Continuăm astăzi prima parte a incursiunii în domeniul sistemelor nuclear-electrice. Dacă am vorbit până acum despre folosirea energiei nucleare într-o manieră directă pentru a genera forță propulsivă, continuăm acum cu sisteme care realmente au zburat, principala utilizare a energiei nuclear în spațiu până în clipă de față fiind pentru generarea de energie electrică. Spațiul este, prin definiție un loc mare, gol, cu puține surse de energie la îndemână; marea majoritatea sistemelor nucleare nu au fost gândite ca sisteme de propulsie ci ca surse de energie pentru diferite instalații spațiale (cum ar fi stații, sonde sau sateliți).
Componentele sistemelor electrice cu fisiune
Toate sistemele nucleare dedicate producției de energie electrică au niște componente în comun: miezul reactorului, bucla primară de răcire și sistemele sale de control; sistemul de conversie a puterii (care, de regulă, are propriul său fluid de lucru), o unitate de menținere a condiției calitative a puterii (pt a menține puterea, voltajul și amperajul în limite funcționale) și un sistem menit a radia energia termica reziduală în spațiu și departe de vehicul.
Miezul reactorului KiloPower
Miezul reactorului și elementele de combustibil
Geometria miezului și dispunerea elementelor de combustibil în interiorul acestuia adesea diferă foarte mult de ceea ce vedem în reactoare terestre. De cele mai multe ori, miezul este mult mai mic ca și dimensiuni, și cu densitate de putere mai mare, pentru a economisi din sarcina utilă a eventualului lansator.
Componentele obișnuite sunt:
- Elementele de combustibil, care împachetează uraniul și permite distribuirea căldurii produse de reacția de fisiune către alte sisteme (de dorit ar fi să o transmită în primul rând fluidului de lucru). De asemenea, protejează uraniul de atacul eventualelor substanțe chimice, și previne eliberarea de produși de fisiune în mediul înconjurător. Ele sunt foarte diverse, cu multe tipuri posibile de geometrii și materiale, și, ca atare, tind să fie una din principalele arii de cercetare din domeniu. Pe scurt, opțiunile cele mai obișnuite sunt:
- oxidul de uraniu;
- carbura de uraniu;
- nitrură (sau azotatul) de uraniu.
- Foderatori și reflectori: neutronii care sunt produși de reacțiile nucleare sunt inițial prea rapizi pentru a fi utilizabili într-o reacție în lanț. Am discutat asta și în primele articole ale seriei NERVA, dar ca să ne reamintim: soluția acestei probleme sunt substanțe cu masă atomică redusă, care, prin impact inelastic, reduc viteză neutronilor emiși (o moderează). Aceste substanțe sunt așadar denumite “moderatori neutronici”. Criteriile majore ale alegerii moderatorului țîn de greutatea materialului dorit, rata redusă de absorbție a neutronilor (pentru a nu-i consuma ineficient) și stabilitate termică bună.
Tot aici intră o categorie majoră de substanțe importante, ale căror rol este de a preveni scăparea neutronilor din miez, reflectându-i înapoi pentru a nu-i irosi. Pe Pământ, materialul cel mai folosit pentru asta este oțelul structural care alcătuiește vasul de presiune ale reactoarelor cu apă, dar pentru sisteme spațiale, trebuie un material mult mai eficient. Ca atare, în rol de reflector neutronic se folosește aproape exclusiv beriliu.
Apa este moderatorul cel mai des folosit pe Pământ, dar greutatea sa mare e un dezavantaj pentru un sistem spațial, așadar substanțele cele mai des folosite sunt:- polistiren sau alte plastice;
- hidruri de metale (de regulă litiu);
- grafit.
- Fluidul de răcire: are rolul de transmite căldura produsă de reactor către elementele de generare pentru a produce energie electrică. Pe Pământ, majoritatea fluidelor de răcire sunt de trei tipuri: apă, gaze (de obicei un amestec de heliu și xenon, sau dioxid de carbon) și metale lichide. Pe orbită, apa este prea grea și necesită țevi presurizate, așadar vom întâlni:
- metale lichide: Na (sodiu), NaK (sodiu și potasiu), K (potasiu), Li (litiu);
- gaze: He (heliu), He/Xe (amestec de heliu și xenon), Xe (xenon), CO2;
- tuburi termice (eng: heat pipes). Le puteți vedea în funcțiune în interiorul laptopurilor moderne.
- Sistemele de control sunt menite a controla schimbările termice ce au loc în miez, sau de a ajusta puterea reacției de fisiune. Pe Pământ, ele sunt sub formă unor tije care sunt inserate sau scoase din miezul reactoarelor, iar acest sistem poate fi adaptat și pentru reactoare astronucleare. Însă, există și o serie de alternative care pot deveni avantajoase în funcție de volumul dorit al reactorului sau caracteristicile mediului spațial. Astfel vom întâlni:
- tamburi de control (la fel ca la NERVA);
- sisteme termomecanice;
- obloane neutronice.
- Motoare termice: ele sunt dispozitive care folosesc proprietățile de dilatare termică a fluidelor de lucru pentru a produce lucru mecanic ce antrenează un generator. Propuse pentru sisteme spațiale au fost:
- turbine cu aburi (denumite în literatură de specialitate, motoare termice în ciclu Rankine);
- turbine cu gaz (ciclu Brayton);
- motoare Stirling.
