原子力補助電源システム

システム核補助電源( SNAP )プログラムは、 1960 年代にNASAによって実施された実験用放射性同位元素熱電発電機(RTG) と宇宙原子炉のプログラムでした。

SNAP プログラムは、1954 年に完了したランド研究所の偵察衛星研究プロジェクト「フィードバック計画」の結果として開発されました。^[1]提案された衛星の中には数キロワットにも達する高電力を必要とするものもあったため、米国原子力委員会 (AEC) は 1951 年に業界に一連の原子力発電所研究を要請しました。1952 年に完了したこれらの研究では、原子力発電所は衛星での使用が技術的に可能であると判断されました。^[2]^{: 5}

1955年、AECは2つの並行したSNAP原子力発電プロジェクトを開始した。1つはマーティン社と契約したもので、発電機の動力源として放射性同位元素の崩壊を利用した。これらの発電所にはSNAP-1から始まる奇数のSNAP指定が与えられた。もう1つのプロジェクトは原子炉を使用してエネルギーを生成するもので、ノースアメリカン航空のアトミックス国際部門によって開発された。そのシステムには偶数のSNAP指定が与えられ、最初のものはSNAP-2であった。^[2]^{: 5}

システム開発と原子炉試験のほとんどは、カリフォルニア州ベンチュラ郡のサンタスザナフィールド研究所でいくつかの専門施設を使用して実施されました。^[3]

奇数SNAP: 放射性同位元素熱電発電機

放射性同位元素熱電発電機は、放射性崩壊の熱を利用して電気を生成します。^{[引用が必要]}

スナップ1

SNAP-1は、ランキンサイクルでセリウム144と水銀を熱伝達流体として使用した、配備されることのなかった試験プラットフォームであった。2500時間正常に動作した。^[4]

スナップ3

SNAP-3は宇宙ミッションで使用された最初のRTGでした（1961年）。米国海軍のトランジット4Aおよび4B航法衛星に搭載されて打ち上げられました。このRTGの電気出力は2.5ワットでした。^[4]

スナップ7

SNAP-7A、D、Fは灯台やブイなどの海洋用途向けに設計されました。^[5]¹⁹⁶⁰年代半ばには少なくとも6台のユニットが配備され、SNAP-7AからSNAP-7Fと名付けられました。SNAP-7Dは225キロキュリー（8.3PBq ） [ ^5]（約4kg）のストロンチウム90をSrTiO ₃として使用して30ワットの電力を生産しました。これらは非常に大型のユニットで、重量は1,870～6,000ポンド（850～2,720kg）でした。^[4]

スナップ-9

トランジット4A/BのSNAP-3の後、SNAP-9Aユニットはトランジット衛星シリーズの多くに搭載された。1964年4月、SNAP-9Aは軌道に到達できずに崩壊し、約1キログラム（2.2ポンド）のプルトニウム238が全大陸にまき散らされた。プルトニウムのほとんどは南半球に落ちた。推定6300ギガベクレルまたは2100人シーベルトの放射線が放出された。^[7]^[8]^[9]^[10]

スナップ-11

SNAP-11は、月夜にサーベイヤー探査機に電力を供給するための実験用RTGであった。キュリウム242RTGは、130日間で900ワットの熱エネルギーを使用して25ワットの電力を生産した。熱接点温度は925°F（496°C; 769 K）、冷接点温度は350°F（177°C; 450 K）であった。液体NaK熱制御システムと、余分な熱を排出するための可動シャッターを備えていた。^[11]^[12]サーベイヤーミッションでは使用されなかった。^[^要出典^]

一般的に、SNAP 11燃料ブロックは、発電機の内部容積を占める円筒形の多材料ユニットです。キュリウム242（イリジウムマトリックス中のCm ₂ O ₃）を燃料とするTZM（モリブデン合金）燃料カプセルは、燃料ブロックの中央にあります。カプセルは、約2のプラチナ球に囲まれています。+直径1⁄4インチのシールドは衝撃に対するエネルギー吸収材として機能し、遮蔽効果も備えています。このアセンブリはグラファイトとベリリウムのサブアセンブリで囲まれており、適切な熱分布とアブレーション保護を提供します。^[12]

スナップ-19

SNAP-19(B)は、マーティン・マリエッタ社^[13] （現テレダイン・エナジー・システムズ）の原子力部門によってニンバスB衛星用に開発された。プルトニウム238を燃料とする2台の並列鉛テルル化物熱電対発電機は、当初最大約30ワットの電力を生成した。^[14]ニンバス3号では、ニンバスB1号の試みで回収された燃料を使用したSNAP-19Bが使用された。^[15]

