كيلوباور

كيلوباور هو مشروع أمريكي تجريبي لتطوير مفاعلات نووية جديدة لرحلات الفضاء .   بدأ المشروع في أكتوبر 2015، تحت اشراف وكالة ناسا والإدارة الوطنية للأمن النووي التابعة لوزارة الطاقة الأمريكية .  خلال عام 2017 كان من المقرر أن تأتي مفاعلات كيلوباور بأربعة أحجام، قادرة على إنتاج ما بين كيلوواط واحد وعشرة كيلوواط من الطاقة الكهربائية (1-10  كيلوواط كهربائي ) بشكل مستمر لمدة تتراوح بين اثني عشر وخمسة عشر عامًا.   يستخدم مفاعل الانشطار اليورانيوم-235 لتوليد الحرارة التي تُنقل إلى محولات ستيرلينغ بواسطة أنابيب حرارية سلبية (غير متحركة) تحتوي على الصوديوم.  وفي عام 2018 أُعلن عن نتائج اختبارات إيجابية لمفاعل كيلوباور التجريبي باستخدام تقنية ستيرلينغ ( مختصرا KRUSTY ). 

تشمل التطبيقات المرغوب فيها الدفع الكهربائي النووي وتوفير إمداد كهربائي ثابت للبعثات الفضائية المأهولة أو الروبوتية التي تتطلب كميات كبيرة من الطاقة، خاصة في المناطق التي يكون فيها ضوء الشمس محدودًا أو معدومًا. كما درست ناسا امكانية استغلال مفاعل كيلوباور كمصدر للطاقة لبعثات المريخ المأهولة. خلال هذه البعثات، سيوفر المفاعل الطاقة للآلات اللازمة لفصل الأكسجين وتخزينه بالتبريد من الغلاف الجوي للمريخ ، لاستخدامه كوقود لمركبات الصعود من المريخ. وبمجرد وصول البشر سيوفر المفاعل الطاقة لأنظمة دعم الحياة الخاصة بهم وغيرها من المتطلبات. وقد أظهرت دراسات ناسا أن 40  مفاعل الطاقة الكهروكيميائية بقدرة 40 كيلوواط كهرباء سيكون كافياً لدعم طاقم يتراوح بين 4 و 6 رواد فضاء. Gibson, Marc; Oleson, Steven; Poston, David; McClure, Patrick (March 4, 2017). NASA's Kilopower Reactor Development and the Path to Higher Power Missions (PDF). NASA (Report). Archived (PDF) from the original on January 23, 2022. Retrieved March 25, 2018.

 الوصف 
يُغذّى المفاعل بمزيج (سبيكة) من 93% يورانيوم-235 و7% موليبدينوم .   يتكون قلب المفاعل من هيكل صلب مصبوب من سبيكة محاطة بعاكس من أكسيد البريليوم ، مما يمنع النيوترونات من التسرب من قلب المفاعل ، وهذا يسمح باستمرار التفاعل المتسلسل في اليورانيوم. كما يقلل العاكس من انبعاثات أشعة غاما التي قد تُلحق الضرر بالإلكترونيات الموجودة على متن المفاعل.  يتميز قلب اليورانيوم بميزة جدواه في تجنب عدم اليقين في حالة استخدام نظائر مشعة الأخرى كوقود، مثل البلوتونيوم-238 - المستخدمة في مولدات الطاقة النووية الحرارية . 

النموذج الأولي KRUSTY   بطاقة 1 كيلوواط كهربائي يزن المفاعل كيلوباور 134 كيلوغرام ويحتوي على 28 كيلوغرام من 235-U. تصنيف الفضاء 10 من المتوقع أن تحتاج بعثة إلى المريخ لكتلة لمشروع كيلوباور للمريخ 1500  كيلوغرام إجمالاً لاإنتاج قدره كهربائية 10 كيلوواط (من ضمن هذه الكتلة 226 كجم هي قلب المفاعل ) ويحتوي قلب المفاعل على 43.7 كيلوغرام من اليورانيوم-235 . McClure, Patrick Ray (March 6, 2017). "Space Nuclear Reactor Development". Nuclear Engineering Capability Review. LA-UR-17-21904: 16. Retrieved May 16, 2018. 

