【宇宙用原子炉】冷却材・発電方式の選択と原子力電気推進

原子力
05 /13 2014
宇宙炉と電気推進

宇宙空間で原子炉を利用するメリットは太陽光の届かない場所でも運用が可能であり、かつ原子力電池よりも高い出力を得られる事にあります。

この高い出力は主として、小惑星探査機「はやぶさ」に搭載されているイオンエンジン「μ10」のような電気推進システムを駆動させるのに大変有用であります。

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NASAのイオンエンジン「NSTAR」(Credit:NASA)

電気推進システムは高い比推力を実現できる、燃費のよいシステムですが推進剤の他に電力が必要となります。中でもローレンツ力を利用して推進剤を噴射するMPDスラスタと呼ばれるタイプの電気推進システムは消費電力が非常に大きく、過去に軌道上実験を行った宇宙フリーフライヤ「SFU」においても一旦充電してから一瞬運転するというパルス運転によって実験がなされていました。

原子炉によって強力なエネルギーを得られれば、連続した噴射を行える準定常運転や、定常運転を行うことができます。そこで重要になるのが冷却系と熱エネルギーの電気への変換方式です。

冷却材は炉心で発生した熱を輸送し、原子炉の温度を制御する他、発電に必要な熱エネルギーを運びます。


宇宙炉の冷却材

宇宙用原子炉は小型化する為に高濃縮ウラン等を用いるため、出力密度も高くあります。また宇宙空間という環境で利用する以上、軽水炉のように水を冷却材として利用するのは難しくあります。

そのため主に冷却材としては液体金属が多く使用されてきました。多くはナトリウムとカリウムの合金であるNaK合金等が用いられておりましたが、他にも金属ナトリウムやリチウム、水銀などが検討されていました。

一方で地上の高速増殖炉などで利用が検討されている鉛や鉛ビスマス合金については、中性子経済の良さから炉心を小型化できる可能性などはあるものの、密度が大きく、非常に重いため宇宙機への利用は向いておりません。


発電方法

原子炉で加熱された液体金属の熱が発電に利用されますが、原子力電池のように熱電変換素子を用いた場合はその効率は数パーセント程度にとどまります。

そのため同様に温度差を利用した発電方式としてスターリングエンジンを利用した発電方式のほか、気体の冷却材を用いた閉鎖ブレイトンサイクルによる発電方式が考えられています。

閉鎖ブレイトンサイクルにおいては、気体の流れによってタービンを回転させて発電させるガスタービン発電の一種であります。

これは下の画像にあります、フランスが開発を検討していた200kWe級の宇宙用原子炉「ERATO」のように原子炉の冷却を液体金属で行い、中間熱交換器(IHX)を経て、ヘリウムとキセノンの混合気体を利用した二次冷却系によりタービンを回転させる方法のほか、原子炉を直接ガスで冷却し、そのガス流で直接タービンを回転させる方法があります。

気体は液体と比較して熱輸送密度が低いため、大きな流量が必要である事や加圧の必要性から配管や容器の大型化、重量増加の可能性こそありますが、これらの気体冷却材による発電は効率が高く、注目されている方式の一つであります。

ERATO.png
フランスがかつて検討していた宇宙用原子炉「ERATO」
引用:http://jolissrch-inter.tokai-sc.jaea.go.jp/pdfdata/JNC-TN4420-98-001.pdf
(可搬型炉と原子力電池の開発研究についての調査)

上記が二次冷却系として作動流体に気体ガスを用いる方式です。


REACTORRRR.png
ガス冷却炉による直接ブレイトン発電
引用:http://anstd.ans.org/NETS2011/Documents/Presentations/CLIQUET%20NETS_2011_CNES.pdf

こちらはペブルベット燃料を利用したガス冷却炉です。冷却材のガスが炉心を通過し、膨張するとそれがそのままタービンを回転させるというものです。中間熱交換器を経て二次冷却系のガスで発電する方式よりも発電効率は良くなります。

これらの液体金属冷却炉やガス冷却炉は将来の第四世代原子炉と共通点のある技術であります。ヨーロッパではナトリウム冷却高速実証炉「アストリッド」や、ガス冷却高速実験炉「アレグロ」の建設が目指されています。

こうした宇宙用原子炉の開発と、地上用の第四世代原子炉の研究開発が並行して行われれば、それぞれの相互発展が見込めるのではないでしょうか。
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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