Návrh palivového cyklu jaderného reaktoru pro elektrický vesmírný pohon

Abstract

Vesmírné technologie přinesly v posledních letech lidstvu průlomové úspěchy, ať už jde o průzkum Sluneční soustavy či o přípravy lidské posádky pro návrat na Měsíc a následně na Mars, nicméně na druhou stranu vyžadují řešení mnohých výzev, jako je kosmické záření či překonávání velkých vzdáleností. Klíčem k úspěchu mohou být pokročilé pohonné systémy, například jaderný elektrický pohon, který díky dlouhodobému provozu umožňuje efektivnější cestování do vzdálených oblastí Sluneční soustavy. Tato práce se zabývá návrhem palivového cyklu vesmírného reaktoru a systémů pro kompenzaci reaktivity a bezpečného odstavení, včetně jejich vlivu na provozní parametry. Zkoumány budou tři úrovně obohacení paliva (LEU, HALEU, HEU) v rychlém i tepelném spektru, se zaměřením na vysokoteplotní mikroreaktor o výkonu 10 MW s plánovanou dobou provozu 10 let. Bylo zjištěno, že pro HALEU i HEU konfigurace lze ke kompenzaci reaktivity využít regulační bubny umístěné v radiálním reflektoru, zatímco pro bezpečné odstavení postačí systém bezpečnostních tyčí. Heterogenitu reaktoru lze popsat pomocí migrační plochy, která udává průměrnou vzdálenost mezi vznikem a zánikem neutronu. Pokud je reaktor malý a migrační plocha velká, systém se chová více homogenně, což umožňuje řídit reaktivitu v celé aktivní zóně za pomoci bubnů v reflektoru. Naopak v případě LEU konfigurace byla z důvodu větší heterogenity bubnová regulace nedostatečná a bylo nutné uvažovat tyčovou regulaci, při které jsou tyče zasouvány rovnoměrně do celé aktivní zóny a neregulují pouze její periferii.

Space technology has brought huge breakthroughs to humanity last years, whether it is the exploration of the Solar System or the preparation of human mission for a return to the Moon and then to Mars, but on the other hand it requires solving many challenges such as cosmic radiation or overcoming long distances. Advanced propulsion systems, such as nuclear electric propulsion, may be the key to success, enabling more efficient travels to remote regions of the Solar System due long-term operation. This thesis focuses to the design of the space reactor fuel cycle and systems for reactivity compensation and safe shutdown, including their impact on operational parameters. Three levels of fuel enrichment (LEU, HALEU, HEU) in both the fast and thermal spectrum will be investigated, with a focus on a high temperature microreactor with a power of 10 MW and with a planned 10 year operation. It was found that for HALEU and HEU configurations, control drums located in the radial reflector can be used for reactivity compensation, while a safety rod system is sufficient for safe shutdown. The heterogeneity of the reactor can be described by the migration area, which gives the average distance between neutron production and destruction. If the reactor is small and the migration area is large, the system behaves more homogeneously, which allows the reactivity to be controlled throughout the core by means of drums in the reflector. On the other hand, in the case of the LEU configuration, control drums were insufficient due to the larger heterogeneity and it was necessary to consider control rods, which are inserted uniformly throughout the core and do not control only its periphery.