kW e ）を生産できるように設計されていました。 [4] [5]この核分裂炉はウラン235を使用して熱を発生させ、受動ナトリウムヒートパイプでスターリングコンバータに送られます 。[6] 2018年には、スターリング技術を使用したキロパワー原子炉（KRUSTY ）実証炉の肯定的なテスト結果が発表されました。[2]
潜在的な用途としては、原子力電気推進や、特に太陽光が限られているか利用できない場所で大量の電力を必要とする有人またはロボット宇宙ミッション用の安定した電力供給などがある。NASA は、有人火星ミッション用の電源としてキロパワー原子炉も研究している。これらのミッション中、原子炉は火星の大気から酸素を分離して極低温で貯蔵し、上昇機の推進剤にするのに必要な機械に電力を供給する。人間が到着すると、原子炉は生命維持システムやその他の必要設備に電力を供給する。NASA の研究では、40 kW の原子炉は 4 ～ 6 人の宇宙飛行士の乗組員をサポートするのに十分であることがわかっている。 [ 1]
説明
原子炉の燃料は、ウラン235 93%とモリブデン7%の合金です。[7] [8]原子炉の炉心は、中性子が原子炉の炉心から逃げるのを防ぎ、連鎖反応を継続できるようにするベリリウム酸化物反射体に囲まれた固体鋳造合金構造です。反射体は、搭載電子機器に損傷を与える可能性のあるガンマ線の放出も削減します。 [9]ウラン炉心には、 RTGで使用されるプルトニウム238などの他の放射性同位体の供給の不確実性を回避できるという利点があります。[10]
プロトタイプのKRUSTY 1kW e Kilopower原子炉の重量は134kgで、28kgの235
あなた
火星用の宇宙仕様10kW e Kilopowerは、総質量1500kg（コア226kg）で、43.7kgの235
あなた
. [5] [11]
核反応の制御は、中性子吸収体である炭化ホウ素の一本の棒によって行われる。原子炉は冷たい状態で打ち上げられることになっており、高放射性の核分裂生成物の形成を防ぐ。原子炉が目的地に到着すると、中性子吸収ホウ素棒が取り除かれ、核連鎖反応が開始される。[7]反応が始まると、一連の核分裂生成物の崩壊を完全に止めることはできない。しかし、制御棒の挿入深度によってウランの核分裂速度を調節するメカニズムが提供され、熱出力を負荷に合わせることができる。
液体ナトリウムで満たされた受動ヒートパイプは、原子炉コアの熱を1つまたは複数のフリーピストンスターリングエンジンに伝達し、往復運動を発生させてリニア発電機を駆動します。[12]ナトリウムの融点は98℃（208℉）で、これは液体ナトリウムが約400〜700℃（750〜1,300℉）の高温で自由に流れることができることを意味します。原子核分裂コアは通常、約600℃（1,100℉）で動作します。
原子炉は、幅広い環境やシナリオにおいて本質的に安全となるように設計されている。原子炉メルトダウンを緩和するために、いくつかのフィードバック機構が採用されている。主な方法は受動冷却であり、冷却材を循環させるための機械的な機構を必要としない。原子炉の設計は、負の温度反応度係数を生み出す設計形状を通じて自己制御される。[13]実際には、これは電力需要が増加すると原子炉の温度が下がることを意味する。これにより原子炉が収縮し、中性子が漏れるのを防ぐ。これにより反応度が増加し、需要を満たすために出力が増加する。これは電力需要が低いときには逆の働きもする。[11]
フラットトップ核分裂を用いたデモンストレーション
キロパワーの開発は、2012年9月に既存のフラットトップアセンブリを核熱源として使用してテストされたDUFF（フラットトップ核分裂の実証）と呼ばれる実験から始まりました。ネバダテストサイトのデバイスアセンブリ施設でDUFFがテストされたとき、それは核分裂エネルギーで駆動する最初のスターリングエンジンとなり、原子炉から電力変換システムに熱を輸送するためにヒートパイプを使用した最初のものとなりました。[14]コンパクト核分裂炉設計チームのリーダーであるデビッドポストンとロスアラモス国立研究所の小型原子炉プロジェクトマネージャーであるパトリックマクルーアによると、[1] DUFF実験は「低出力原子炉システムの場合、既存のインフラストラクチャと規制環境内で合理的なコストとスケジュールで核実験を実施できること」を示しました。[14]
KRUSTYのテストと最初の核分裂
2017年、KRUSTY試験炉が完成した。KRUSTYは最大1キロワットの電力を生産するように設計されており、高さは約6.5フィート（1.9メートル）。[15]試験炉の目標は、NASAの深宇宙ミッションで必要となる運用パラメータに厳密に一致することである。[16]最初のテストでは、テネシー州オークリッジのY-12国家安全保障コンプレックスで製造された劣化ウランコアが使用された。劣化ウランコアは、通常の高濃縮ウラン（HEU）コアとまったく同じ材料であり、唯一の違いはウラン濃縮レベルである。[1]
キロパワーのプロトタイプは、ペーパータオルのロールほどの大きさの、鋳造された固体ウラン235の原子炉コアを使用している。原子炉の熱は受動的なナトリウムヒートパイプを介して伝達され、その熱はスターリングエンジンによって電気に変換される。技術成熟度レベル（TRL）5を取得するためのテストは2017年11月に開始され、2018年まで継続された。[4] KRUSTYのテストは、SNAP-10A実験炉が1965年にテストされ、最終的に飛行して以来、米国が宇宙原子炉の地上テストを実施した初めてのケースである。 [1]
2017年11月から2018年3月にかけて、ネバダ国立安全保障施設でKRUSTYの試験が実施された。試験には熱、材料、コンポーネントの検証が含まれ、最終的にはフルパワーでの核分裂試験に成功した。原子炉が安全に反応できることを確認するために、支援機器のさまざまな障害がシミュレーションされた。[2]
KRUSTY原子炉は2018年3月20日に28時間の試験でフルパワーで稼働した。28kgのウラン235原子炉コア。850℃（1,560°F）に達し、約5.5kWの核分裂出力。この試験では、スターリングエンジンの停止、制御棒の調整、熱サイクル、熱除去システムの無効化などの故障シナリオを評価した。スクラム試験で実験は終了した。この試験は非常に成功した実証であるとみなされた。[17]
参照
参考文献