يتم التحكم في التفاعل النووي بواسطة قضيب واحد من كربيد البورون ، وهو ماص للنيوترونات . يُصمم المفاعل ليبدأ تشغيله باردًا، مما يمنع تكوّن نواتج الانشطار عالية الإشعاع. بمجرد وصول المفاعل إلى وجهته، يُزال قضيب البورون الماص للنيوترونات للسماح ببدء التفاعل النووي المتسلسل . Gibson, Marc A.; Mason, Lee; Bowman, Cheryl; et al. (June 1, 2015). "Development of NASA's Small Fission Power System for Science and Human Exploration" (PDF). 50th Joint Propulsion Conference. NASA/TM-2015-218460: 4. Archived (PDF) from the original on April 18, 2022. Retrieved May 16, 2018. بمجرد بدء التفاعل فلا يمكن إيقاف تحلل نواتج الانشطار التي تكون عالية الأشعاع . في نفس الوقت يوفر عمق إدخال قضيب التحكم في قلب المفاعل آلية التشغيل عن طريق ضبط معدل انشطار اليورانيوم، مما يسمح بمطابقة الحرارة الناتجة مع الحمل.

تنقل الأنابيب الحرارية المملوءة بالصوديوم السائل حرارة قلب المفاعل إلى محرك أو أكثر من محركات ستيرلينغ ذات المكابس الحرة، والتي تُنتج حركة ترددية لتشغيل مولد كهربائي خطي.  تبلغ درجة انصهار الصوديوم  ، مما يعني أن الصوديوم السائل يمكن أن يتدفق بحرية عند درجات حرارة عالية تتراوح بين  . يعمل مفاعل الانشطار النووي عادةً عند حوالي  .

صُمم المفاعل ليكون آمنًا بطبيعته في نطاق واسع من البيئات والسيناريوهات. وتُستخدم عدة آليات تغذية وتحكم رادعة لمنع الانصهار النووي للمفاعل . وتتمثل الطريقة الأساسية في التبريد السلبي، الذي لا يتطلب أي آليات ميكانيكية لتدوير سائل التبريد. يتميز تصميم المفاعل بالتنظيم الذاتي من خلال هندسة تصميمية تُنتج معامل تفاعل حراري سالب للمفاعل.  وهذا يعني عمليًا أنه مع ازدياد الطلب على الطاقة، تنخفض درجة حرارة المفاعل . وهذا يعمل على ا نكماش قلب المفاعل ومنع تسرب النيوترونات. وهذا بدوره يؤدي إلى زيادة التفاعل وزيادة إنتاج الطاقة لتلبية الطلب. كما يعمل هذا النظام بشكل عكسي في أوقات انخفاض الطلب على الطاقة. McClure, Patrick Ray (July 8, 2019). "A small fission reactor for planetary surface and deep space power". Archived from the original on April 18, 2022. Retrieved July 16, 2019.

 عرض توضيحي باستخدام الانشطارات النووية ذات قمة مسطحة 
بدأ تطوير مشروع كيلوباور بتجربة تُسمى DUFF أو "عرض توضيحي باستخدام الانشطارات ذات القمة المسطحة" ، والتي تم اختبارها في سبتمبر 2012 باستخدام مجموعة Flattop الحالية كمصدر حراري نووي. عندما تم اختبار DUFF في منشأة تجميع الأجهزة في موقع اختبار نيفادا ، أصبح أول محرك ستيرلينغ يعمل بطاقة الانشطار، وأول استخدام لأنبوب حراري لنقل الحرارة من المفاعل إلى نظام تحويل الطاقة (من حرارة إلى كهرباء) .  ووفقًا لديفيد بوستون، المشرف على فريق تصميم مفاعل الانشطار المدمج، وباتريك ماكلور، مدير مشاريع المفاعلات النووية الصغيرة في مختبر لوس ألاموس الوطني ،  أظهرت تجربة DUFF أنه "بالنسبة لأنظمة المفاعلات منخفضة الطاقة، يمكن إجراء الاختبارات النووية بتكلفة وجدول زمني معقولين ضمن البنية التحتية والبيئة التنظيمية الحالية". 

