原子力補助動力システム

SNAP-1は、水銀を熱伝達流体として用いたランキンサイクルでセリウム144を使用する試験プラットフォームでしたが、実際に配備されることはありませんでした。2500時間正常に動作しました。^{[ 5 ]}

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）。アメリカ海軍のトランジット4Aおよび4B航行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。^{[ 5 ]}

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。^{[ 6 ]}少なくとも6つのユニットが1960年代半ばに配備され、SNAP-7AからSNAP-7Fという名前が付けられました。SNAP-7Dは、SrTiO3として225キロキュリー（8.3 PBq）[6]（約4キログラム）のストロンチウム90を使用して30ワットの電力を生成しました^。_これらは非常に大きなユニットで^、重量は1,870 ～ 6,000^ポンド（⁸⁵⁰～2,720 kg）でした。^{[ 5 ]}  

Transit 4A/B に搭載された SNAP-3 の後、SNAP-9A ユニットはTransit 衛星シリーズの多くに搭載されました。1964 年 4 月、SNAP-9A は軌道投入に失敗して分解し、約1 キログラム (2.2ポンド)のプルトニウム 238を全大陸に拡散しました。プルトニウムの大部分は南半球に落下しました。推定 630 TBqまたは 2100 人 Svの放射線が放出されました。^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} 

SNAP-11は、月面夜間にサーベイヤー探査機に電力を供給することを目的とした実験的なRTGでした。キュリウム242 RTGは、 130日間で900ワットの熱エネルギーを使用して25ワットの電力を生成する予定でした。高温接合部の温度は925 °F (496 °C; 769 K)、低温接合部の温度は350 °F (177 °C; 450 K)でした。液体NaK熱制御システムと、余分な熱を放出するための可動シャッターを備えていました。^{[ 12 ] [ 13 ]}これらはサーベイヤーミッションでは使用されませんでした。^{[ 14 ]}        

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。燃料ブロックの中心には、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) 燃料カプセルがあります。カプセルは、直径約}2 + 1/4インチの白金球で囲まれており、遮蔽効果と衝撃に対するエネルギー吸収材として機能します。このアセンブリは、適切な熱分布とアブレーション保護を提供するために、グラファイトとベリリウムのサブアセンブリで覆われています。^{[ 13 ]}

SNAP-19(B)は、マーティン・マリエッタ社（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^{[ 15 ] 。燃料は238}Pu、2つの並列テルル化鉛熱電対発電機は、初期最大で約30ワットの電力を生成した。^{[ 16 ]}ニンバス3は、ニンバスB1の試みから回収された燃料を使用したSNAP-19Bを使用した。^{[ 17 ]}

SNAP-19はパイオニア10号とパイオニア11号のミッションに電力を供給した。^{[ 18 ]}これらはn型2N-PbTeとp型TAGS-85熱電素子を使用した。^{[ 19 ]}

改良型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た。^{[ 20 ]}

SNAP-19Cは、ウッタラカンド州のナンダ・デヴィにあるテレメトリーアレイの電源として使用されたが、CIAは中国のミサイル発射を追跡する作戦を試みたものの失敗に終わった。^{[ 21 ] [ 22 ]}

SNAP-21 ^{[ 23 ]}と SNAP-23 は水中での使用用に設計され^{[ 6 ] [ 24 ]} 、放射性線源としてストロンチウム 90 を使用し、ストロンチウム酸化物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ました。これらは約 10 ワットの電力を生成しました。

5台のSNAP-27ユニットは、アポロ12号、14号、15号、16号、17号が月に残したアポロ月面実験パッケージ（ALSEP）に電力を供給した。SNAP-27電源装置の重量は約20キログラム、長さ46センチ、直径40.6センチであった。中央の燃料カプセルを同心円状の熱電対リングが囲む構造になっていた。熱電対の外側には、熱電対の低温側からの放熱を目的としたフィンが取り付けられていた。各SNAP装置は、30VDCで約75Wの電力を供給した。各装置のエネルギー源は、約 1250 W の熱出力を提供するプルトニウム 238 の棒でした。^{[ 25 ]}この燃料カプセルは、酸化物形態のプルトニウム 238 3.8 キログラム (8.4 ポンド) (44,500 Ciまたは1.65 PBq )を含み、月着陸船の側面に取り付けられた別の燃料キャスクに収められて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なサポートも提供しました。月面では、月着陸船の操縦士が燃料カプセルをキャスクから取り出し、RTG に挿入しました。     

これらの観測局は、ミッション終了後も数年間にわたり、月震や隕石衝突、月の磁場と重力場、月の内部温度、月の大気に関する情報を送信し続けた。10年後、SNAP-27は初期出力75ワットの90%以上を維持した。

アポロ13号ミッションで使用されたSNAP-27ユニットの燃料キャスクは現在、太平洋のトンガ海溝の海底、水深20,000フィート（6,100メートル）の海底に沈んでいる。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大気圏再突入時に燃え尽きた。キャスクが海溝に着水するように軌道が調整されていた。キャスクは設計どおり再突入に耐え^{[ 26 ]}、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、半減期の10倍（870年）の間、プルトニウムを封じ込めると予想されている^{[ 27 ] 。} 

