Ay üssünde önce ısı sonra elektrik: 1000 °C'de çalışan mikroreaktör

Fark küçük görünüyor ama zinciri tersine çeviriyor. Bir reaktörün ısısını önce elektriğe çevirip sonra o elektrikle direnç ısıtıcı çalıştırmak, aynı enerjiyi iki kez dönüştürmek demektir; her dönüşümde bir pay kaybolur. MULE'de ısı, en sıcak hâliyle doğrudan ihtiyacı olan yere gidiyor, artan enerji ise elektriğe çevriliyor.

İki haftalık gece neden bu kadar zorluyor

Makalenin girişinde sıralanan gerekçe teknik olmaktan çok mantıksal: bir mürettebat üssünde yaşam destek sistemlerinin on dört günlük karanlıkta da kesintisiz çalışması gerekir. Güneşten bağımsız bir kaynak yalnız enerji sorununu çözmez, iniş yerini belirlemekte de eli rahatlatır. Yazarlar, fisyon gücünün kutup bölgeleri, sürekli gölgede kalan kraterler ve mağara yapıları gibi az aydınlanan yerleri de kullanılabilir kıldığını belirtiyor. Güneş ışınımının zayıfladığı dış gezegen görevleri için de aynı mantık geçerli.

Ekip, -223 °C rakamını NASA'nın Lunar Reconnaissance Orbiter kamerası verilerine dayanan bir kaynağa atıfla veriyor. Soğutucu gaz olarak helyumu seçmelerinin nedeni de bu uçlar: helyum hem bu sıcaklık aralığında gaz kalıyor, hem ısıyı iyi iletiyor, hem de nötronları yutma eğilimi düşük.

Reaktörden çıkan gaz 1000 °C'nin üzerinde

Tasarımda helyum çekirdeğe 850 °C'de giriyor ve yaklaşık 150 derece ısınarak çıkıyor. Çıkış sıcaklığının 1000 °C'yi aşması, elektroliz tesisinin 900 °C'lik ihtiyacını karşılayabilmek için konmuş bir hedef. Makaledeki tesis şemasında gaz sırayla şu duraklardan geçiyor: elektroliz tesisi, ısıl enerji deposu, kapalı çevrimli Brayton türbini ve jeneratör, ardından üs modüllerinin ve hassas altyapının ısıtılması; artan atık ısı en sonda radyatörlerle dışarı atılıyor. Çevrimi bir kompresör kapatıyor, bir rekuperatör de verimi artırıp bileşenlerdeki sıcaklık kaynaklı gerilmeyi azaltıyor.

Burada arka planda çalışan iki fizik kuralı var. Birincisi, bir ısı makinesinin verimi sıcak ve soğuk uç arasındaki farkla birlikte artar; girişteki gaz ne kadar sıcaksa türbinden o kadar iş çıkar. İkincisi, atmosfersiz bir ortamda ısıyı atmanın tek yolu ışımadır ve ışıyan yüzeyin attığı güç sıcaklığın dördüncü kuvvetiyle orantılıdır. Yani radyatörü ne kadar sıcak tutabilirseniz o kadar küçük ve hafif bir radyatör yeter. Yüksek sıcaklıklı bir çevrim, aynı anda hem daha çok elektrik hem daha ufak radyatör anlamına geliyor. Makale radyatör boyutlandırmasını yapmıyor; bu adımı ileriki ısıl-hidrolik çalışmalara bırakıyor.

Seramik bir çekirdek, sıvı hiçbir şey yok

Bu sıcaklıklar kullanılabilecek malzemeleri iyice daraltıyor. Çekirdek baştan aşağı seramik: ana yapı malzemesi silisyum karbür. Yakıt, uranyum karbür çekirdekli TRISO tanecikleri; bunlar kat kat kaplanmış, kum tanesi boyutunda yakıt parçacıkları ve her biri kendi başına bir muhafaza kabı gibi davranıyor. Tanecikler silisyum karbür bir hamurun içine gömülüp altıgen kabuklara yerleştirilmiş. Kontrol için klasik çubuk yok; çekirdeğin çevresine yerleştirilmiş, bir yüzü nötron yutucu bor karbür, diğer yüzü berilyum oksit yansıtıcı olan altı adet dönen tambur var. Tamburları elektrik motorları çeviriyor.

Aşağıdaki tabloyu makaledeki metin ve sonuç bölümünden derledim; makalenin kendi tablosu değil.