- ^ abcde Gibson, Marc; Oleson, Steven; Poston, David; McClure, Patrick (2017年3月4日). NASAのキロパワー原子炉開発と高出力ミッションへの道(PDF) . NASA (レポート). 2022年1月23日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) . 2018年3月25日閲覧。
- ^ abc Jan Wittry、Gina Anderson (2018年5月2日). 「実証により核分裂システムが宇宙探査電力を提供できることが証明される」（プレスリリース）NASA. 18-031. 2022年4月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。2018年5月2日閲覧。
- ^ 「Kilopower Small Fission Technology (KP)」。TechPort.nasa.gov。NASA。2011年8月9日。2022年4月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2018年5月16日閲覧。
- ^ ab Hall, Loura (2017年11月13日). 「Powering Up NASA's Human Reach for the Red Planet」. Space Tech . NASA. 2022年4月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2017年11月15日閲覧。
- ^ ab McClure, Patrick Ray (2017年3月6日). 「宇宙原子炉開発」.原子力工学能力レビュー. LA-UR-17-21904: 16. 2018年5月16日閲覧。
- ^ 「キロパワー プロジェクト メディア スライド」(PDF)。NASA政府。 NASAとロスアラモス。2021 年 11 月 18 日のオリジナル(PDF)からアーカイブ。2018 年1 月 26 日に取得。
- ^ ab Gibson, Marc A.; Mason, Lee; Bowman, Cheryl; et al. (2015年6月1日). 「NASAの科学と人類の探査のための小型核分裂発電システムの開発」(PDF) .第50回合同推進会議. NASA/TM-2015-218460: 4. 2022年4月18日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) . 2018年5月16日閲覧。
- ^ Whittington, Mark R. (2019年5月10日). 「NASAのキロパワー原子炉は宇宙探査のゲームチェンジャーとなるだろう」. The Hill . 2022年4月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ Szondy, David (2018年5月2日). 「NASA、次世代宇宙原子炉のテストに成功」 。New Atlas。GIZMAG PTY LTD。2022年4月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。2018年6月12日閲覧。
- ^ Foust, Jeff (2017年10月10日). 「NASAミッションのためのプルトニウム供給は長期的な課題に直面 - SpaceNews.com」. SpaceNews.com . 2018年5月16日閲覧。
- ^ ab McClure, Patrick Ray (2019年7月8日). “A small fission reactable for planetary surface and deep space power”. 2022年4月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。2019年7月16日閲覧。
- ^ Patrascu, Daniel (2018年5月3日). 「NASA KRUSTY Nuclear Reactor Could Power Outposts on Mars for Years」. autoevolution . SoftNews NET. 2022年4月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2018年6月12日閲覧。
- ^ “KRUSTY: 新種の原子炉の第一弾、キロパワー パート II”. Beyond NERVA . beyondnerva. 2017年11月19日. 2022年4月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2018年5月16日閲覧。
- ^ ab ポストン、デイビッド、マクルーア、パトリック（2013年1月）。「DUFF実験 - 何がわかったのか？」宇宙のための核および新興技術。
- ^ Irene Klotz (2017年6月29日). “NASA to Test Fission Power for Future Mars Colony”. Space.com . 2022年4月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。2017年11月15日閲覧。
- ^ Sanchez, Rene (2017年3月). 「Kilowatt Reactor Using Stirling TechnologY (KRUSTY) Experiment Update Marcy 2017」(PDF)。国立臨界実験研究センター。 2022年4月18日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) 。 2018年4月25日閲覧。
- ^ “KRUSTY: We Have Fission! Kilopower part III”. Beyond NERVA . beyondnerva. 2018年5月2日. 2022年4月18日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2018年5月16日閲覧。
外部リンク
- Kilopower NASA ウェブサイト
- Kilopower: YouTubeでの探索のための豊富な電力への入り口
- 深宇宙探査用小型原子炉 - ロスアラモス国立研究所のYouTube 動画
- キロパワー原子炉 - 2018 年 8 月にYouTubeで公開プレゼンテーション
- キロパワー - 事実
- キロパワー宇宙原子炉コンセプト - 原子炉材料の研究