Kilopotencia

Kilopower es un proyecto experimental estadounidense para fabricar nuevos reactores nucleares para viajes espaciales . ^{[ 1 ] [ 2 ]} El proyecto comenzó en octubre de 2015, liderado por la NASA y la Administración Nacional de Seguridad Nuclear (NNSA) del Departamento de Energía ( DoE ). ^{[ 3 ]} En 2017, los reactores Kilopower estaban diseñados para tener cuatro tamaños, capaces de producir de uno a diez kilovatios de energía eléctrica (1–10 kW _e ) de forma continua durante doce a quince años. ^{[ 4 ] [ 5 ]} El reactor de fisión utiliza uranio-235 para generar calor que se transporta a los convertidores Stirling con tubos de calor de sodio pasivos . ^{[ 6 ]} En 2018, se anunciaron resultados positivos de las pruebas del reactor de demostración Kilopower Reactor Using Stirling Technology ( KRUSTY ). ^{[ 2 ]} 

Entre las posibles aplicaciones se incluyen la propulsión eléctrica nuclear y un suministro constante de electricidad para misiones espaciales tripuladas o robóticas que requieren grandes cantidades de energía, especialmente en lugares donde la luz solar es limitada o inexistente. La NASA también ha estudiado el reactor Kilopower como fuente de energía para misiones tripuladas a Marte. Durante dichas misiones, el reactor proporcionaría energía para la maquinaria necesaria para separar y almacenar criogénicamente el oxígeno de la atmósfera marciana para los propulsores de los vehículos de ascenso. Una vez que los humanos lleguen, el reactor alimentaría sus sistemas de soporte vital y otros requisitos. Estudios de la NASA han demostrado que un reactor de 40 _kWe  sería suficiente para mantener una tripulación de entre 4 y 6 astronautas. ^{[ 1 ]}

El reactor se alimenta con una aleación de 93 % de uranio-235 y 7 % de molibdeno . ^{[ 7 ] [ 8 ]} El núcleo del reactor es una estructura sólida de aleación fundida rodeada por un reflector de óxido de berilio , que impide que los neutrones escapen del núcleo del reactor y permite que la reacción en cadena continúe. El reflector también reduce las emisiones de radiación gamma que podrían dañar la electrónica a bordo. ^{[ 9 ]} Un núcleo de uranio tiene la ventaja de evitar la incertidumbre en el suministro de otros radioisótopos, como el plutonio-238 , que se utilizan en los RTG . ^{[ 10 ]}

El prototipo del reactor KRUSTY de 1  kW _e Kilopower pesa 134  kg y contiene 28  kg de ²³⁵U.  Se espera que el Kilopower de 10 kW _e apto para el espacio para Marte tenga una masa  total de 1500 kg (con un  núcleo de 226 kg) y contenga 43,7  kg de ²³⁵U. ^{[ 5 ] [ 11 ]}​

El control de la reacción nuclear se logra mediante una única barra de carburo de boro , que actúa como absorbente de neutrones . El reactor está diseñado para ser lanzado en frío, evitando así la formación de productos de fisión altamente radiactivos . Una vez que el reactor alcanza su destino, se retira la barra de boro absorbente de neutrones para permitir el inicio de la reacción nuclear en cadena . ^{[ 7 ]} Una vez iniciada la reacción, la desintegración de una serie de productos de fisión no puede detenerse por completo. Sin embargo, la profundidad de inserción de la barra de control proporciona un mecanismo para ajustar la velocidad de la fisión del uranio, permitiendo que la producción de calor se ajuste a la carga.

Los tubos de calor pasivos llenos de sodio líquido transfieren el calor del núcleo del reactor a uno o más motores Stirling de pistón libre , que producen movimiento alternativo para accionar un generador eléctrico lineal . ^{[ 12 ]} El punto de fusión del sodio es de 98 °C (208 °F) , lo que significa que el sodio líquido puede fluir libremente a altas temperaturas entre aproximadamente 400 y 700 °C (750 y 1300 °F) . Los núcleos de fisión nuclear suelen operar a unos 600 °C (1100 °F) .      

