Sistemas para energía auxiliar nuclear

SNAP-1 fue una plataforma de prueba que nunca se desplegó, que utilizaba cerio-144 en un ciclo Rankine con mercurio como fluido de transferencia de calor . Funcionó con éxito durante 2500 horas. ^{[ 5 ]}

SNAP-3 fue el primer generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG) utilizado en una misión espacial (1961). Fue lanzado a bordo de los satélites de navegación Transit 4A y 4B de la Armada de los Estados Unidos . La potencia eléctrica de este RTG era de 2,5 vatios. ^{[ 5 ]}

SNAP-7A, D y F fue diseñado para aplicaciones marinas como faros y boyas; ^{[ 6 ]} al menos seis unidades fueron desplegadas a mediados de la década de 1960, con los nombres SNAP-7A a SNAP-7F. SNAP-7D produjo treinta vatios de electricidad ^{[ 7 ]} utilizando 225 kilocurios (8,3 PBq ) ^{[ 6 ]} (aproximadamente cuatro kilogramos) de estroncio-90 como SrTiO ₃ . Estas eran unidades muy grandes, que pesaban entre 1870 y 6000 libras (850 y 2720 kg) . ^{[ 5 ]}  

Después del SNAP-3 en el Transit 4A/B, las unidades SNAP-9A sirvieron a bordo de muchos de los satélites de la serie Transit. En abril de 1964, un SNAP-9A no logró alcanzar la órbita y se desintegró, dispersando aproximadamente 1 kilogramo (2,2 lb) de plutonio-238 por todos los continentes. La mayor parte del plutonio cayó en el hemisferio sur. Se estima que se liberaron 630 TBq o 2100 personas-Sv de radiación. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} 

SNAP-11 era un generador termoeléctrico de radioisótopos (RTG) experimental diseñado para alimentar las sondas Surveyor durante la noche lunar. Los RTG de curio-242 habrían producido 25  vatios de electricidad utilizando 900  vatios de energía térmica durante 130 días. La temperatura de la unión caliente era de 925 °F (496 °C; 769 K) , y la de la unión fría de 350 °F (177 °C; 450 K) . Contaban con un sistema de control térmico de NaK líquido y un obturador móvil para disipar el exceso de calor. ^{[ 12 ] [ 13 ]} No se utilizaron en las misiones Surveyor. ^{[ 14 ]}      

En general, el bloque de combustible SNAP 11 es una unidad cilíndrica multimaterial que ocupa el volumen interno del generador. La cápsula de combustible TZM (aleación de molibdeno), alimentada con curio-242 ₍ Cm₂O₃ _en una matriz de iridio ) , se encuentra en el centro del bloque. La cápsula está rodeada por una esfera de platino, de aproximadamente 2 ± 1/4 pulgadas de diámetro, que proporciona protección y actúa como absorbedor de energía en caso de impacto. Este conjunto está encerrado en subconjuntos de grafito y berilio para proporcionar la distribución térmica adecuada y protección contra la ablación. ^{[ 13 ]}

SNAP-19(B) fue desarrollado para el satélite Nimbus-B por la División Nuclear de la Compañía Martin-Marietta ^{[ 15 ]} (ahora Teledyne Energy Systems). Alimentado con ²³⁸Pu , dos generadores de termopares de telururo de plomo en paralelo produjeron un máximo inicial de aproximadamente 30 vatios de electricidad. ^{[ 16 ]} Nimbus 3 utilizó un SNAP-19B con el combustible recuperado del intento Nimbus-B1. ^{[ 17 ]}

Los SNAP-19 impulsaron las misiones Pioneer 10 y Pioneer 11. ^{[ 18 ]} Utilizaron elementos termoeléctricos 2N-PbTe de tipo n y TAGS-85 de tipo p. ^{[ 19 ]}

Se utilizaron misiles SNAP-19B modificados para los módulos de aterrizaje Viking 1 y Viking 2. ^{[ 20 ]}

Se utilizó un SNAP-19C para alimentar un sistema de telemetría en Nanda Devi , en Uttarakhand, para una operación fallida de la CIA destinada a rastrear lanzamientos de misiles chinos . ^{[ 21 ] [ 22 ]}

SNAP-21 ^{[ 23 ]} y SNAP-23 fueron diseñados para uso subacuático ^{[ 6 ] [ 24 ]} y utilizaron estroncio-90 como fuente radiactiva, encapsulado como óxido de estroncio o titanato de estroncio . Produjeron aproximadamente diez vatios de electricidad.

