كيلوباور

كيلوباور هو مشروع أمريكي تجريبي لتطوير مفاعلات نووية جديدة لرحلات الفضاء . ^{[ 1 ] [ 2 ]} بدأ المشروع في أكتوبر 2015، بقيادة وكالة ناسا والإدارة الوطنية للأمن النووي التابعة لوزارة الطاقة الأمريكية . ^{[ 3 ]} اعتبارًا من عام 2017، كان من المقرر أن تأتي مفاعلات كيلوباور بأربعة أحجام، قادرة على إنتاج طاقة كهربائية تتراوح من كيلوواط واحد إلى عشرة كيلوواط (1-10 كيلوواط كهربائي ₎ بشكل مستمر لمدة تتراوح بين اثني عشر وخمسة عشر عامًا. ^{[ 4 ] [ 5 ]} يستخدم مفاعل الانشطار اليورانيوم-235 لتوليد الحرارة التي تُنقل إلى محولات ستيرلينغ باستخدام أنابيب حرارية سلبية من الصوديوم . ^{[ 6 ]} في عام 2018، أُعلن عن نتائج اختبارات إيجابية لمفاعل كيلوباور التجريبي باستخدام تقنية ستيرلينغ ( KRUSTY ). ^{[ 2 ]} 

تشمل التطبيقات المحتملة الدفع الكهربائي النووي وتوفير إمداد كهربائي ثابت للبعثات الفضائية المأهولة أو الروبوتية التي تتطلب كميات كبيرة من الطاقة، لا سيما في المناطق التي يكون فيها ضوء الشمس محدودًا أو معدومًا. وقد درست وكالة ناسا أيضًا مفاعل كيلوباور كمصدر للطاقة لبعثات المريخ المأهولة. خلال هذه البعثات، سيوفر المفاعل الطاقة للآلات اللازمة لفصل الأكسجين من الغلاف الجوي للمريخ وتخزينه في درجات حرارة منخفضة جدًا لاستخدامه كوقود لمركبات الصعود. وبمجرد وصول البشر، سيوفر المفاعل الطاقة لأنظمة دعم الحياة وغيرها من المتطلبات. وقد أظهرت دراسات ناسا أن مفاعلًا كهربائيًا بقدرة 40 _{كيلوواط}  سيكون كافيًا لدعم طاقم يتراوح بين 4 و6 رواد فضاء. ^{[ 1 ]}

يُغذّى المفاعل بمزيج من 93% يورانيوم-235 و7% موليبدينوم . ^{[ 7 ] [ 8 ]} يتكون قلب المفاعل من هيكل صلب مصبوب من سبيكة محاطة بعاكس من أكسيد البريليوم ، مما يمنع النيوترونات من التسرب من قلب المفاعل ويسمح باستمرار التفاعل المتسلسل. كما يقلل العاكس من انبعاثات أشعة غاما التي قد تُلحق الضرر بالإلكترونيات الموجودة على متن المفاعل. ^{[ 9 ]} يتميز قلب اليورانيوم بميزة تجنب عدم اليقين في إمدادات النظائر المشعة الأخرى، مثل البلوتونيوم-238 ، المستخدمة في مولدات الطاقة النووية الحرارية . ^{[ 10 ]}

يزن النموذج الأولي لمفاعل KRUSTY بقدرة 1  كيلوواط 134 _{كيلوغرامًا}  ويحتوي على 28  كيلوغرامًا من ²³⁵من المتوقع أن تبلغ كتلة وحدة الطاقة الفضائية "كيلوباور" المخصصة للمريخ، والتي تبلغ قدرتها 10 _{كيلوواط،} 1500 كيلوغرام  إجمالاً (مع نواة تزن 226 كيلوغرامًا)، وأن تحتوي على 43.7 كيلوغرامًا من ²³⁵   يو . ^{[ 5 ] [ 11 ]}

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 . ^{[ 7 ]} بمجرد بدء التفاعل، لا يمكن إيقاف اضمحلال سلسلة من نواتج الانشطار تمامًا. مع ذلك، يوفر عمق إدخال قضيب التحكم آلية لضبط معدل انشطار اليورانيوم، مما يسمح بمطابقة الحرارة الناتجة مع الحمل.