El reactor está diseñado para ser intrínsecamente seguro en una amplia gama de entornos y escenarios. Se emplean varios mecanismos de retroalimentación para mitigar una fusión nuclear . El método principal es la refrigeración pasiva, que no requiere mecanismos mecánicos para la circulación del refrigerante. El diseño del reactor es autorregulable mediante una geometría que crea un coeficiente de reactividad de temperatura negativo . ^{[ 13 ]} En efecto, esto significa que a medida que aumenta la demanda de energía, la temperatura del reactor disminuye. Esto provoca su contracción, impidiendo la fuga de neutrones. Esto, a su vez, provoca un aumento de la reactividad y de la potencia de salida para satisfacer la demanda. Esto también funciona a la inversa en momentos de menor demanda de energía. ^{[ 11 ]}

El desarrollo de Kilopower comenzó con un experimento llamado DUFF o Demostración con Fisiones de Flattop , que se probó en septiembre de 2012 utilizando el conjunto Flattop existente como fuente de calor nuclear. Cuando DUFF se probó en la Instalación de Ensamblaje de Dispositivos en el Sitio de Pruebas de Nevada , se convirtió en el primer motor Stirling alimentado por energía de fisión y el primer uso de un tubo de calor para transportar calor de un reactor a un sistema de conversión de energía. ^{[ 14 ]} Según David Poston, líder del Equipo de Diseño de Reactores de Fisión Compactos, y Patrick McClure, gerente de proyectos de reactores nucleares pequeños en el Laboratorio Nacional de Los Alamos , ^{[ 1 ]} el experimento DUFF demostró que "para sistemas de reactores de baja potencia, las pruebas nucleares se pueden realizar con un costo y un cronograma razonables dentro de la infraestructura y el entorno regulatorio existentes". ^{[ 14 ]}

En 2017, se completó el reactor de prueba KRUSTY. KRUSTY está diseñado para producir hasta 1 kilovatio de energía eléctrica y tiene aproximadamente 1,9 metros de altura (6,5 pies). ^{[ 15 ]} El objetivo del reactor de prueba es igualar lo más posible los parámetros operativos que se requerirían en las misiones de la NASA al espacio profundo. ^{[ 16 ]} Las primeras pruebas utilizaron un núcleo de uranio empobrecido fabricado por el Complejo de Seguridad Nacional Y-12 en Oak Ridge , Tennessee. El núcleo de uranio empobrecido es exactamente el mismo material que el núcleo de uranio altamente enriquecido (HEU) regular, con la única diferencia de que el nivel de enriquecimiento de uranio . ^{[ 1 ]}

El prototipo Kilopower utiliza un núcleo de reactor de uranio-235 sólido fundido , del tamaño aproximado de un rollo de papel de cocina. El calor del reactor se transfiere mediante tubos de calor de sodio pasivos, y los motores Stirling lo convierten en electricidad . Las pruebas para alcanzar el nivel de madurez tecnológica (TRL) 5 comenzaron en noviembre de 2017 y continuaron en 2018. ^{[ 4 ]} Las pruebas de KRUSTY representan la primera vez que Estados Unidos realiza pruebas en tierra de un reactor espacial desde que el reactor experimental SNAP-10A fue probado y finalmente lanzado al espacio en 1965. ^{[ 1 ]}

Entre noviembre de 2017 y marzo de 2018, se realizaron pruebas del reactor KRUSTY en el Sitio Nacional de Seguridad de Nevada . Las pruebas incluyeron validación térmica, de materiales y de componentes, y culminaron con una exitosa prueba de fisión a plena potencia. Se simularon diversas fallas en los equipos auxiliares para garantizar que el reactor pudiera responder de forma segura. ^{[ 2 ]}

El reactor KRUSTY funcionó a plena potencia el 20 de marzo de 2018 durante una prueba de 28 horas utilizando unNúcleo de reactor de uranio-235 de 28  kg . Alcanzó los 850 °C (1560 °F) y generó aproximadamente  5,5  kW de potencia de fisión. La prueba evaluó escenarios de fallo, incluyendo el apagado de los motores Stirling, el ajuste de la barra de control, el ciclo térmico y la desactivación del sistema de disipación de calor. Una prueba de parada de emergencia concluyó el experimento. La prueba se consideró una demostración muy exitosa. ^{[ 17 ]}

• Kilopower Sitio web de la NASA
• Kilopower: Una puerta de entrada a la energía abundante para la exploración en YouTube
• Pequeño reactor para la exploración del espacio profundo - Laboratorio Nacional de Los Alamos en YouTube
• Kilopower Reactor: presentación pública en agosto de 2018 en YouTube.
• Kilopower - datos Archivado el 11 de noviembre de 2020 en Wayback Machine
• Concepto de reactor espacial KiloPower - Estudio de materiales del reactor