【宇宙】原子炉を搭載した宇宙探査機のシステム構成の妄想

宇宙
02 /12 2014
宇宙用原子炉を搭載した惑星探査機、探査機全体のシステムがどういう感じになるのか考えてみました。

原子炉の熱を、探査機の電源と熱制御に使うことを目的にしてみました。思いつきなのですげぇテキトーです。

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●原子炉
熱中性子炉、高速炉に関わらず高濃縮ウラン燃料などを用いた超小型炉心が用いられます。
熱出力密度が高く、宇宙空間という特殊環境での運用であることから沸点が高く冷却能力の高い液体金属冷却材を用います。

出力制御は制御ドラムと呼ばれる中性子反射材を一部分に取り付けた円柱形の装置を回転させる事で行います。
炉心から漏れだす中性子と、反射して炉心へ戻っていく中性子の割合を制御することで、炉心の中性子増倍率を変化させ、その反応度から最終的に原子炉の熱出力を制御します。


●発電
原子炉で発生した熱は流体金属冷却系を用いて、宇宙空間へ放熱するためのラジエータへ伝えられます。
原子炉を通過し、高温となった冷却材と宇宙空間へ放熱されるラジエータとの温度差を利用して、
熱電変換素子やスターリング発電機によって発電を行います。

発電は熱電変換素子かスターリング発電機を用います。電力はレギュレータ等を通じて安定化され、
各機器へと給電されます。

また原子炉により最大で数百キロワット級の電力を生み出せるため、強力な電気推進系を駆動させられるかと思います。


●原子炉冷却系と探査機の熱制御
火星探査車キュリオシティの原子力電池MMRTGを使った熱制御システム「HRS(ヒートリジェクションシステム)」のように、原子炉冷却系から熱交換器を経てフロンなどの冷媒を通じて宇宙機の構体や搭載機器へ熱供給により熱制御を行うシステムをつけてみました。

外惑星探査の場合、打ち上げから到着までに周囲の熱環境が変化が大きいので、原子炉の冷却能力を一定にできるように原子炉冷却系の流量を制御を行えるようにしています。原子炉の出力に応じても流量制御を行います。

原子炉冷却系の流量が変わると熱制御用の冷媒ループにも影響が出るため、こちらの流量も連動して制御し、熱制御を安定して行うようになっています。


●安全性
原子炉は打ち上げに成功した段階で起動できる状態になるよう、つまり打ち上げ前に不意に臨界状態に達しないように安全棒と呼ばれる原子炉停止用の制御棒を備えています。打ち上げ後、軌道上でバネ機構などを用いて安全棒を投棄し、中性子反射材を取り付けた制御ドラムを回転させ、原子炉の反応度を制御します。

また、トラブルに備えた非常電源や、制御ドラムの分離装置により原子炉を緊急停止できるシステムを備えます。
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ともにゃん

宇宙開発や原子力が大好きな魔法少女(文系成人男子)です。同人サークル「東方旅客鉄道」「隙間科学研究所」の中の人。絵描いたり同人誌書いたり。たまに女装コスプレイヤー。 人工衛星・宇宙探査機/原子炉・原子力電池/核兵器・軍事(現代兵器)/ゴスロリ女装/自作PC/まどマギ/東方/無線/バイク/鉄道/創作など。日本原子力学会員

88年生まれ
三重県出身 東京都在住