SNAP-19はパイオニア10号とパイオニア11号のミッションに動力を供給した。^[16] n型2N-PbTeとp型TAGS-85熱電素子を使用した。^[17]

改良されたSNAP-19Bはバイキング1号とバイキング2号の着陸船に使用されました。^[18]

SNAP-19Cは、中国のミサイル発射を追跡するCIAの作戦で、ウッタラーカンド州ナンダ・デヴィのテレメトリアレイに電力を供給するために使用された。 ^[19]

スナップ21＆23

SNAP-21 ^[20]とSNAP-23は水中での使用を目的として設計されており^[5]^[21]、放射性物質としてストロンチウム90を使用し、酸化ストロンチウムまたはチタン酸ストロンチウムとしてカプセル化されている。これらは約10ワットの電力を生産した。

スナップ-27

5 台の SNAP-27 ユニットが、アポロ 12 号、14 号、15 号、16 号、および17 号によって月面に残されたアポロ月面実験パッケージ(ALSEP)に電力を供給しました。SNAP-27 電源装置の重量は約 20 kg、長さは 46 cm、直径は 40.6 cm でした。中央の燃料カプセルと、その周囲を囲む熱電対の同心円状のリングで構成されていました。熱電対の外側には、熱電対の低温側からの熱を遮断するためのフィンのセットがありました。各 SNAP デバイスは、30 VDC で約 75 W の電力を生成しました。各装置のエネルギー源は、約1250Wの熱出力を発揮するプルトニウム238の棒でした。^[22]この燃料カプセルには、酸化物形態のプルトニウム238 （44,500 Ciまたは1.65 PBq ） 3.8キログラム（8.4ポンド）が含まれており、月着陸船の側面に取り付けられた別の燃料キャスクで月まで運ばれました。燃料キャスクは断熱材として機能し、燃料カプセルの構造的サポートを追加しました。月面で、月着陸船のパイロットはキャスクから燃料カプセルを取り出し、RTGに挿入しました。

これらのステーションは、ミッション後数年間、月震や隕石の衝突、月の磁場や重力場、月の内部温度、月の大気に関する情報を送信しました。10年経っても、SNAP-27は当初の出力75ワットの90%以上を出力し続けました。

アポロ13号で運ばれたSNAP-27ユニットの燃料容器は現在、太平洋のトンガ海溝の底、水深20,000フィート（6,100メートル）に沈んでいる。このミッションは月面着陸に失敗し、発電機を搭載した月着陸船は地球の大気圏への再突入時に燃え尽き、軌道は容器が海溝に着地するように設定されていた。容器は設計通り再突入を生き延び、^[23]プルトニウムの放出は検出されていない。カプセルの耐腐食性材料はプルトニウムを半減期の10倍（870年）の間閉じ込めると予想される。^[24]

偶数SNAP：小型原子炉

宇宙での使用を目的とした一連の小型原子炉のうち、偶数番号のSNAPは、ノースアメリカン・アビエーションのアトミックス・インターナショナル部門によって米国政府向けに開発された。^[^要出典^]

SNAP実験炉（SER）

SNAP 実験炉 (SER) は、宇宙衛星用途向けに定められた仕様に基づいて建造された最初の原子炉でした。SER は、燃料としてウランジルコニウム水素化物、冷却材として共晶ナトリウムカリウム合金 ( NaK ) を使用し、約 50 kW の熱出力で稼働しました。このシステムには電力変換機能はありませんでしたが、二次熱風送風システムを使用して熱を大気中に放散しました。SER は、SNAP-10Aと同様の原子炉反射減速装置を使用しましたが、反射器は 1 つだけでした。臨界は 1959 年 9 月に達成され、最終的な停止は 1961 年 12 月に完了しました。このプロジェクトは成功と見なされました。これにより、SNAP プログラムの開発に対する信頼が継続され、徹底的な研究とコンポーネント開発にもつながりました。^[要出典]

