Jaderne reaktory ve vesmiru

[Malky]

Společnost BWXT obdržela od NASA kontrakt (pokračování kontraktu z roku 2017) na studium designu a výrobních procesů pro jaderný pohon (NTP).

https://www.bwxt.com/news/2021/04/01/BW ... k-for-NASA

Pro britskou kosmickou agenturu dělá podobný výzkum Rolls-Royce.

https://www.rolls-royce.com/media/press ... power.aspx

[jakubv]

dnešní aktualita od NASA
NASA, DARPA Will Test Nuclear Engine for Future Mars Missions
https://www.nasa.gov/press-release/nasa ... s-missions

[HenriettaVega]

Běžným příkladem jaderného reaktoru ve vesmíru je hraniční jaderný tepelný jaderný reaktor, který se používá k vytváření vysokých teplot a energie k pohonu raket nebo kosmických lodí. Principy fungování termonukleárních reaktorů jsou založeny na využití jaderné reakce k vytvoření vysokého tepla, které zase vytváří tlak a tah potřebný k pohybu rakety nebo kosmické lodi.

Používání jaderných reaktorů ve vesmíru však čelí mnoha technickým a bezpečnostním výzvám. Měla by být přijata bezpečnostní opatření k zajištění bezpečné přepravy a využívání zdrojů jaderné energie ve vesmíru.

[Vaclavik]

Měla by být přijata bezpečnostní opatření k zajištění bezpečné přepravy a využívání zdrojů jaderné energie ve vesmíru.

Jaká bezpečnostní opatření by měla být přijata nad rámec těch nyní platných a extrémně přísných?

[Alchymista]

U podobných názorov - zrejme také, ktoré by použitiu spoľahlivo zabránili...

Proste - občas to bouchne
A koho dnes zaujíma koľko "bouchlo" parných kotlov, parných lokomotív a parníkov na Mississipi?

Vyhrá ten, kto to zvládne dostatočne dobre aby to bolo použiteľné - a bude ochotný priať riziká.
Ako kapitán parníku na Mississipi, keď nariadil zaťažiť klapky kotla ďalšou librou či fľašou whisky...

[jregent]

Rolls-Royce předvedl model vesmírného reaktoru Space Micro-Reactor
https://www.osel.cz/13223-rolls-royce-p ... actor.html

[Alchymista]

technické údaje a zmysluplné informácie veškeré žádné...
Jediná relevantná informácia je použitie paliva TRISO, čož sú uranové jadierka v mnohovrstvých obalových guličkách o priemere cca 0,8-1mm, z ktorý sa formujú (spekaním? lisovaním?) palivové bloky guľovitého alebo valcovitého tvaru...

Zo všetkého najviac to pripomína archaický americký SNAR z roku 1965 alebo ruské reaktory Topaz a Jenisej (v 1992 predaný do USA).

Holt skoro všetko nové je len dobre zabudnuté staré...

[Alchymista]

Jadrový zdroj Betavolt BV100
rozmery - 15 x 15 x 5 mm
výkon - 3 volty a 100 microwatt
životnosť > 40 rokov, pracovné prostredie -60°C - + 120°C (polčas rozpadu 63Ni je 100,1 rokov)
Do roku 2025 chce Betavolt pripraviť aj zdroj s výkonom 1 watt
Podľa popisky súčiastky je aktivita obsahu minimálne 50Ci -> obsahuje teda najmenej gram 63Ni
Môj odhad ceny za kus: $5000+ len výroba

pravdepodobná štruktúra:


Izotop niklu 63Ni má oproti plutoniu očividné výhody - je výrazne lacnejší a vlastne aj dostupnejší, hoci bez procesu obohacovania a pobyte v reaktore sa tiež nezaobíde.
Obohacuje sa izotop 62Ni (výskyt v prírode ~3,6%), a vysokoobohatený 62Ni sa následne v hliníkovej zliatine vystaví neutronovému toku v reaktore (alebo urychlovači). Záchytom neutronu vzniká 63Ni. Nasleduje rozpustenie hliníku v hydroxide sodnom a chemické (a možno aj izotopové) čistenie.
Prečo hliník? Hliník nemá izotopy, ktorá by mohli vzniknúť zo stabilného 27Al ožarovaním. Rádioaktívny je 26Al.

Nevýhoda je hlavne jedna, zato významná - niklový zdroj je tepelne asi 80 krát menej výkonný ako plutoniový (alfa častica z plutonia má 5,5MeV, elektron z niklu len 0,0669MeV)

Na druhej strane, nikel produkuje elektrony, takže nemusí využívať len termoelektrický princíp produkcie energie.

