السباق لبناء مفاعل نووي القمر يسخن

تتسابق الصين وروسيا والولايات المتحدة لوضع محطات الطاقة النووية على القمر. وافقت الصين وروسيا في مايو على العمل معًا لإكمال مفاعل نووي القمر بحلول عام 2036. رداً على ذلك ، أعلن شون دوفي ، الرئيس المؤقت لناسا شون دوفي في أغسطس ، أن الولايات المتحدة ستقوم بتتبع برنامج الطاقة النووية القمرية بسرعة بحلول عام 2030.

لكن هذا الهيجان المفاجئ يثير بعض الأسئلة – مثل لماذا نريد مفاعلات نووية على سطح القمر في المقام الأول؟ وكيف سيعملون؟ لمعرفة ذلك ، IEEE Spectrum تحدث مع كاتي هوف ، مهندس نووي ومدير مختبر دورات الوقود المتقدمة في جامعة إلينوي في أوربانا شامبين. عمل هوف سابقًا كأمين مساعد للطاقة النووية في وزارة الطاقة الأمريكية (DOE).

لماذا تريد أكبر منظمات الفضاء في العالم مفاعلات نووية على سطح القمر ، وماذا ستعمل؟

كاتي هوف: هناك اهتمام متزايد بوجود أكثر استدامة للبشر على سطح القمر لاكتشاف علمي. قد تكون الموارد مثل الهيليوم -3 ، والتي يمكن أن تكون بمثابة وقود اندماج ، جزءًا من النداء. تخطط ناسا لبناء هذا النوع من قاعدة الاستكشاف القمري من خلال برنامج Artemis الخاص بها ، وتعمل الصين وروسيا معًا لبناء واحدة تسمى محطة الأبحاث القمرية الدولية. أي قاعدة القمر من هذا القبيل ستحتاج تمامًا إلى الطاقة النووية. الطاقة المتجددة وحدها متقطعة للغاية لتلبية احتياجات الطاقة للحياة على سطح القمر. بالإضافة إلى ذلك ، فإن تكلفة إدخال الأشياء في مقاييس الفضاء حسب الكتلة ، وبالتالي فإن كثافة الطاقة التي لا مثيل لها في انشطار اليورانيوم هي أعظم فرصة لنا.

لماذا فجأة سباق؟ ما هو الإلحاح؟

هوف: بدأ الزخم بمشروع الطاقة السطحي للانشطار في ناسا ، والذي طلب قبل بضع سنوات تصميمات لميكرورات قمر 40 كيلووات. تم اختيار ثلاثة تصميمات ومنحت 5 ملايين دولار أمريكي. منذ ذلك الحين ، أعلنت الصين وروسيا في ثلاث مناسبات على الأقل جهد مشترك لتصميم Microreactor القمري الخاص بهما بهدف إطلاق في منتصف الثلاثينيات. رداً على ذلك ، تقوم ناسا بتسريع خطها الزمني للمفاعل الأمريكي حتى عام 2030 وزيادة قدرة الطاقة المستهدفة إلى 100 كيلو واط. قال شون دوفي علنًا إنه إذا كانت الصين وروسيا أول من يشاركان في مطالبة بمحطة توليد الطاقة القمرية ، فيمكنهم إعلان منطقة الاحتفاظ بحكم الواقع ، مما يحد من خيارات الولايات المتحدة في موقع قاعدتها. لذلك تهدف الولايات المتحدة إلى الوصول إلى هناك أمام الصين وروسيا للمطالبة بمنطقة تصل إلى الجليد المائي ، الذي يساعد على دعم الحياة لرواد الفضاء.

تصميم المفاعلات النووية القمرية

ما هي اعتبارات تصميم مفاعل نووي للقمر؟

هوف: في الثقل المنخفض للغاية ، لن تتصرف السوائل تمامًا كما تفعل على الأرض. لذلك ستحتاج أنماط الدورة الدموية لمبردات السوائل في المفاعل إلى إعادة حسابها. وستتطلب تقلبات درجات الحرارة الكبيرة للقمر ، والتي تختلف مئات الدرجات من يوم إلى الليل ، المفاعل إلى المفاعل استخدام أنظمة أكثر عزلة من تلك التقلبات. على الأرض ، نخرج حرارة النفايات بسهولة لأن هناك أحواض حرارية مستقرة حرارياً مثل المسطحات المائية المتاحة.

ما نوع المفاعل الذي تتوقع أن تختاره ناسا؟

عملت كاتي هوف سابقًا كأمين مساعد للطاقة النووية في وزارة الطاقة الأمريكية (DOE).كاتي هوف

هوف: سيكون من المنطقي أن اختارت ناسا واحدة من التصميمات الثلاثة التي تم اختيارها مسبقًا لبرنامج طاقة سطح الانشطار ، بدلاً من البدء من نقطة الصفر. ولكن مع الإفراط في التغلب على السعة المستهدفة ، من 40 كيلو واط إلى 100 كيلوواط ، سيكون هناك القليل من إعادة التصميم ، لأنك لا ترفع المقبض. ذهبت الجوائز الثلاث إلى Lockheed Martin/BWXT و Westinghouse/Aerojet Rocketdyne و X-Energy/Boeing. يقوم بعضها بتطوير مجاري ميكروغراك [TRISO] الوقود ، وهو نوع من وقود اليورانيوم القوي للغاية ، لذلك أتوقع أن يتم تصميم مفاعل القمر باستخدام ذلك. بالنسبة للمبرد ، لا أتوقع منهم اختيار الماء ، لأن الخواص الحرارية للماء تحد من نطاق درجات الحرارة التي يمكن أن تبردها بفعالية ، مما يقيد كفاءة المفاعل. ولا أتوقع أن يكون الملح السائل أيضًا ، لأنه يمكن أن يكون تآكلًا ، ويحتاج مفاعل القمر هذا إلى العمل لمدة 10 سنوات دون تدخل. لذلك أظن أنهم سيختارون غازًا مثل الهيليوم. ثم لتحويل الطاقة ، قال توجيه ناسا صراحة أن دورة برايتون مغلقة سيكون شرطا.

