Enhancing the capabilities of unmanned space exploration, such as satellite monitoring and space science missions, requires efficient and reliable nuclear power systems. A viable solution is found in the 1-10 kWe power level of space nuclear reactor power systems, offering advantages such as a manageable research and development process, and relatively low investment requirements. This paper introduces a conceptual design for a 5 kWe space nuclear reactor power system, outlining its components and characteristics. The study includes a thorough analysis of potential challenges, encompassing heat pipe failure accidents, re-entry scenarios, and weight estimation considerations. The results demonstrate that the proposed space nuclear reactor power system effectively meets the safety requirements. The total mass of the power system is estimated at approximately 1.5 tons, with a specific mass of around 300 kg/kWe. This research contributes valuable insights for the design of space nuclear reactor power systems operating within a similar power range.
Ha, Sang-Jun;Park, Chan-Eok;Kim, Kyung-Doo;Ban, Chang-Hwan
Nuclear Engineering and Technology
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제43권1호
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pp.45-62
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2011
The Korean nuclear industry is developing a thermal-hydraulic analysis code for safety analysis of pressurized water reactors (PWRs). The new code is called the Safety and Performance Analysis Code for Nuclear Power Plants (SPACE). The SPACE code adopts advanced physical modeling of two-phase flows, mainly two-fluid three-field models which comprise gas, continuous liquid, and droplet fields and has the capability to simulate 3D effects by the use of structured and/or nonstructured meshes. The programming language for the SPACE code is C++ for object-oriented code architecture. The SPACE code will replace outdated vendor supplied codes and will be used for the safety analysis of operating PWRs and the design of advanced reactors. This paper describes the overall features of the SPACE code and shows the code assessment results for several conceptual and separate effect test problems.
For guaranteeing for security of nuclear power plant, ergonomic factors have been applied to design of main control room, core area for management and control of nuclear power plant, but design elements for performance of operators have been ignored. As the behaviors of operators are important for security of nuclear power plant, space design which makes them pleasant psychologically and makes them maintain attention on security equipments ceaselessly is required. Therefore, the purpose of this study is to analyze space characteristics of main control rooms according to regulations of nuclear power plant and general guidelines of space design, and to offer basic data for designing of main control room which makes operators pleasant psychologically and physically. At first, theoretical issues related with design of main control room are reviewed and several premises of space are developed by abstracting design elements from common space and regulations of nuclear power plant and, then integrating each design elements interactively. In short, the improvement of system environment based on human-machine interface space has brought about perceptual, cognitive, and spatial changes and has realized next generation of main control rooms. And, differences and similarities between ordinary space and main control room, which ergonomic sizes and regulations are applied and is VDT environment based on LDP, are discussed in relation to 13 design elements and 17 space premise.
In this paper we summarize the characteristic properties of the nuclear space, and then try to establish the relation between Hopf's extension theorem and nuclear space on $\sigma$-Hilbert space.
Space nuclear reactors are becoming popular in deep space exploration owing to their advantages of high-power density and stability. Following the fourth-generation nuclear reactor technology, a conceptual design of the dual drum-controlled space molten salt reactor (D2-SMSR) is proposed. The reactor concept uses molten salt as fuel and heat pipes for cooling. A new reactivity control strategy that combines control drums and safety drums was adopted. Critical physical characteristics such as neutron energy spectrum, neutron flux distribution, power distribution and burnup depth were calculated. Flow and heat transfer characteristics such as natural convection, velocity and temperature distribution of the D2-SMSR under low gravity conditions were analyzed. The reactivity control effect of the dual-drums strategy was evaluated. Results showed that the D2-SMSR with a fast spectrum could operate for 10 years at the full power of 40 kWth. The D2-SMSR has a high heat transfer coefficient between molten salt and heat pipe, which means that the core has a good heat-exchange performance. The new reactivity control strategy can achieve shutdown with one safety drum or three control drums, ensuring high-security standards. The present study can provide a theoretical reference for the design of space nuclear reactors.
Heat pipe cooled nuclear reactor has been a very attractive technical solution to provide the power for deep space applications. In this paper, a 200 kWe space nuclear reactor power design has been proposed based on the combination of an integrated UN ceramic fuel, a heat pipe cooling system and the Stirling power generators. Neutronics and thermal analysis have been performed on the space nuclear reactor. It was found that the entire reactor core has at least 3.9 $ subcritical even under the worst-case submersion accident superimposed a single safety drum failure, and results from fuel temperature coefficient, neutron spectrum and power distribution analysis also showed that this reactor design satisfies the neutronics requirements. Thermal analysis showed that the power in the core can be successfully removed both in normal operation or under one or more heat pipes failure scenarios.
