Kilopower es un proyecto experimental estadounidense para fabricar nuevos reactores nucleares para viajes espaciales . [1] [2] El proyecto comenzó en octubre de 2015, dirigido por la NASA y la Administración Nacional de Seguridad Nuclear (NNSA) del Departamento de Energía . [3] A partir de 2017, los reactores Kilopower estaban destinados a venir en cuatro tamaños, capaces de producir de uno a diez kilovatios de energía eléctrica (1–10 kW e ) de forma continua durante doce a quince años. [4] [5] El reactor de fisión utiliza uranio-235 para generar calor que se transporta a los convertidores Stirling con tubos de calor de sodio pasivos . [6] En 2018, se anunciaron los resultados positivos de las pruebas del reactor de demostración Kilopower Reactor Using Stirling Technology ( KRUSTY ). [2]
Las posibles aplicaciones incluyen la propulsión eléctrica nuclear y un suministro constante de electricidad para misiones espaciales tripuladas o robóticas que requieren grandes cantidades de energía, especialmente donde la luz solar es limitada o no está disponible. La NASA también ha estudiado el reactor Kilopower como fuente de energía para misiones tripuladas a Marte. Durante esas misiones, el reactor proporcionaría energía para la maquinaria necesaria para separar y almacenar criogénicamente el oxígeno de la atmósfera marciana para los propulsores de los vehículos de ascenso. Una vez que lleguen los humanos, el reactor alimentaría sus sistemas de soporte vital y otros requisitos. Los estudios de la NASA han demostrado que un reactor de 40 kW e sería suficiente para sustentar a una tripulación de entre 4 y 6 astronautas. [1]
El reactor está alimentado por una aleación de 93% de uranio-235 y 7% de molibdeno . [7] [8] El núcleo del reactor es una estructura de aleación sólida fundida rodeada por un reflector de óxido de berilio , que evita que los neutrones escapen del núcleo del reactor y permite que la reacción en cadena continúe. El reflector también reduce las emisiones de radiación gamma que podrían dañar la electrónica de a bordo. [9] Un núcleo de uranio tiene el beneficio de evitar la incertidumbre en el suministro de otros radioisótopos, como el plutonio-238 , que se utilizan en los RTG . [10]
El prototipo del reactor KRUSTY 1 kW e Kilopower pesa 134 kg y contiene 28 kg de235
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Se espera que el Kilopower de 10 kW con clasificación espacial para Marte tenga una masa de 1500 kg en total (con un núcleo de 226 kg) y contenga 43,7 kg de235
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. [5] [11]
El control de la reacción nuclear se proporciona mediante una única barra de carburo de boro , que es un absorbedor de neutrones . El reactor está diseñado para ser lanzado en frío, lo que evita la formación de productos de fisión altamente radiactivos . Una vez que el reactor llega a su destino, la barra de boro que absorbe los neutrones se retira para permitir que comience la reacción nuclear en cadena . [7] Una vez que se inicia la reacción, la desintegración de una serie de productos de fisión no se puede detener por completo. Sin embargo, la profundidad de inserción de la barra de control proporciona un mecanismo para ajustar la velocidad de la fisión del uranio, lo que permite que la salida de calor coincida con la carga.
Los tubos de calor pasivos llenos de sodio líquido transfieren el calor del núcleo del reactor a uno o más motores Stirling de pistón libre , que producen un movimiento alternativo para impulsar un generador eléctrico lineal . [12] El punto de fusión del sodio es de 98 °C (208 °F), lo que significa que el sodio líquido puede fluir libremente a altas temperaturas entre aproximadamente 400 y 700 °C (750 y 1300 °F). Los núcleos de fisión nuclear normalmente funcionan a aproximadamente 600 °C (1100 °F).