كيف سيبدو النقل والبدء؟

هوف: سيتم بناء المفاعل بالكامل على الأرض وجاهز للذهاب ، مع الوقود في مكانه. توقعاتي هو أنه سيتم نقله مع إدخال عناصر التحكم بالكامل في المفاعل لمنع تفاعل السلسلة من البدء أثناء العبور. بمجرد وصوله إلى القمر ، سيتم بدء تسلسل بدء التشغيل عن بُعد أو من قبل رواد الفضاء هناك. ثم تنسحب قضبان التحكم من المفاعل ، وسيقوم مصدر نيوتروني صغير مثل كاليفورنيا -252 ببدء رد الفعل.

يشعر الموعد النهائي لعام 2030 بالاندفاع إلى حد كبير بالنظر إلى أن الولايات المتحدة لا تملك تصميمًا نهائيًا للمفاعل ، ولا خطط قوية لقاعدة القمر.

هوف: يمين. هذا الجدول الزمني لا يبدو طموحا. سيكون لدينا وقت صعب بما فيه الكفاية في نشر مفاعل بهذا المقياس كنموذج أولي في الأطراف في السنوات الأربع والنصف القادمة. الحصول على واحد جاهز للإطلاق وعلى القمر بحلول ذلك الوقت هو وصفة لتوضيح في نهاية المطاف لماذا لم نفي بهذا الجدول الزمني. ويمكن أن تكون هذه مشكلة ، سمعة ، للطاقة النووية أكثر من استكشاف الفضاء لأن الناس يحبون ناسا. الأطفال الصغار والكبار على حد سواء يرتدون قمصان ناسا. لا أحد يرتدي قمصان الظوى.

مخاطر إطلاق مفاعل القمر

ما هي المخاطر إذا حدث خطأ ما في الإطلاق؟

هوف: بشكل جميل بما فيه الكفاية ، لا يمثل وقود اليورانيوم الطازج خطراً على سبيل المثال بالطريقة التي يقضيها اليورانيوم. فقط بعد أن تصبح منتجات الانشطار ، فهي مشعة بشكل كبير. طالما أن المفاعل لا يعمل قبل الإطلاق ، فإن الخطر منخفض للغاية. حتى لو تم تفريق الوقود على الأرض ، فإنه لن يشكل خطرًا كبيرًا على الأشخاص المحيطين به. لدي حرفيًا عينة من اليورانيوم جالسًا بجوار مكتبي. علاوة على ذلك ، هناك بروتوكول قوي لسلامة الإطلاق تم إنشاؤه بالفعل لأي كائن إشعاعي. تتمتع ناسا بالكثير من الخبرة مع هذا من إرسال المولدات الكهروإجهادية للبلوتونيوم ، والتي تشبه البطارية النووية ، للبعثات السابقة.

لقد أخطأت الأمور في بعض مفاعلات الانشطار التي تم إطلاقها مسبقًا في الفضاء ؛ ماذا حدث لهؤلاء؟

هوف: كانت أكبر مفاعلات الانشطار التي أطلقتها أي شخص في الفضاء هي مفاعلات التوباز الكهربائية 5 كيلو واط التي كانت جزءًا من البرنامج السوفيتي. واحد منهم تعرض لحادث خطير وكسر. إنه الآن في مدار عالي في قطع ، بما في ذلك بعض سائل تبريد الصوديوم ، وهو مجرد نوع من الطفولة حولها مثل المجالات المعدنية السائلة. لكن هذا لا يؤثر على الأرض لأنه كمية صغيرة من مادة المصدر الإشعاعي على مسافة لا تصدق من الأرض. وقع الحادث الأكثر تعمية مع مفاعل Kosmos 954 السوفيتي ، والذي ، بعد العمل في المدار ، عانى من إعادة الدخول غير المنضبط وتفكك على مساحة 600 كيلومتر من الأراضي الكندية.

ماذا يحدث إذا ضرب الكويكب القمر أو يضرب مباشرة المفاعل النووي القمري؟

هوف: قد يؤدي الإضراب المباشر إلى إتلاف المفاعل ويتسبب في تشتت الوقود الموضعي. قد يكون هذا دافعًا لاستخدام وقود تريسو. إنه قوي للغاية لأن منتجات الوقود والانشطار موجودة بآلاف من جزيئات بذور البذور الكروية المغلفة في كربيد السيليكون. يمكن أن تصمد أمام الآثار المذهلة والحرارة – ما وراء درجة حرارة الحمم البركانية. لقد أظهر الاختبار أنه حتى عندما يخضع لحرارة 1700 درجة مئوية لمدة 300 ساعة ، تحتفظ Triso بمنتجات الانشطار دون أي فشل. لذلك في حالة من غير المرجح أن يكون هناك تصادم مسدود مع كويكب كبير في موقع المفاعل ، يمكن توزيع حطام المفاعل في غبار القمر ، ولكن نأمل أن تظل كل جزيئات تريسو الصغيرة سليمة.