- Sisteme termo-electrice: sunt o clasă de sisteme care sunt și au fost foarte populare pentru aplicații spațiale. Cele mai populare, de fapt, în special pentru că ele nu folosesc componente în mișcare. Din păcate, astfel de sisteme tind să aibe o eficientă scăzută, deși s-ar putea să nu fie un impediment major pentru anumite tipuri de misiuni. În esență, se realizează o diferență de temperatură între două componente ale unui material termosensibil care, prin diferite efecte, generează o diferența de voltaj. Trei tipuri mari de sisteme au fost propuse sau folosite:
- termo-electrice;
- termo-ionice;
- termovoltaice.
- Sisteme avansate: sunt echipamente care produc electricitate direct din mișcarea unor fluide magnetice sau particule încărcate electrostatic. Acest gen de sisteme sunt variate, și au eficiente înalte, dar, nefiind folosite pe Pământ, nu sunt tehnologii la fel de mature. Deși au fost propuse de multe ori, ele nu au fost încă utilizate pentru reactoare spațiale datorită nivelului de dezvoltare scăzut. Se pretează foarte bine pentru sisteme cu puteri mari, și, la fel ca sistemele termo-electrice, nu au componente în mișcare. Ca și tipuri, putem enumera:
- sisteme magnetohidrodinamice (MHD);
- convertoare electrice cu metale alcaline (AMTEC);
- covertoare directe cu particule.
Mecanismul de actionare a unui tambur de control
Sisteme de conversie a energiei
După cum am menționat mai sus, reactoarele nu produc direct energie electrică, ci căldură (prin intermediul coliziunilor cu produsii de fisiune și a neutronilor emiși de reacție). Această căldură este apoi convertită în electricitate. Sunt multe cai de face asta, mult mai multe decât sunt folosite în mod uzual pe Pământ. De regulă, la reactoare terestre, se olosesc echipamente standard, of-the-shelf. Spre exemplu, dacă dorești să cumperi o turbină cu aburi, cel mai adesea o vei cumpăra de la o companie care este deja specializată în fabricarea lor pentru o întreagă gama de centrale (cărbuni, gaz, etc). Există desigur diferențe, cum ar fi că o turbină cu aburi de la centrală nucleară trebuie să aibe tolerante mai reduse și să fie mai robustă pentru că eventuale reparațîi ar fi dificile. Dar, în esență, tehnologia nu diferă mult.
În spațiu, în schimb, nu există multe lucruri standardizate, așadar proiectantii își pot da drumul imaginației și explora mai multe opțiuni. În mare, însă, putem evidenția trei categorii de sisteme:
Sistemul AMTEC – sus; RTG termo-ionic – jos
Sistemele de eliminare a căldurii
Un reactor produce multă căldură, care este apoi folosită pentru a genera energie electrică. Însă procesul de generare nu este 100% eficient, ca atare întotdeauna va rămâne niște căldură reziduală în fluidul de lucru. Majoritatea sistemelor de conversie necesită o trecere de la o zonă de temperatură mare la una de temperatură redusă, acesta fiind unul dintre principiile fundamentale ale termodinamicii. Ca atare, reactoarele necesită moduri de a trimite căldură reziduală în spațiu.
Am mai menționat pe scurt la începutul seriei NERVA, de ce asta e un aspect problematic: vidul este un izolator termic extrem de bun (dacă nu chiar cel mai bun) pentru că nu permite transfer de căldură decât prin radiație. Celelalte două moduri de a transfera enegie termică (convectie și conducție) nu sunt relevante în spațiu. Iar radiația este cel mai puțin eficient dintre aceste moduri, pentru că necesită temperaturi înalte ale radiatoarelor (pentru că rată de emisie a energiei infraroșii este direct proporțională cu temperatura radiatorului; de aceea materialele devin din ce în ce mai luminoase pe măsură ce se încălzesc) sau pur și simplu, suprafețe foarte mari de radiatoare.
Un motor NTR poate evita problemele legate de eliminarea căldurii pentru că își depozitează intreagă energie în masa de reacție expulzată (ceea ce, în literatură științifică se numește “răcire în ciclu deschis”). Un reactor, în schimb, nu poate face asta (deși vom vedea o variație foarte interesantă, hibridă, când vom discuta despre Timber Wind în viitor).
Așadar un reactor va folosi unul sau mai multe radiatoare pentru a elimina căldură reziduală. Aici este și marea lor problema dacă se dorește putere electrică înalta: suprafață radiativa necesară (și deci și greutatea) crește proporțional cu puterea dorită. Rezultatul fiind acela că o nava cu propulsie NER va semăna cu un zmeu, având aripi radiative mari și undeva, un mic modul conțînând reactorul.
Asta este o problema și pentru vehiculele moderne. Stația Spațială are radiatoare enorme deși nu are multă căldură de eliminat.
Remorcherul orbital rusesc TEM, in curs de dezvoltare. – Observati cantitatea de panouri radiative necesare pentru puterea sa de numai 1 MWe
Radiatoarele sunt un topic extrem de divers și relativ netestat. De aceea, probabil, le voi dedica un articol separat în care să prezint ce se folosește în mod curent și ce alte opțiuni ar exista.
Până data viitoare, vă salut!
Marian Dumitriu (Checkmate)
Surse:
1. https://beyondnerva.com/fission-power-systems/
2. http://toughsf.blogspot.com/2017/07/all-radiators.html
3. http://www.projectrho.com/public_html/rocket/heatrad.php