 اختبار KRUSTY والانشطار الأول 
تصغير|قلب اليورانيوم المستنفد، الذي تم تصنيعه في Y-12 لتجربة KRUSTY.
تصغير|أنابيب التسخين الخاصة بـ KRUSTY أثناء اختبار التسخين الكهربائي.
في عام ٢٠١٧ اكتمل بناء مفاعل الاختبار KRUSTY. صُمم "كروستي" لإنتاج ما يصل إلى كيلوواط واحد من الطاقة الكهربائية ، ويبلغ ارتفاعه حوالي ١.٩ متر (٦.٥ قدم).  يهدف مفاعل الاختبار إلى محاكاة معايير التشغيل المطلوبة في مهمات ناسا الفضائية البعيدة بدقة.  استخدمت الاختبارات الأولى قلبًا من اليورانيوم المستنفد (قليل التخصيب) ، صُنع في مجمع Y-12 للأمن القومي في أوك ريدج ، تينيسي. يتكون قلب اليورانيوم المستنفد من نفس مادة قلب اليورانيوم عالي التخصيب (HEU) العادي، والفرق الوحيد بينهما هو مستوى تخصيب اليورانيوم . 

يستخدم النموذج الأولي لمفاعل كيلوباور قلبًا صلبًا مصبوبًا من اليورانيوم-235، بحجم لفة مناديل ورقية تقريبًا. تُنقل حرارة المفاعل عبر أنابيب حرارية سلبية من الصوديوم، حيث تُحوّل هذه الحرارة إلى كهرباء بواسطة محركات ستيرلينغ . بدأت الاختبارات اللازمة للوصول إلى مستوى الجاهزية التكنولوجية (TRL) 5 (المستوى الخامس) في نوفمبر 2017 واستمرت حتى عام 2018. Hall, Loura (November 13, 2017). "Powering Up NASA's Human Reach for the Red Planet". Space Tech. NASA. Archived from the original on April 18, 2022. Retrieved November 15, 2017. يُمثل اختبار KRUSTY أول اختبار أرضي تجريه الولايات المتحدة على أي مفاعل فضائي منذ اختبار المفاعل التجريبي SNAP-10A وإطلاقه في عام 1965. 

خلال الفترة من نوفمبر 2017 إلى مارس 2018 أُجريت اختبارات لمفاعل KRUSTY في موقع نيفادا للأمن القومي . شملت الاختبارات التحقق من الخصائص الحرارية والمواد والمكونات، وتُوِّجت بتجربة انشطار ناجحة بكامل الطاقة. وتمت محاكاة أعطال مختلفة في المعدات الداعمة لضمان استجابة المفاعل بأمان. Jan Wittry, Gina Anderson (May 2, 2018). "Demonstration Proves Nuclear Fission System Can Provide Space Exploration Power" (Press release). NASA. 18-031. Archived from the original on April 18, 2022. Retrieved May 2, 2018.

تم تشغيل مفاعل "كروستي " KRUSTY بكامل طاقته في 20 مارس 2018 خلال اختبار استمر 28 ساعة باستخدام  كيلوجرام من اليورانيوم-235 في قلب المفاعل . ووصلت درجة حرارته إلى  وأنتج حوالي  كيلوواط من طاقة الانشطار النووي. قيّم الاختبار سيناريوهات الأعطال، بما في ذلك إيقاف محركات ستيرلينغ، وضبط قضيب التحكم، والتغيرات الحرارية، وتعطيل نظام إزالة الحرارة. واختُتمت التجربة باختبار إيقاف تشغيل تلقائي . واعتُبر الاختبار عرضًا ناجحًا للغاية. 

 انظر أيضاً 


 المراجع 

 روابط خارجية 

 موقع كيلوباور التابع لناسا



 كيلوباور - حقائق 
 مفهوم مفاعل كيلو باور الفضائي - دراسة مواد المفاعل

تصنيف:برامج ناسا
تصنيف:طاقة نووية في الفضاء
تصنيف:صفحات بترجمات غير مراجعة