Niekedy v roku 2020 sa objavili správy o pokročilom ruskom betavoltaickom zdroji.
Ruská beta-rádioizotopová batéria má byť schopná pracovať najmenej 20 rokov. Ruským vedcom sa podarilo zvýšiť výkon batérie desať krát a znížiť cenu na polovicu.
Na rozdiel od klasických termálnych rádioizotopových zdrojov s plutoniom 238Pu pracuje s niklom 63Ni (polčas 100 rokov) a princípom funkcie sa podobá slnečným batériám, ale na rozdiel od svetla je ožiarená elektronmi z betarozpadu 63Ni (dá sa ale použiť napríklad i trícium 3H - aj také zdroje existujú). Rádioaktívneho niklu je v "súčiastke" dosť - uvádzajú aktivitu štruktúry 10Ci/g, a aktivita 63Ni je 59Ci/g.
Objav/vynález spočíva v kanálikovej štruktúre aktívnych PN prechodov, čo výrazne zvyšuje efektivitu pri interakcii prechodu s hmotnými časticami (elektronmi). Jeden beta-elektron uvolňoval v klasickej planárnej konštrukcii okolo 200 tisíc elektronov - a pri desať krát zvýšenej účinnosti premeny...
IMHO - v "kanáliku" dokážu opakovane využiť aj "odrazené" elektrony s vyššou energiou a kanáliky tak zvyšujú "efektívnu hrúbku/plochu" aktívneho PN prechodu.

Ruský betavoltaický zdroj z roku 2020

Podľa obrázku možno rozmery "batérie" odhadnúť na zhruba 2,5x3cm, takže dva aktívne povrchy (63Ni medzi nimi vo forme folie alebo "keramického" výlisku) by mohli mať rozmer ~2x2,5cm a celkovú plochu do 10cm2. Hmotnosť baterie by sa z rozmerov dala odhadnú na cca 10gramov. Do vnútra by sa dali vložiť až 1-2 gramy 63Ni s aktivitou 56-110Ci (strašne veľa! - zodpovedá to aktivite 56-110g rádia 226Ra. Napriek tomu je to relatívne bezpečné, pretože tie "krycie pliešky" predstavujú pre beta-elektrony tienenie na úrovni 50-100 polovrstiev)

nejaké medy k ruskému vývoju https://www.researchgate.net/publicatio ... evaluation

[Alchymista]

K predošlému - betavoltaické zdroje nie sú žiadna veľká novinka. Vývoj začal už v 50. rokoch a od 70. rokov sú nasadené aj prakticky. Problémy sú hlavne dva - nepatrný výkon v jednotkách až desiatkach nanowatt nanajvýš jednotkách mikrowatt a "malá životnosť" pod desať rokov, pretože ako zdroj žiarenia využívajú trícium 3H s polčasom len 12 rokov. Viď napr. https://citylabs.net/products/

Pre kozmonautiku budú zdroje ako Betavolt BV100 rozhodne zaujímavé. Dokážu totiž zabezpečiť nielen neprerušené napájanie kritických elektronických obvodov (hodiny, pamäť, procesorové a kontrolné okruhy) - ale zároveň aj ich trvalý ohrev na aspoň minimálne prevádzkové teploty, pretože na každý watt elektrického výkonu budú produkovať desiatky až stovku watt tepla. A to pri dobre vyriešenej izolácii stačí na prežitie nielen počas mesačnej noci...

Na napájanie "mechanických" obvodov a vysielačov sa maličké zdroje ako Betavolt BV100 priamo nehodia, výkon je až príliš malý. Ale v kombinácii obvodov typu "energy harvester" (~zberač energie) a s modernými "superkondenzátormi" v úlohe akumulátorov by aj toto mohlo byť zaujímavé.

Plánovaný " jednowattový" zdroj si ale poradí aj s úlohou napájania elektromotorov a iných mechanických aktuátorov, aj s úlohou napájania vysielačov s "použiteľným" výkonom a dosahom.
Aj keď z druhej strany - ak na 100 mikrowattový zdroj treba 1 gram 63Ni, tak na jednowattový treba úmerne až desať kilogramov 63Ni a celý zdroj bude vážiť vyššie desiatky kilogramov a produkovať desiatky až stovku watt tepla, ktorý bude treba odvádzať z pomerne veľmi malého objemu...

Na tretej strane stovka watt tepla po dobu najmenej polstoročia... to už rozhodne stojí aj za vymýšľanie vhodného stirlingovho motora.

Edit:
Pre porovnanie - 1kg 238Pu produkuje okolo 570W tepla. Ak je zdroj s 63Ni 80x menej tepelne výkonný, tak by mal produkovať okolo 7,125 W tepla...

[kefrazo]

V úterý (5. 3.) jsem byl na DOD OHB Czechspace a dozvěděl jsem se, že OHB Czechspace, spolu s ČVUT, Universitou ve Stuttgartu a OHB Systems, se podíl na předběžné studii projektu NEP Rocketroll (ESA projekt).

Mělo by se jednat o NEP tahač zpočátku pro okolí Země a Měsíc, ale počítá se i s Marsem.

Předběžná studie začala 03. 2023 a měla trvat 12 měsíců, takže bychom se mohli brzo dozvědět výsledky, ale zatím jsem je nenašel a chtěl jsem to sem napsat hned abych na to nezapomněl