ゴミ箱ほどの大きさの原子炉が火星の居住地に電力を供給できる

ウランのシリンダーはコーヒー缶ほどの大きさ。シールドと検出器を備えていても、この装置はゴミ箱ほどの大きさしかない。しかし、ネバダ砂漠でまもなくテストされるこの小さな試作品は、人類の地球外の未来への夢を燃え上がらせるものである。

NASAと米国エネルギー省の合弁事業であるキロパワー計画は、1960年代のSNAP 10A計画以来、宇宙に到達する最初の核分裂炉となる予定だ。プロトタイプが試験中であり、この数十年間に出現した他のどのプロジェクトよりも打ち上げが近い。

キロパワー原子炉は、1 キロワット (1,000 ワット) モデルと 10 キロワット モデルの 2 つのサイズで動作するように設計されています。

「トースターは1キロワットくらいの電力を消費します」とロスアラモスのキロパワープロジェクトリーダー、パット・マクルーア氏は笑いながら言う。「一般家庭では、1日平均5キロワットくらいを常時消費しています。しかし、これはNASAにとっては膨大なエネルギー量だということを理解してください。NASAでは数十から数百ワットの電力が普通です。ですから、1キロワットや10キロワットというのは膨大な電力量なのです。」

NASA のニューホライズンズ ミッションの最大電力は 240 ワットですが、キュリオシティ ローバーの電源は 120 ワットの電力しか供給しません。これらはどちらもいわゆる核電池で、自然に崩壊するプルトニウムの熱を直接電気に変換します。しかしプルトニウムは不足しており、1,000 ワット、あるいは 10,000 ワットは、地球上の電力需要に比べれば小さいとはいえ、これらの電源が持つ電力からすると大きな進歩です。これらの核電池とは異なり、キロパワーのシステムは核分裂反応を起こし、ウラン原子を分裂させてエネルギーを放出し、それを付属のエンジンで電気に変換します。

標準的な原子炉ではない

「従来の軽水冷却原子炉は 1 ギガワットの電力を生産します。これは 100 万倍も大きく、非常に複雑で、燃料を非常に有効に活用するように設計されているのです」とマクルーアは言う。火星の小型原子炉のサイズでは、燃料効率は大幅に低下する。「しかし、予測が非常に簡単で、操作も簡単で、実際に自己制御できる原子炉があります」と彼は言う。これにより、より大きな電源で起こり得る事故の可能性が軽減される。

言い換えれば、火星で核爆発が起こる危険はないということです。

「私たちが行っている用途では、燃料を溶融することは不可能ではないにしても困難です」とマクルーア氏は言う。「私たちが設計した物理法則では、原子炉は基本的に要求されただけの熱を放出します。したがって、冷却が失われ、ほんの少しの熱エネルギーが放射されれば、原子炉はそれに合わせて出力が低下します。」

また、このシステムは宇宙という奇妙な環境で動作するようにも設計されている。宇宙は寒いと思われているが、真空中で原子炉を冷たく保つのはそう簡単ではない。発電機から熱を奪うことができる空気や水のような物質は流れていない。その代わりに、このシステムは 8 本のヒートパイプに依存しており、各ヒートパイプには高沸点のナトリウムが大さじ 1 杯ほど入っている。

ナトリウムは、核分裂するウラン燃料に最も近いパイプの部分に近づくと、高熱で沸騰します。蒸気はパイプを伝って凝縮し、その温度差が発電に役立ちます。その後、冷却された物質はパイプのより暖かい部分に戻り、システム全体が再び始動します。理論的には、何十年とは言わないまでも、何年も安定した電力を生産できます。

どれくらい安全ですか?

原子力と宇宙という言葉を聞くと、多くの人が、打ち上げ時に何か問題が起きた場合、搭載されている原子力電源が下に立っている人々に危険をもたらすかもしれないと心配する。

「チェルノブイリを宇宙に飛ばすなんて、みんないつも思っています」とマクルーアは言う。現実はそれほど危険ではない。「原子炉を核分裂させる前は、ウランなので炉心に微量の放射能が存在しますが、その量は非常に少ないです。打ち上げ事故で何かが起こったとしても、一般市民にとって問題になるようなことはないでしょう」とマクルーアは言う。

マクルーア氏は、打ち上げで何か問題が起こった場合、原子炉の標準的な非核分裂状態にある爆発したウランの残骸は、一般市民にほとんど危険を及ぼさないと説明する。「ピーク時の被ばく量はミリレムよりはるかに少ない。ほとんどの人はマイクロレムの範囲に入るだろう」とマクルーア氏は言う。比較すると、平均的なアメリカ人は年間約 620 ミリレムの放射線を浴びる傾向がある。「これは、自然放射線や飛行機に乗ったときに浴びる放射線よりはるかに少ない」

しかし、電源の打ち上げは最初のステップに過ぎない。遠く離れた宇宙空間でも安全に稼働しなければならない。電源が投入されると、地球の大気圏を離れてからかなり経ってから、放射能がさらに高まる。しかし、チームは電源が落ちても原子炉が自動的に停止するように設計した。そして来月、ネバダ州でこの原子炉の性能をテストする予定で、2つのエンジンを接続。各エンジンはそれぞれ約80ワットの電力を生成し、核分裂反応を約800度の熱まで上げる。

「私たちはすべての熱除去を停止し、原子炉が耐えられるだけでなく、スタンバイモードのままでいることを実証します。このモードでは、電力変換システムが復活して再び電力を消費し始めると、すぐに元の状態に戻ります。これは、この原子炉のいかなる過渡的または通常とは異なる動作にもまったく心配することなく対処できることを実際に実証することになります」とロスアラモスの原子炉主任設計者、デイブ・ポストン氏は言う。

それは何をするのでしょうか?

「1キロワットは深宇宙ミッション用で、冥王星や木星の衛星のような別の惑星へのミッションです。10キロワットバージョンは深宇宙または火星の表面用です。現在NASAの現在の計画では、5基の10キロワット原子炉を火星に送ることになっています」とマクルーア氏は言う。

これは、火星基地に電力を供給するのに必要な推定 40 キロワットの電力を供給するのに十分な量であり、さらに念のためもう 1 キロワットの電力も供給できる。

「火星は電力システムにとって非常に厳しい環境です」とNASA宇宙技術ミッション局のスティーブ・ジャーチック副局長は記者会見で述べた。「地球や月に比べて日照量が少なく、夜間の気温が非常に低く、数週間から数ヶ月にわたって惑星全体を飲み込む非常に興味深い砂嵐が発生するのです。」

NASA は、潜在的な電力源としてソーラーパネルを検討しており、もちろん検討対象から外れているわけではないが、太陽が特に弱いときでも、必要な生命維持システムに安定して電力を供給できるものを探している。

最初の原子炉は火星に着陸し、自律システムに電力を供給して水の氷を液体酸素と水素に分離し、帰還のための燃料を生成する。人類が到着したら、システムは居住施設やその他の支援システムに電力を供給することができる。NASA は民間団体とも協議中で、キロパワー原子炉が火星外の探査活動に役立つかもしれないと提案している。

「元宇宙飛行士として、低地球軌道から離れて冒険する際には信頼できる電源を持つことが極めて重要であると断言できます」とNASAグレン研究センター所長のジャネット・カヴァンディ氏は言う。「そして、この種の電力システムは、私たちが太陽系のさらに奥深く、最終的には他の惑星の表面まで旅する際に特に重要になります。」