Cinco unidades SNAP-27 suministraron energía eléctrica a los Paquetes de Experimentos de la Superficie Lunar del Apolo (ALSEP) que las misiones Apolo 12 , 14 , 15 , 16 y 17 dejaron en la Luna . La fuente de alimentación SNAP-27 pesaba aproximadamente 20 kilogramos, medía 46  cm de largo y 40,6  cm de diámetro. Consistía en una cápsula central de combustible rodeada por anillos concéntricos de termopares. En el exterior de los termopares había un conjunto de aletas para disipar el calor del lado frío del termopar. Cada dispositivo SNAP producía aproximadamente 75 W de potencia eléctrica a 30 V CC. La fuente de energía para cada dispositivo era una barra de plutonio-238 que proporcionaba una potencia térmica de aproximadamente 1250 W. ^{[ 25 ]} Esta cápsula de combustible, que contenía 3,8 kilogramos (8,4 lb) de plutonio-238 en forma de óxido (44 500 Ci o 1,65 PBq ), fue transportada a la Luna en un contenedor de combustible separado acoplado al lateral del Módulo Lunar . El contenedor de combustible proporcionaba aislamiento térmico y soporte estructural adicional a la cápsula de combustible. En la Luna, el piloto del Módulo Lunar extrajo la cápsula de combustible del contenedor y la insertó en el RTG.   

Estas estaciones transmitieron información sobre sismos lunares e impactos de meteoritos, campos magnéticos y gravitacionales lunares, la temperatura interna de la Luna y su atmósfera durante varios años después de las misiones. Tras diez años, un SNAP-27 producía más del 90 % de su potencia inicial de 75 vatios.

El contenedor de combustible de la unidad SNAP-27 de la misión Apolo 13 yace actualmente a 6100 metros de profundidad en el fondo de la Fosa de Tonga, en el Océano Pacífico . Esta misión no logró alunizar, y el módulo lunar que transportaba su generador se quemó durante la reentrada a la atmósfera terrestre, con una trayectoria diseñada para que el contenedor cayera en la fosa. El contenedor sobrevivió a la reentrada, tal como estaba previsto, ^{[ 26 ]} y no se ha detectado ninguna fuga de plutonio. Se espera que los materiales resistentes a la corrosión de la cápsula lo contengan durante 10 vidas medias (870 años). ^{[ 27 ]} 

El reactor experimental SNAP (SER) fue el primer reactor construido según las especificaciones establecidas para aplicaciones de satélites espaciales. El SER utilizaba hidruro de uranio-circonio como combustible y aleación eutéctica de sodio-potasio ( NaK ) como refrigerante, y operaba a aproximadamente 50  kW térmicos. El sistema no contaba con conversión de potencia, sino que utilizaba un sistema secundario de aire caliente para disipar el calor a la atmósfera. El SER empleaba un dispositivo moderador de reflector de reactor similar al del SNAP-10A , pero con un solo reflector. La criticidad se alcanzó en septiembre de 1959 y el apagado final se completó en diciembre de 1961. El proyecto se consideró un éxito. Generó confianza en el desarrollo del programa SNAP y propició una investigación exhaustiva y el desarrollo de componentes.

El reactor de desarrollo SNAP-2 fue el segundo reactor SNAP construido. Este dispositivo utilizaba combustible de hidruro de uranio-circonio y tenía una potencia de diseño de 55  kW _/t . Fue el primer modelo en utilizar un conjunto de control de vuelo y se probó desde abril de 1961 hasta diciembre de 1962. El concepto básico era que la energía nuclear sería una fuente de energía a largo plazo para las cápsulas espaciales tripuladas. Sin embargo, la cápsula tripulada debía estar protegida de la radiación letal que emanaba del reactor nuclear. Rodear el reactor con un escudo de radiación era inviable. Sería demasiado pesado para lanzarlo con los cohetes disponibles en ese momento. Para proteger a la tripulación y la carga útil, el sistema SNAP-2 utilizaba un escudo de sombra. El escudo era un cono truncado que contenía hidruro de litio . El reactor se encontraba en el extremo más pequeño y la cápsula tripulada/carga útil estaba a la sombra del extremo más grande. ^{[ 28 ]}

Se realizaron estudios sobre el reactor, sus componentes individuales y el sistema de soporte. Atomics International, una división de North American Aviation, se encargó del desarrollo y las pruebas. La unidad de desarrollo del escudo SNAP-2 fue responsable del diseño del escudo contra la radiación. Para crearlo, se fundió hidruro de litio y se moldeó con la forma requerida: un gran cono truncado. El hidruro de litio fundido debía verterse en el molde poco a poco, ya que de lo contrario se agrietaría al enfriarse y solidificarse. Las grietas en el material del escudo serían fatales para cualquier tripulación o carga útil que dependiera de él, pues permitirían el paso de la radiación al compartimento de la tripulación o la carga útil. Al enfriarse, el material formaba una especie de vórtice hueco en el centro. Los ingenieros de desarrollo tuvieron que idear formas de rellenar este vórtice manteniendo la integridad del escudo. Además, al realizar todo esto, debían tener en cuenta que trabajaban con un material que podía ser explosivamente inestable en un ambiente húmedo y rico en oxígeno. El análisis también reveló que, bajo gradientes térmicos y de radiación, el hidruro de litio podría disociarse y los iones de hidrógeno podrían migrar a través del blindaje. Esto produciría variaciones en la eficacia del blindaje y podría exponer las cargas útiles a una radiación intensa. Se realizaron esfuerzos para mitigar estos efectos.

