Nuclear Power Systems for Space Applications
Creators: name: Χατζηπαναγιωτίδης, Δημήτριος Σταύρου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2019
Subjects: ραδιοϊσότοπα
πυρηνικός αντιδραστήρας
διαστημικές εφαρμογές
RTG(Radioisotopes Thermoelectric Generators)
reactors
space

description: Για πολλά χρόνια η ηλικιακή ενέργεια τροφοδοτεί διαφόρων τύπων διαστημικές αποστολές. Παρά την μεγάλη επιτυχία των ηλιακών πάνελ αυτή η πηγή ενέργειας θέτει περιορισμούς όσον αφορά αποστολές πέρα του πλανήτη Δία όπου η ηλιακή ακτινοβολία μειώνεται σημαντικά, καθώς είναι αντιστρόφως ανάλογη με την απόσταση από τον ήλιο, με αποτέλεσμα να μην είναι επαρκής η παραγόμενη ισχύς. Επίσης οι περιορισμοί είναι σημαντικοί για την εξερεύνηση πλανητών η των δορυφόρων τους με εξερευνητικά οχήματα καθώς η λειτουργία τους είναι ισχυρά συνδεδεμένη με την ροή της ηλικιακής ακτινοβολίας γεγονός που δεν επιτρέπει την εξερεύνηση σκοτεινών περιοχών. Η λύση σε αυτά τα προβλήματα γίνεται με την χρήση πυρηνικής ενέργειας από την θερμική ενέργεια που παράγουν ραδιενεργά ισότοπα και την μετατροπή τους σε ηλεκτρική. Οι πηγές ενέργειας που βασίζονται στις διασπάσεις των ραδιοϊσοτόπων ονομάζονται θερμοηλεκτρικές γεννήτριες ραδιοϊσοτόπων (RTG Radioisotope Thermoelectric Generators) και χρησιμοποιούνται σε διαστημικές αποστολές με μεγάλη επιτυχία από το 1961. To πιο ιδανικό ραδιοϊσότοπο για την κατασκευή μιας τέτοιας ‘’πυρηνικής μπαταρίας’’ είναι το Πλουτώνιο 238. Η ζωή της πυρηνικής μπαταρίας συνδέεται άμεσα με τον χρόνο ημισείας ζωής του ραδιενεργού και δίνει ένα όριο στην χρονική κλίμακα μιας διαστημικής αποστολής. Το πλουτώνιο 238 με χρόνο ημισείας ζωής στα 87.7 χρόνια είναι κατάλληλο για διαστημικές αποστολές καθώς τα 10 πρώτα χρόνια θα έχει χάσει μόλις το 8% της ισχύς του. Ένα άλλο σημαντικό χαρακτηριστικό του Πλουτωνίου 238 είναι ότι διασπάται με την εκπομπή σωματιδίων α τα οποία λόγο της σχετικά μεγάλη τους μάζα εναποθέτουν την ενέργεια τους σε πολύ μικρή απόσταση και έτσι το πάχος της θωράκισης του ραδιενεργού είναι πολύ μικρό μειώνοντας σημαντικά το βάρος της πηγής, σε αντίθεση με τα ραδιοϊσότοπα που εκπέμπουν ηλεκτρόνια τα οποία χρειάζονται ισχυρότερη θωράκιση που συνδέεται με σημαντική αύξηση του βάρους της πηγής. Τα αποθέματα Πλουτωνίου 238 είναι πολύ μικρά και το κόστος παραγωγής του είναι πολύ μεγάλο. Επίσης, οι θερμοηλεκτρικές γεννήτριες ραδιοϊσοτόπων βασισμένες στο Πλουτώνιο 238 παρόλο που είναι εξαιρετικές πηγές ενέργειας θέτουν περιορισμούς στο είδος των διαστημικών αποστολών. Έχουν γίνει μελέτες και για άλλα ραδιενεργά όπως το Στρόντιο 90 το οποίο παρέχει σημαντική ισχύ αλλά λόγο το ότι διασπάται με την εκπομπή ηλεκτρονίων το καθιστά σχετικά ακατάλληλο καθώς η επιπλέον θωράκιση που χρειάζεται αυξάνει πολύ το βάρος της ενεργειακής πηγής. Το επόμενο βήμα είναι η παραγωγή ενέργειας από αντιδράσεις σχάσης. Μικροί αντιδραστήρες σχάσης έχουν σχεδιαστεί από τα πρώτα χρόνια εξερεύνησης του διαστήματος αλλά δεν έγινε χρήση τους από την NASA λόγο του περιορισμού που έθεταν θέματα ασφάλειας αλλά και γιατί οι θερμοηλεκτρικές γεννήτριες ραδιοϊσοτόπων παρείχαν αρκετή ισχύ για εκείνη την εποχή. Τα τελευταία χρόνια οι σχεδιασμοί αποστολών για περεταίρω εξερεύνηση των πλανητών και των δορυφόρων τους με μεγαλύτερης ακρίβειας όργανα και ανεπτυγμένα συστήματα προώθησης , όπως ο προωθητήρας ιόντων, απαιτούν μεγάλα ποσά ισχύος γεγονός που οδηγεί στην ανάγκη για σχεδιασμό πηγών ενέργειας βασισμένων σε σχάσιμα ισότοπα όπως το Ουράνιο 235 το οποίο χρησιμοποιείται στους αντιδραστήρες παραγωγής ενέργειας στην Γη. Επίσης τα μακροχρόνια σχέδια για επανδρωμένες αποστολές στον Άρη η ακόμα και για δημιουργία αποικιών απαιτούν πολύ μεγάλα ποσά ενέργειας που μόνο αντιδραστήρες σχάσης μπορούν να προσφέρουν. Ο σχεδιασμός πυρηνικών αντιδραστήρων για εφαρμογές στο διάστημα απαιτεί μεγάλης ακρίβειας προσομοιώσεις βασισμένες στην μέθοδο Monte Carlo ώστε να υπολογιστεί η ισχύς, να προβλεφθεί ο χρόνος ζωής τους και να εφαρμοστούν όλες οι προδιαγραφές που απαιτούνται για την ασφαλή λειτουργία τους. Υπάρχει μια πληθώρα από κώδικες που αναπτύσσονται για πολλά χρόνια τώρα και μπορούν να δώσουν μεγάλης ακρίβειας αποτελέσματα για την διάδοση σωματιδίων μέσα στην ύλη. Ένα