人類が月への永住に向けて歩みを進める中、少なくとも 1 つの大きな障害に直面しています。それは、月の夜が約 14 日間連続で続き、気温がマイナス 223 度まで低下する可能性があるということです。このような状況を乗り切るためには、太陽とともに行き来しないエネルギー源、あるいは存在しない石炭、ガス、風力の供給に依存しないエネルギー源が必要です。言い換えれば、私たちは原子力を必要としているのです。ミュンヘン工科大学のジュリアス・メルツ氏とその共著者らによる新しい論文が arXiv でプレプリントで公開されており、生息地の環境システムに電力を供給するだけでなく、その物質抽出技術も可能にする新しいタイプの原子炉について説明しています。
月での「地上での生活」（宇宙探査ファンが好んで呼ぶ現地資源利用（ISRU））は、長期的な月面基地にとって不可欠となるだろう。月面基地の建設と維持に必要なすべての物資を地球から届けるのは法外な費用がかかり、1キログラムあたり数万ドルかかります。幸いなことに、これらの基地を建設するために必要な物質の多くは、実際には月自体で入手できます。それらは、私たちがレゴリスと呼ぶ表面の細かい塵の中に閉じ込められているだけです。
レゴリスから酸素と有用な工業材料を抽出するために、科学者たちは溶融塩電気分解と呼ばれるプロセスに注目しました。これは、月の塵を液体塩に溶解し、それに電流を流し、酸素を除去することで機能し、建物の構造に役立つ金属合金を残します。ただし、電力を大量に消費することで知られており、適切に機能するには 900°C を超える温度が必要です。
フレイザー氏は、月面で電力を供給するための NASA の答えであるキロパワー炉について語ります。
従来の月次基本プランでは、これらの温度は、ある種の電気システム (通常は原子力または太陽光発電) を利用した電気ヒーターによって提供されます。しかし、エネルギーを電気に変換する過程で、その約 60% が廃熱として失われ、エネルギーを消費するプロセスに電力を供給しようとすると、そのようなシステムの効率が大幅に低下します。
Microreactor Utilization for Lunar Exploration (MULE) を入力します。これは、Foundation シリーズまたは Starcraft への参照である可能性がありますが、これらの SF の世界のいずれかがシステムの名前に影響を与えたかどうかは不明です。 MULE リアクターにはいくつかのユニークな側面があるため、まずその熱連鎖に焦点を当てましょう。
MULE は、動力源となる核分裂反応によって生成された熱エネルギーを直接変換するのではなく、意図的に熱エネルギーの「カスケード」を実装します。このカスケードの最初のステップは、MSE 反応を促進することです。これは、永久的な月基地の長期存続にとって重要です。プラントから出る温度は約1000℃になると予想されており、MSE反応を促進するのに必要な範囲内となる。さらに、システムは、電気の代わりに熱を蓄えるバッテリーに似た蓄熱バンクを追加して、反応に与えられる熱負荷を均等化し、MULE が何らかの理由でシャットダウンした場合でもそれを維持します。
フレイザー氏は宇宙探査用の原子炉を改良する方法について語ります。
カスケードの次のステップは発電であり、論文の著者らは 750°C 付近で発電が起こると予想しています。これは閉ループのブレイトン サイクルを使用しており、基本的には膨張するガスを使用してタービンに電力を供給し、通常どおり発電します。熱エネルギーの大部分をタービンに注ぎ込んだ後、ガスはまだ猛烈な温度である 150 °C まで冷却されますが、この温度は生息地自体を加熱するために意図的に使用されており、当然、居住者が水の沸騰温度を超える温度でガスを吹き飛ばされないように、何らかの熱制御が行われています。最後に、プロセスからの廃熱は 75°C のヒートシンクに捨てられ、赤外線として深宇宙に放出されます。
MULE の 2 番目のユニークな特徴は、実際のリアクターの設計です。標準的な燃料棒を使用する代わりに、主に炭化ケイ素で作られた一体型セラミックコアと、37 個の TRIstructural-ISOtrope (TRISO) 粒子を充填した六角形燃料集合体を使用します。これらのケシの実ほどの大きさのペレットには、炭素とセラミックの保護シェルの 3 つの同心円層に囲まれた炭化ウラン燃料コアが含まれています。それぞれが小型の圧力容器として機能し、原子炉の残りの部分で何が起こっても燃料が事実上溶けないことを保証します。
これは良いことだ。なぜなら、燃料自体は 93% の U-235 まで濃縮されることになるからだ。これは兵器級には及ばないが、地球上の原子炉で使用される典型的な濃縮度 2 ～ 3% よりもはるかに高い。もう 1 つのユニークな特徴は、MULE が制御棒の代わりに、炉心の周囲にピボット制御される 6 つのドラムを使用していることです。このドラムの片面は炭化ホウ素などの中性子吸収材でコーティングされており、もう一方の面は酸化ベリリウムでコーティングされており、中性子反射材として機能します。重要なのは、システム全体のサイズは長さわずか 2.3 m、幅 0.78 m、重量はわずか 2.1 トンであり、スターシップやニュー グレンなどの今日の重量物運搬ロケットのペイロードフェアリング能力の範囲内に十分収まります。
フレイザー氏は、月面都市がすぐには実現しない理由について現実的な見解を示している。
システムが機能することを実証するために、著者らはシミュレーションに目を向けました。なぜなら、実際の実験用原子炉を稼働させるのは難しいからです。彼らが使用したソフトウェアは、Serpent 2 として知られています。モンテカルロ シミュレーターの一種で、原子炉の周りで跳ね返る何百万もの個々の中性子の物理学を計算することができました。シミュレーションでは、著者らは手持ちの燃料で 10 年の目標耐用年数を設定しました。
彼らはこれを完全に水から吹き飛ばしました。 10 年間のシミュレーションの後、制御ドラムは約 5.34 度しか回転せず、元のウラン燃料の 98% 以上が未使用のままでした。研究者らはシステムをさらに推し進めた結果、現在の構成では MULE が燃料を補給せずに 95 年間動作できることを発見しました。
だからといって、途中で問題が起こらないわけではありません。明らかなのは、コアの材質です。高温のヘリウム (熱伝達に使用されるガス) の取り扱いは簡単ではありません。また、セラミックには熱衝撃が大きすぎると破損する傾向があります。もう 1 つのエンジニアリング上の課題はシールドです。現在の設計では、放射線から身を守るためのシールドは使用されていません。その代わりに、著者らは、月のレゴリス自体の数メートルの下にそれを埋めることを提案しています。おそらく、このシステムの名前の由来となったのはスタークラフト技術です。しかし現実には、これらの原子炉の1つが収まるほど大きな穴を掘ることができる月掘削技術はありません。
私たちがそれを開発するまで、そう長くはかからないかもしれません。掘削は長期にわたる月面基地にとって重要な機能であり、そのような基地に電力を供給するには原子炉の産業力が必要です。その時点で、私たちは鶏が先か卵が先かというような視点に立っています。しかし、技術者たちが将来の永久的な月面コロニーに電力を供給するためのこの潜在的な選択肢を思いついたことを知ることは、間違いなく良いことだ。このような原子炉が月面上（または下）で見られるようになるには、しばらく時間がかかるかもしれません。
もっと詳しく知る：
J. Mercz、P. Reiss、C. Reiter – MULE — 現地の月資源の利用をサポートするコージェネレーション核分裂発電所のコンセプト
UT – 月面原子炉のレース 2030
UT – NASA、月面基地と火星への核ミッションに関する野心的な計画を発表
UT – NASAは、10年間使用できる月面原子炉の開発に資金を提供している