تنقل أنابيب حرارية سلبية مملوءة بالصوديوم السائل حرارة قلب المفاعل إلى محرك أو أكثر من محركات ستيرلينغ ذات المكابس الحرة ، والتي تُنتج حركة ترددية لتشغيل مولد كهربائي خطي . ^{[ 12 ]} تبلغ درجة انصهار الصوديوم 98 درجة مئوية (208 درجة فهرنهايت) ، مما يعني أن الصوديوم السائل يمكن أن يتدفق بحرية عند درجات حرارة عالية تتراوح بين 400 و700 درجة مئوية (750 و1300 درجة فهرنهايت) . تعمل قلوب الانشطار النووي عادةً عند حوالي 600 درجة مئوية (1100 درجة فهرنهايت) .      

صُمم المفاعل ليكون آمنًا بطبيعته في نطاق واسع من البيئات والسيناريوهات. وتُستخدم عدة آليات تغذية راجعة للتخفيف من آثار الانصهار النووي . 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 . ^{[ 13 ]} وهذا يعني عمليًا أنه مع ازدياد الطلب على الطاقة، تنخفض درجة حرارة المفاعل، مما يؤدي إلى انكماشه ومنع تسرب النيوترونات. وهذا بدوره يؤدي إلى زيادة التفاعل وزيادة إنتاج الطاقة لتلبية الطلب. كما يعمل هذا الأمر بشكل عكسي في أوقات انخفاض الطلب على الطاقة. ^{[ 11 ]}

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. عند 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. ^{[ 14 ]} ووفقًا لديفيد بوستون، قائد فريق تصميم مفاعل الانشطار المدمج، وباتريك ماكلور، مدير مشاريع المفاعلات النووية الصغيرة في مختبر لوس ألاموس الوطني ، ^{[ 1 ]} أظهرت تجربة DUFF أنه "بالنسبة لأنظمة المفاعلات منخفضة الطاقة، يمكن إجراء الاختبارات النووية بتكلفة وجدول زمني معقولين ضمن البنية التحتية والبيئة التنظيمية الحالية". ^{[ 14 ]}

في عام ٢٠١٧، اكتمل بناء مفاعل الاختبار KRUSTY. صُمم KRUSTY لإنتاج ما يصل إلى ١ كيلوواط من الطاقة الكهربائية ، ويبلغ ارتفاعه حوالي ١.٩ متر (٦.٥ ​​قدم). ^{[ ١٥ ]} يهدف مفاعل الاختبار إلى محاكاة معايير التشغيل المطلوبة في مهمات ناسا الفضائية البعيدة بدقة. ^{[ ١٦ ]} استخدمت الاختبارات الأولى قلبًا من اليورانيوم المستنفد، 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 . ^{[ ١ ]}

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 في نوفمبر 2017 واستمرت حتى عام 2018. ^{[ 4 ]} يُمثل اختبار KRUSTY أول اختبار أرضي تجريه الولايات المتحدة على أي مفاعل فضائي منذ اختبار المفاعل التجريبي SNAP-10A وإطلاقه في عام 1965. ^{[ 1 ]}

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. ^{[ 2 ]}

تم تشغيل مفاعل KRUSTY بكامل طاقته في 20 مارس 2018 خلال اختبار استمر 28 ساعة باستخدام قلب مفاعل يورانيوم-235 يزن 28 كيلوغرامًا . وصلت درجة حرارته إلى 850 درجة مئوية (1560 درجة فهرنهايت) وأنتج حوالي  5.5  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 سريع . واعتُبر الاختبار عرضًا ناجحًا للغاية. ^{[ 17 ]}

• موقع كيلوباور التابع لناسا
• كيلوباور: بوابة إلى طاقة وفيرة للاستكشاف على يوتيوب
• مفاعل صغير لاستكشاف الفضاء السحيق - مختبر لوس ألاموس الوطني على يوتيوب
• مفاعل كيلوباور - عرض تقديمي عام في أغسطس 2018 على يوتيوب
• كيلوباور - حقائق مؤرشفة بتاريخ 11 نوفمبر 2020 في أرشيف الإنترنت
• مفهوم مفاعل كيلو باور الفضائي - دراسة مواد المفاعل