από τα βασικότερα προβλήματα στον σχεδιασμό αυτού του είδους πυρηνικών αντιδραστήρων είναι τα κινητά μηχανικά μέρη που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο των αντιδράσεων σχάσης. Τα κινητά μέρη προσθέτουν αστάθειες στις διαστημικές αποστολές και επίσης μειώνουν την αξιοπιστία της πηγής ενέργειας καθώς είναι πιο πιθανό να εμφανίσουν βλάβη και η αποστολή να οδηγηθεί σε αποτυχία. Μια λύση σε αυτό το πρόβλημα είναι ο σχεδιασμός ενός υποκρίσιμου αντιδραστήρα με μια εξωτερική πηγή νετρονίων προσφέροντας μια πιο ασφαλή λειτουργία χωρίς κινητά μηχανικά μέρη. Η εξωτερική πηγή νετρονίων αποτελείται από ένα ραδιενεργό ισότοπο α-διάσπασης του οποίου τα σωματίδια α αλληλοεπιδρώντας με Βηρύλλιο παράγουν νετρόνια. Έτσι ο χρόνος ζωής και η ένταση της πηγής νετρονίων εξαρτάται από τον χρόνο ημισείας ζωής του ραδιενεργού ισοτόπου. Το Ουράνιο 232 μελετήθηκε σε αυτήν την εργασία σαν επιλογή για το ραδιενεργό ισότοπο. Για τα καύσιμα του υποκρίσιμου αντιδραστήρα μελετήθηκαν τρία διαφορετικά μίγματα με ουράνιο, UO2 (οξείδιο του Ουρανίου), UN (νιτρίδιο του Ουρανίου) και UC (καρβίδιο του Ουρανίου). Η μελέτη έγινε με την δημιουργία μιας σφαιρικής γεωμετρίας όπου στο κέντρο υπάρχει η πηγή νετρονίων τα καύσιμα του αντιδραστήρα τα οποία περιβάλει μια θωράκιση από Βηρύλλιο, για διάφορες μάζες καυσίμων. Επίσης τα συστήματα μετατροπής ενέργειας που μετατρέπουν την θερμική ενέργεια που παράγεται είτε από τα ραδιοϊσότοπα είτε από τους αντιδραστήρες σχάσης σε ηλεκτρική παίζουν μεγάλο ρόλο στην απόδοση της πηγής ενέργειας. Εδώ αντιμετωπίζουμε πάλι το ίδιο πρόβλημα σχετικά με τα κινητά μηχανικά μέρη καθώς ο αποδοτικότερος τρόπος μετατροπής της θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική γίνεται με την κίνηση ενός πιστονιού βασισμένο στον κύκλο Stirling. Ο άλλος τρόπος που είναι πιο συμπαγής και σταθερός είναι τα θερμοζεύγει, τα οποία χρησιμοποιούνται όλα αυτά τα χρόνια από της θερμοηλεκτρικές γεννήτριες ραδιοϊσοτόπων σε διάφορες διαστημικές αποστολές, αλλά με περίπου έξι φορές μικρότερη απόδοση από μια μηχανή Stirling
description: As the solar energy for space applications put some significant limitations about missions beyond Jupiter and planetary surface rovers, the use of nuclear energy is the future of space exploration. Plutonium 238 is the most desirable fuel for Radioisotopes Thermoelectric Generators (RTG) but is limited on the planet and the production is a highly cost procedure. New techniques of Plutonium 238 production are developed in order to enable new space missions. Other radioisotopes can be used instead of Plutonium 238, like Strontium 90, but the shielding considerations or the half-life make them undesirable for space applications. Although Plutonium 238 offer great designs of power sources still we have some limitations about the amount of power that can be produces by those devices and the profile of a space mission. The next step is the energy from fission reactions. Small fission reactors have been designed form the early years of space exploration but not used due to the safety restrictions but also because RTG provided enough power for the missions of that era. The last years the demands of further exploration of planets and moons or deep space missions with more precise instrumentation and advanced propulsion systems leading to designs of higher power sources that use fissionable radioisotopes like Uranium. The design of space fission reactors requires precise simulation with Monte Carlo techniques to predict the power and the life time of the energy source. One major problem of these designs is the movable parts that control the fission reactions as increase instability that is undesirable in space missions. A solution to this problem is the design of subcritical cores with external neutron source that increase the safety and doesn’t require movable control parts. There are 3 main fuels that considered for the design of a subcritical core and evaluated in this thesis. A suitable neutron source discussed as well. Also, the energy conversion systems are very important and the two concepts are a steady no movable conversion via thermocouples and a movable based on stripling cycle machine