スナップ2

SNAP-2 開発用原子炉は、2 番目に建造された SNAP 原子炉である。この装置は、ウラン-ジルコニウム水素化物燃料を使用し、設計原子炉出力は 55 kW _tであった。これは、飛行制御アセンブリを使用した最初のモデルであり、1961 年 4 月から 1962 年 12 月までテストされた。基本的な概念は、原子力が有人宇宙カプセルの長期的なエネルギー源となるというものであった。しかし、乗組員カプセルは、原子炉から流れる致命的な放射線から保護されなければならなかった。原子炉を放射線シールドで囲むことは問題外であった。当時利用可能なロケットで打ち上げるには、原子炉は重すぎるからである。「乗組員」と「ペイロード」を保護するために、SNAP-2 システムでは「シャドウシールド」が使用された。シールドは、リチウム水素化物を含む円錐台であった。原子炉は小さい方の端にあり、乗組員カプセル/ペイロードは大きい方の端の影にあった。^[25]

原子炉、個々のコンポーネント、サポートシステムについて調査が行われました。ノースアメリカンアビエーションの一部門であるアトミックスインターナショナルが開発とテストを行いました。SNAP-2 シールド開発ユニットが放射線シールドの開発を担当しました。シールドの作成は、リチウム水素化物を溶かして必要な形に鋳造することを意味しました。その形は大きな円錐台でした。溶融したリチウム水素化物を少しずつ鋳造鋳型に注ぎ込まなければ、冷却して固まるときに割れてしまいます。シールド材料に割れがあると、放射線が乗組員/ペイロードコンパートメントに流れ込むため、シールドに依存する宇宙乗組員やペイロードにとって致命的になります。材料が冷却すると、中央に一種の空洞の渦が形成されます。開発エンジニアは、シールドの完全性を維持しながら渦を埋める方法を考え出さなければなりませんでした。そして、これらすべてを行う際に、彼らは、湿った酸素が豊富な環境で爆発的に不安定になる可能性のある材料を扱っていることを念頭に置く必要がありました。分析により、熱勾配と放射線勾配の下では、リチウム水素化物が解離し、水素イオンがシールドを通り抜ける可能性があることも明らかになりました。これによりシールド効果に変化が生じ、ペイロードが強い放射線にさらされる可能性があります。これらの影響を軽減するための努力が行われました。^{[引用が必要]}

SNAP 2DR はSNAP-10Aと同様の原子炉反射減速装置を使用していましたが、可動反射器 2 台と内部固定反射器 2 台を備えていました。このシステムは、原子炉を水銀ランキンサイクルと統合して 3.5 kW の電力を生成できるように設計されました。^{[引用が必要]}

スナップ-8

SNAP-8原子炉は、アメリカ航空宇宙局との契約に基づき、アトミックス・インターナショナルによって設計、建設、運用された。SNAP-8原子炉は、SNAP 8実験原子炉とSNAP 8開発原子炉の2基が製造された。SNAP 8原子炉は両方とも、SNAP 2原子炉およびSNAP 10A原子炉と同じ高濃縮ウランジルコニウム水素化物燃料を使用した。SNAP 8の設計には、水銀ランキン電力変換システムに熱を伝達するための一次および二次NaKループが含まれていた。SNAP 8原子炉の発電システムは、エアロジェット・ゼネラルによって供給された。^[26]

SNAP 8実験炉は1963年から1965年にかけて試験された600kWtの原子炉_{であった。}^[要出典]

SNAP 8開発炉の炉心は9.5×33インチ（24×84cm）で、燃料総量は18ポンド（8.2kg）で、定格出力は1MW _{tであった。この原子炉は1969年に}サンタスザナ野外研究所で試験された。^[27]

スナップ-10A

SNAP-10Aは、SNAPSHOT計画の下、1965年に宇宙に打ち上げられた宇宙仕様の原子炉発電システムである。^[28]^[29]これは、RTGよりも高い電力を発電する能力を実証するために、空軍の研究プロジェクトとして構築された。原子炉は制御用に2つの可動式ベリリウム反射鏡を採用し、稼働当初は35kW _{tを発電した。}^[要出典]このシステムは、鉛テルル熱電対の周囲にNaKを循環させることで電力を生成した。打ち上げ時の危険を軽減するため、原子炉は安全な軌道に到達するまで起動されなかった。^[要出典]

SNAP-10Aは1965年4月に地球周回軌道に打ち上げられ、ロッキード・マーティン社製のアジェナD研究衛星に電力を供給するために使用された。このシステムは43日間の短縮飛行試験中に500Wの電力を生成した。原子炉は故障したコマンド受信機によって予定より早く停止した。この原子炉は4,000年間は軌道上に留まると予測されている。^[27]

参照

引用

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一般的な情報源

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外部リンク

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