El SNAP 2DR utilizaba un dispositivo moderador de reflector de reactor similar al del SNAP-10A , pero con dos reflectores móviles y uno fijo interno. El sistema se diseñó para que el reactor pudiera integrarse con un ciclo Rankine de mercurio y generar 3,5  kW de electricidad.

Los reactores SNAP-8 fueron diseñados, construidos y operados por Atomics International bajo contrato con la NASA , con el objetivo de suministrar 600 kW de potencia durante más de 10 000 horas. Se produjeron dos reactores SNAP-8: el reactor experimental SNAP 8 y ​​el reactor de desarrollo SNAP 8. Ambos reactores SNAP 8 utilizaron el mismo combustible de hidruro de circonio y uranio altamente enriquecido que los reactores SNAP 2 y SNAP 10A. El diseño del SNAP 8 incluía circuitos primarios y secundarios de NaK para transferir calor al sistema de conversión de energía Rankine de mercurio . El sistema de generación eléctrica para los reactores SNAP 8 fue suministrado por Aerojet General . ^{[ 29 ]}

El reactor experimental SNAP 8 fue un reactor de 600 kW que se probó entre 1963 y 1965. Las pruebas iniciales demostraron el apagado SCRAM en condiciones planificadas y no planificadas, seguido de 60 días de suministro de 450 kW. El reactor superó todas las pruebas planificadas. Al final de la operación, de los 211 elementos combustibles en el núcleo, se encontraron 44 intactos y 167 con revestimiento agrietado. ^{[ 30 ]} Estas grietas permitieron que el hidrógeno y los productos de fisión escaparan al refrigerante NaK y que el refrigerante reaccionara con el combustible.

El reactor de desarrollo SNAP 8 tenía un núcleo de reactor que medía 9,5 por 33 pulgadas (24 por 84 cm) , contenía un total de 18 libras (8,2 kg) de combustible, tenía una potencia nominal de 600 kW con una temperatura de salida de 1300 °F, con una potencia de salida máxima de 1 MW _t a una temperatura de salida de 1100 °F. Las pruebas de potencia del reactor comenzaron en enero de 1969 en el Laboratorio de Campo de Santa Susana . ^{[ 31 ]} Debido al agrietamiento del elemento combustible observado en el reactor experimental SNAP 8, el reactor de desarrollo fue monitoreado más de cerca para detectar radiación en el refrigerante NaK. Los productos de fisión (Xe-133, Xe-135 y Cs-137) aparecieron en el refrigerante circulante en mayo, lo que demostró una falla en el revestimiento del combustible. El reactor continuó funcionando hasta diciembre, demostrando 7023 horas de salida de 600 W. Tras el desmontaje, se determinó que 72 de los 211 elementos combustibles estaban agrietados.    

El SNAP-10A fue un sistema de energía de reactor nuclear con calificación espacial lanzado al espacio en 1965 bajo el programa SNAPSHOT . ^{[ 32 ] [ 33 ]} Fue construido como un proyecto de investigación para la Fuerza Aérea, para demostrar la capacidad de generar mayor potencia que los RTG. El reactor empleaba dos reflectores móviles de berilio para el control y generaba 35  kW _t al inicio de su vida útil. El sistema generaba electricidad haciendo circular NaK alrededor de termopares de telurio de plomo. Para mitigar los riesgos del lanzamiento, el reactor no se puso en marcha hasta que alcanzó una órbita segura.

El SNAP-10A fue lanzado a la órbita terrestre en abril de 1965 y se utilizó para alimentar el satélite de investigación Agena-D , construido por Lockheed/Martin. El sistema produjo 500 W de energía eléctrica durante una prueba de vuelo abreviada de 43 días. El reactor se apagó prematuramente debido a un receptor de comandos defectuoso. Se prevé que permanezca en órbita durante 4000 años. ^{[ 31 ]} Si bien gran parte de los productos de fisión se habrán desintegrado en ese tiempo, la gran mayoría del uranio permanecerá, regresando finalmente a la Tierra como lluvia radiactiva tras la combustión del satélite.