Although the harsh space environment imposes many severe challenges to space pioneers, space exploration is a realistic and profitable goal for long-term humanity survival. One of the viable and promising options to overcome the harsh environment of space is nuclear propulsion. Particularly, the Nuclear Thermal Rocket (NTR) is a leading candidate for nearterm human missions to Mars and beyond due to its relatively high thrust and efficiency. Traditional NTR designs use typically high power reactors with fast or epithermal neutron spectrums to simplify core design and to maximize thrust. In parallel there are a series of new NTR designs with lower thrust and higher efficiency, designed to enhance mission versatility and safety through the use of redundant engines (when used in a clustered engine arrangement) for future commercialization. This paper proposes a new NTR design of the second design philosophy, Korea Advanced NUclear Thermal Engine Rocket (KANUTER), for future space applications. The KANUTER consists of an Extremely High Temperature Gas cooled Reactor (EHTGR) utilizing hydrogen propellant, a propulsion system, and an optional electricity generation system to provide propulsion as well as electricity generation. The innovatively small engine has the characteristics of high efficiency, being compact and lightweight, and bimodal capability. The notable characteristics result from the moderated EHTGR design, uniquely utilizing the integrated fuel element with an ultra heat-resistant carbide fuel, an efficient metal hydride moderator, protectively cooling channels and an individual pressure tube in an all-in-one package. The EHTGR can be bimodally operated in a propulsion mode of $100MW_{th}$ and an electricity generation mode of $100MW_{th}$, equipped with a dynamic energy conversion system. To investigate the design features of the new reactor and to estimate referential engine performance, a preliminary design study in terms of neutronics and thermohydraulics was carried out. The result indicates that the innovative design has great potential for high propellant efficiency and thrust-to-weight of engine ratio, compared with the existing NTR designs. However, the build-up of fission products in fuel has a significant impact on the bimodal operation of the moderated reactor such as xenon-induced dead time. This issue can be overcome by building in excess reactivity and control margin for the reactor design.
In a previous study, the stochastic space-dependent kinetics model (SSKM) based on the forward stochastic model in stochastic kinetics theory and the Ito stochastic differential equations was proposed for treating monoenergetic space-time nuclear reactor kinetics in one dimension. The SSKM was tested against analog Monte Carlo calculations, however, for exemplary cases of homogeneous slab reactors with only one delayed-neutron precursor group. In this paper, the SSKM is improved and evaluated with more realistic and complicated cases regarding several delayed-neutron precursor groups and heterogeneous slab reactors in which the extraneous source or reactivity can be introduced locally. Furthermore, the source level and the initial conditions will also be adjusted to investigate the trends in the variances of the neutron population and fission product levels across the reactor. The results indicate that the improved SSKM is in good agreement with the Monte Carlo method and show how the variances in population dynamics can be controlled.
The free-piston Stirling engine (FPSE) has been widely used in aerospace owing to its advantages of high efficiency, high reliability, and self-starting ability. In this paper, a 20-kW FPSE is proposed by analyzing the requirements of space nuclear power reactor. A code was developed based on an improved simple analysis method to evaluate the performance of the proposed FPSE. The code is benchmarked with experimental data, and the maximum relative error of the output power is 17.1%. Numerical results show that the output power is 21 kW, which satisfies the design requirements. The results show that: a) reducing the pressure shell's thickness can improve the output power significantly; b) the system efficiency increases with the wire porosity, while the growth of system efficiency decreases when the porosity is higher than 80%, and system efficiency exhibits a linear relationship with the temperatures of the cold and hot sides; c) the system efficiency increases with the compression ratio; the compression ratio increases by 16.7% while the system efficiency increases by 42%. This study can provide valuable theoretical support for the design and analysis of FPSEs for space nuclear power reactors.
핵추진 시스템의 개념 및 특징들을 소개하고 해외 핵동력 우주추진 기술개발 동향을 정리하였다. 핵추진 원료로 사용되는 우라늄은 비에너지가 매우 높아 기존 화학추진방식 대비 우수한 비추력 성능을 내고, 탑재되는 연료의 양을 줄일 수 있어 장거리 탐사 시 매우 유리한 이점을 가지고 있다. 이러한 이유로, 최근 우주개발 선도국에서 핵추진 기술 연구에 박차를 가하고 있는바, 우주개발 경쟁에서의 우위를 점하기 위해서도 핵동력을 이용한 추진기관의 개발이 반드시 필요하다고 판단된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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