El reactor está diseñado para ser intrínsecamente seguro en una amplia gama de entornos y escenarios. Se emplean varios mecanismos de retroalimentación para mitigar una fusión nuclear . El método principal es el enfriamiento pasivo, que no requiere mecanismos mecánicos para hacer circular el refrigerante. El diseño del reactor se autorregula a través de una geometría de diseño que crea un coeficiente de reactividad de temperatura negativo . [13] En efecto, esto significa que a medida que aumenta la demanda de energía, la temperatura del reactor disminuye. Esto hace que se encoja, lo que evita que se escapen neutrones. Esto, a su vez, hace que la reactividad aumente y la potencia de salida aumente para satisfacer la demanda. Esto también funciona a la inversa en momentos de menor demanda de energía. [11]
El desarrollo de Kilopower comenzó con un experimento llamado DUFF o Demonstration Using Flattop Fissions (Demostración usando fisiones de superficie plana) , que se probó en septiembre de 2012 utilizando el ensamblaje Flattop existente como fuente de calor nuclear. Cuando se probó DUFF en la Instalación de ensamblaje de dispositivos en el Sitio de pruebas de Nevada , se convirtió en el primer motor Stirling alimentado por energía de fisión y el primer uso de un tubo de calor para transportar calor desde un reactor a un sistema de conversión de energía. [14] Según David Poston, el líder del Equipo de diseño de reactores de fisión compactos, y Patrick McClure, el gerente de proyectos de reactores nucleares pequeños en el Laboratorio Nacional de Los Álamos , [1] el experimento DUFF demostró que "para sistemas de reactores de baja potencia, las pruebas nucleares se pueden realizar con un costo y un cronograma razonables dentro de la infraestructura y el entorno regulatorio existentes". [14]
En 2017, se completó el reactor de prueba KRUSTY. KRUSTY está diseñado para producir hasta 1 kilovatio de energía eléctrica y tiene aproximadamente 6,5 pies de alto (1,9 metros). [15] El objetivo del reactor de prueba es igualar estrechamente los parámetros operativos que se requerirían en las misiones de espacio profundo de la NASA. [16] Las primeras pruebas utilizaron un núcleo de uranio empobrecido fabricado por el Complejo de Seguridad Nacional Y-12 en Oak Ridge , Tennessee. El núcleo de uranio empobrecido es exactamente el mismo material que el núcleo regular de uranio altamente enriquecido (HEU) con la única diferencia que es el nivel de enriquecimiento de uranio . [1]
El prototipo Kilopower utiliza un núcleo de reactor de uranio-235 sólido y fundido , del tamaño de un rollo de papel de cocina. El calor del reactor se transfiere a través de tubos de calor pasivos de sodio , y el calor se convierte en electricidad mediante motores Stirling . Las pruebas para alcanzar el nivel de preparación tecnológica (TRL) 5 comenzaron en noviembre de 2017 y continuaron hasta 2018. [4] Las pruebas de KRUSTY representan la primera vez que Estados Unidos ha realizado pruebas terrestres en un reactor espacial desde que se probó el reactor experimental SNAP-10A y finalmente voló en 1965. [1]
Entre noviembre de 2017 y marzo de 2018, se realizaron pruebas de KRUSTY en el Sitio de Seguridad Nacional de Nevada . Las pruebas incluyeron validación térmica, de materiales y de componentes, y culminaron con una prueba de fisión exitosa a plena potencia. Se simularon varias fallas en el equipo de soporte para garantizar que el reactor pudiera responder de manera segura. [2]
El reactor KRUSTY funcionó a plena potencia el 20 de marzo de 2018 durante una prueba de 28 horas utilizando unNúcleo del reactor de uranio-235 de 28 kg . Alcanzó los 850 °C (1.560 °F) y generó aproximadamente5,5 kW de potencia de fisión. La prueba evaluó escenarios de falla que incluían apagar los motores Stirling, ajustar la barra de control, realizar ciclos térmicos y desactivar el sistema de eliminación de calor. Una prueba de parada de emergencia concluyó el experimento. La prueba se consideró una demostración altamente exitosa. [17]