On yıl hedefi, doksan beş yıllık pay

Ekip çekirdeği Serpent 2 adlı Monte Carlo nötron taşınım koduyla modellemiş; küçük boyut yüzünden yuvarlatmalar, bağlantı elemanları, yataklar ve yaylar gibi ayrıntılar bile modele girmiş. Serpent'in tanecik dağıtma rutini, önerilen altıgen ve ortası delik yakıt biçimini desteklemediği için kaynak kodu değiştirilmiş.

Ömür analizi, her yanma adımında tamburların kritik açısını arayan adım adım bir hesapla yapılmış. Sonuç: on yılın sonunda tamburların açısı neredeyse hiç değişmiyor ve başlangıçtaki uranyum-235'in yüzde 98,41'i hâlâ yerinde duruyor. Hesap, tamburlar tamamen dışa dönene kadar sürdürüldüğünde nötronik açıdan mümkün olan işletme süresi 95 yıla yaklaşıyor ve uranyum-235'in yüzde 85'i hâlâ tükenmemiş oluyor. Yazarların bundan çıkardığı sonuç "doksan beş yıl çalışır" değil; tam tersine, çekirdekte fazladan tepkime payı olduğu, yani sonraki tasarım turlarında kütlenin daha da azaltılabileceği.

NASA'nın yolundan neresi ayrılıyor

Karşılaştırma noktası, makalenin de andığı Kilopower ve onun devamı olan Fission Surface Power. Yazarlara göre bu projeler Stirling çevrimiyle 40 kWe'ye kadar elektrik ve on yıllık ömür hedefliyor; KRUSTY deneyiyle teknoloji hazırlık düzeyi 5'e ulaşmış durumda, yani yer testinden geçmiş bir tasarım. MULE ise elektriği ikinci sıraya koyuyor ve bunun karşılığında henüz kâğıt üzerinde bir kavram.

Aradaki tasarım felsefesi farkı, NASA'nın kendi tanıtım videosunda anlatılan yaklaşımla birlikte daha net görülüyor. NASA Video kanalının yayımladığı aşağıdaki tanıtımda Kilopower, uzayda ve gezegen yüzeylerinde elektrik üretmeye odaklı bir sistem olarak anlatılıyor.

Açık kalan yerler

Makale kendi sınırını açıkça yazıyor. Bu aşamada ısıl-hidrolik hesap yapılmamış; nötronik model, sıcaklıkların tahmini değerlerle sabitlendiği bir varsayım üzerine kurulu. Yakıt çekirdeği 1527 °C, yakıt matrisi 1227 °C, soğutucu ve çevresi 927 °C kabul edilmiş. Gerçek sıcaklık dağılımı, sonraki akışkanlar dinamiği hesaplarından geri beslenecek.

İki tercih de tartışmaya açık duruyor. Birincisi zenginleştirme: kütleyi küçültmek için yaklaşık yüzde 93 zenginleştirilmiş uranyum seçilmiş. NASA tarafında son dönemde daha düşük zenginlikli yakıtlar konuşulurken bu, yer tesisleri ve fırlatma onayları açısından ayrı bir yük demek. İkincisi kalkan: kütleyi azaltmak için reaktöre biyolojik kalkan konmamış. Bunun yerine reaktörün üsten belli bir uzaklıkta toprağa gömülmesi ve yerel regolitin kalkan olarak kullanılması öneriliyor; yani kalkanın kütlesi Ay'da bulunacak. Kulağa hoş geliyor ama bu, üs kurulumuna ciddi bir kazı işi ekliyor ve makalede ne kadar örtü gerektiği hesaplanmamış.

Sırada ne var sorusunun cevabı makalenin sonunda duruyor: elde edilen güç dağılımı akışkanlar dinamiği hesaplarına girdi olacak, Modelica diliyle kurulacak bir sistem modeli de tesisin geçici rejim davranışını, örneğin çalıştırma ve gece-gündüz çevrimini sınayacak. Asıl merak edilen sayı hâlâ ortada yok: bu 100 kW ısıdan geriye kaç kilovat elektrik kalıyor ve elektroliz tesisi ne kadar oksijen üretiyor. O rakam çıkmadan MULE'nin fikir olarak mı yoksa donanım olarak mı işe yaradığı belli olmayacak.

Fotoğraf: NASA, Public domain, Wikimedia Commons