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50kWの熱出力で運転されました。このシステムには電力変換装置はなく、二次熱風送風システムを用い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、反射板は1枚のみでした。臨界は1959年9月に達成され、最終停止は1961年12月に完了しました。このプロジェクトは成功とみなされ、SNAP計画の開発に対する継続的な信頼を育み、詳細な研究と部品開発にもつながりました。

SNAP-2開発用原子炉は、2番目に建造されたSNAP原子炉でした。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でした。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月まで試験が行われました。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になるというものでした。しかし、乗員カプセルは原子炉から放出される致命的な放射線から遮蔽する必要がありました。原子炉を放射線遮蔽材で囲むことは論外でした。当時利用可能なロケットで打ち上げるには重すぎたからです。乗員とペイロードを保護するために、SNAP-2システムは「シャドウシールド」を使用しました。このシールドは水素化リチウムを含む切頭円錐でした。原子炉は小さい方の端にあり、乗員カプセル/ペイロードは大きい方の端の影の中にありました。^{[ 28 ]}

原子炉、個々のコンポーネント、およびサポートシステムに関する研究が行われました。ノースアメリカン・アビエーションの子会社であるアトミックス・インターナショナルが開発と試験を担当しました。SNAP-2シールド開発ユニットは放射線シールドの開発を担当しました。シールドの作成には、水素化リチウムを溶融し、必要な形状に鋳造することが含まれていました。その形状は大きな切頭円錐でした。溶融した水素化リチウムは、冷却・凝固する際にひび割れが生じるため、鋳造型に少しずつ流し込む必要がありました。シールド材にひび割れが生じると、放射線が乗員/ペイロード区画に流れ込むため、それに依存する宇宙飛行士やペイロードにとって致命的となります。材料が冷却されると、中央に空洞状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案する必要がありました。そして、これらすべてを行うにあたり、湿潤で酸素が豊富な環境では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常に念頭に置く必要がありました。分析の結果、熱勾配や放射線勾配下では、水素化リチウムが解離し、水素イオンが遮蔽材を通過する可能性があることが明らかになった。これにより遮蔽効果にばらつきが生じ、搭載物が強い放射線にさらされる恐れがあった。これらの影響を軽減するための対策が講じられた。

SNAP 2DRは、SNAP-10Aと同様の原子炉反射減速装置を採用していたが、可動式反射板2枚と内部固定式反射板2枚を備えていた。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3.5kW の電力を発電できるように設計されていた。

SNAP-8 原子炉は、米国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社によって設計、建設、運用され、10,000 時間以上にわたって 600 kW の電力を供給することを目標としていました。SNAP-8 原子炉は 2 基製造されました。SNAP 8 実験炉と SNAP 8 開発炉です。どちらの SNAP 8 原子炉も、SNAP 2 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ました。SNAP 8 の設計には、熱を水銀ランキン電力変換システムに伝達するための一次および二次 NaK ループが含まれていました。SNAP 8 原子炉の発電システムは、エアロジェット・ジェネラル社によって供給されました。^{[ 29 ]}

SNAP 8実験炉は、1963年から1965年にかけて試験された600kWの原子炉でした。初期の試験では、計画された条件と計画外の条件でスクラム停止が実証され、その後60日間450kWを供給しました。原子炉は計画されたすべての試験に合格しました。運転終了時、炉心内の211個の燃料要素のうち、44個は無傷で、167個は被覆管に亀裂が入っていることがわかりました。^{[ 30 ]}これらの亀裂により、水素と核分裂生成物がNaK冷却材に漏れ出し、冷却材が燃料と反応しました。

SNAP 8 開発用原子炉は、 9.5 × 33 インチ (24 × 84 cm)の炉心を持ち、合計18 ポンド (8.2 kg)の燃料を収容し、出力定格は 1300 °F で 600 kW、最大出力は 1 MW _tで、出力は 1100 °F であった。原子炉の出力試験は、1969 年 1 月にサンタ スサナ フィールド ラボラトリーで開始された。^{[ 31 ]} SNAP 8 実験用原子炉で燃料要素の亀裂が観測されたため、開発用原子炉では NaK 冷却材中の放射線がより厳密に監視された。5 月に循環冷却材中に核分裂生成物 (Xe-133、Xe-135、Cs-137) が現れ、燃料被覆管の破損が実証された。原子炉は 12 月まで運転され続け、600 W の出力で 7,023 時間稼働した。分解の結果、211個の燃料要素のうち72個に亀裂が入っていると判断された。    

SNAP-10Aは、 SNAPSHOT計画の下で1965年に宇宙に打ち上げられた宇宙用原子炉発電システムである。 ^{[ 32 ] [ 33 ]}これは、RTGよりも高い出力を生成できることを実証するための空軍の研究プロジェクトとして構築された。原子炉は制御のために2つの可動ベリリウム反射板を使用し、初期には 35kWt_を生成した。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発電した。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。

SNAP-10Aは1965年4月に地球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研究衛星の動力源として使用されました。このシステムは、43日間の短縮された飛行試験中に500Wの電力を生成しました。原子炉は、コマンド受信機の不具合により早期に停止されました。4,000年間軌道上に留まると予測されています。^{[ 31 ]}その間に核分裂生成物の大部分は崩壊しますが、ウランの大部分は残り、最終的には衛星の燃え尽きによる放射性降下物として地球に戻ってくるでしょう。