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Design study of nuclear power systems for deep space explorers, 2; Electricity supply capabilities of solid cores

深宇宙探査機用原子力システムの設計研究,2; 固体炉心の発電性能

山路 哲史; 滝塚 貴和; 鍋島 邦彦; 岩村 公道; 秋本 肇

Yamaji, Akifumi; Takizuka, Takakazu; Nabeshima, Kunihiko; Iwamura, Takamichi; Akimoto, Hajime

本研究では、深宇宙探査機の推進用として、固体原子炉と熱電変換素子を組合せた発電システムの設計を行った。具体的には、以下の3種類のシステムについて、電気出力,放熱器質量、及びヒートパイプと熱電変換素子の作動温度範囲を評価した。3種類のシステムは、固体熱伝導のみで冷却するsolid thermal conduction (STC)システム,炉心表面をヒートパイプで冷却するcore surface cooling with heat-pipes (CSHP)システム,炉心内部を直接ヒートパイプで冷却するcore direct cooling with heat-pipes (CDHP)システムである。その結果、これらのシステムは、従来、宇宙での電力源として欠如していた電気出力1から100kWeの範囲を広くカバーできることが明らかになった。特に、ヒートパイプ及び熱電変換素子の使用温度範囲は広く、比較的に低温領域までカバーしている。これは、機器の選択範囲の拡大,新規開発要素の低減,信頼性の向上の観点から望ましいことであり、本概念の早期実現に有利である。

This study has been carried out in series with the other study, "Criticality of Low Enriched Uranium Fueled Core" to explore the possibilities of a solid reactor electricity generation system for supplying propulsion power of a deep space explorer. The design ranges of three different systems are determined with respect to the electric power, the radiator mass, and the operating temperatures of the heat-pipes and thermoelectric converters. The three systems are the solid thermal conduction system (STC), core surface cooling with heat-pipe system (CSHP), and the core direct cooling with heat-pipe system (CDHP). The evaluated electric powers widely cover the 1 to 100 kW range, which had long been claimed to be the range that lacked the power sources in space. Therefore, the concepts shown by this study may lead to a breakthrough of the human activities in space. The working temperature ranges of the main components, namely the heat-pipes and thermoelectric converters, are wide and cover down to relatively low temperatures. This is desirable from the viewpoints of broadening the choices, reducing the development needs, and improving the reliabilities of the devices. Hence, it is advantageous for an early establishment of the concept.

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