В феврале 2019 года в Ричланде (США) прошла конференция американского ядерного общества, посвящённая различным вопросам применения ядерных технологий в космосе.
В одном из докладов (авторы - Chenglong Wang и др., Сианьский транспортный университет Xi'an Jiaotong) была рассмотрена концепция микрореактора для космических и подводных исследований.
Свой выбор китайские специалисты остановили на технологии тепловых трубок (heat pipes, HPR-реакторы). Объясняют они это следующим образом.
Технологии, основанные на высоком давлении, нежелательны для подводных применений, так как они утяжеляют и усложняют реакторную установку. Для HPR-реакторов необходимости в высоких давлениях нет.
У реакторов с жидким или газообразным теплоносителем возможны аварии типа LOCA. Напротив, в HPR-реакторах такие аварии исключаются.
Прокачка воды или жидких металлов требует наличия в установке активных узлов (например, насосов). У HPR-реакторов меньше движущихся узлов, и поэтому они менее шумные.
В HPR-реакторах тепловые трубки работают независимо друг от друга. При отказе одной трубки тепло будет отводиться от активной зоны оставшимися трубками, что обеспечит целостность активной зоны.
Для HPR-реакторов характерны высокая надёжность, минимальные требования к обслуживанию и хорошие показатели по тепловым обратным связям.
В целом, с точки зрения таких характеристик, как масса и объём реактора, ядерная безопасность и манёвренность, малошумные быстрые реакторы с тепловыми трубками могут найти широкое применение для подводных установок.
Авторы доклада отметили, что в США активно разрабатываются проекты HPR-реакторов для космических миссий.
Так, проект HOMER представляет собой линейку реакторов с тепловыми трубками для лунных и марсианских миссий (топливо - диоксид или нитрид урана, обогащение более 90%, тепловые трубки с калием или натрием). Электрическая мощность HOMER-15 - 3 кВт(э), HOMER-25 - 25 кВт(э).
Другой пример - проект напланетного реактора MSR для Марса. В нём используются литиевые тепловые трубки и термоэлектрогенераторы, преобразующие 1,2 МВт(т) в электрическую энергию с к.п.д. свыше 10% - то есть, электрическая мощность MSR составляет порядка 100 кВт(э).
Проект SAIRS с натриевыми тепловыми трубками за счёт использования термоэлектрического генератора с щелочным металлом (AMTEC) выдаёт до 100 кВт(э) при к.п.д. свыше 20%. Известны и другие американские проекты - например, KRUSTY, реактор киловаттного класса, разработанный для НАСА.
В Китае также ведутся разработки напланетных HPR-реакторов для Луны и Марса. В частности, в докладе упомянут проект HPCMR, созданный в китайском институте атомной энергии.
Авторы доклада представили концепцию микрореактора с тепловыми трубками электрической мощностью 120 кВт(э) и кампанией 14 лет.
В тепловых трубках используется литий. Управление реактивностью осуществляется шестью барабанами. Биологическая защита - вольфрам и вода.
Нейтронно-физические расчёты реактора проводились по коду MCNP и по коду MCORE, связывающему MCNP и ORIGEN при расчётах выгорания.
Реактор HPR - быстрый реактор с тепловой мощностью 2,4 МВт(т). Топливо - нитрид урана с обогащением 70%.
Для тепловых трубок выбран литий с рабочими температурами, превышающими 1000 K. Так как изотоп 6Li сильный поглотитель нейтронов, то литий должен быть обогащён по изотопу 7Li.
Топливные стержни и тепловые трубки расставлены по треугольной решётке в каналах в матрице из сплава Nb-1Zr. Матрица помещена в корзину, внутренняя поверхность которой покрыта оксидом гадолиния Gd2O3.
Вокруг корзины расставлены шесть барабанов. Поглощающая часть барабанов - 10B4C, отражающая часть выполнена из оксида бериллия BeO.
Вся описанная конструкция размещена в цилиндрическом корпусе из сплава Mo-14Re, выбранного за свою сверхвысокую температуру плавления свыше 3000 градусов Kельвина.
Для защиты от гамма- и нейтронного излучения предусмотрены вольфрамовая и водяная защиты. Тепловые трубки обходят защиту и соединяются с термоэлектрическим генератором, охлаждаемым водой и выдающим 120 кВт(э).