NASA phát triển lò phản ứng hạt nhân mới, tiến gần hơn tới sứ mệnh du hành vũ trụ

Trong khi các nhà máy điện hạt nhân trên khắp nước Mỹ đang dần đóng cửa, NASA lại nỗ lực để hoàn thiện một dạng lò phân hạch mới.

Trong khi các nhà máy điện hạt nhân trên khắp nước Mỹ đang dần đóng cửa, NASA lại nỗ lực để hoàn thiện một dạng lò phân hạch mới.

Thiết bị có tên Kilopower này có thể giúp hiện thực hóa những chuyến thám hiểm chưa từng có tiền lệ trên Mặt trăng, sao Hỏa hay bất kỳ nơi nào khác trong hệ Mặt trời.

Thứ 4 vừa qua, các nhà nghiên cứu công bố phiên bản prototype của Kilopower đã xuất sắc vượt qua một chuỗi các thử nghiệm, và sẵn sàng cho các thử nghiệm bay quan trọng hơn.

NASA phát triển lò phản ứng hạt nhân mới, tiến gần hơn tới sứ mệnh du hành vũ trụ 1

Ảnh render lò phản ứng phân hạch Kilopower cùng thiết bị tản nhiệt trên Mặt trăng (ảnh: )

"Đây là lò phản ứng kiểu mới đầu tiên không chỉ của lĩnh vực vũ trụ, không chỉ của NASA mà còn là của cả nước Mỹ trong 40 năm qua", Thiết kế trưởng dự án Kilopower David Poston chia sẻ tại cuộc họp báo được tổ chức hôm thứ 4 vừa rồi.

NASA cùng Cơ quan quản lý An ninh Hạt nhân Quốc gia Hoa Kỳ đã chuẩn bị cho cuộc thử nghiệm một mất một còn này trong suốt 5 năm, và mới chỉ công bố thông tin ra công chúng đầu năm nay.

Trong thử nghiệm, các nhà nghiên cứu đốt lò phản ứng nhiên liệu uranium ở công suất tối đa trong suốt 28 giờ.

Poston cho biết: "Đây là bước đi đặt nền móng cho việc sử dụng năng lượng phân hạch trong lĩnh vực không gian".

Vấn đề về năng lượng trong không gian

NASA có một số mục tiêu lớn. Cơ quan này đang phát triển một tên lửa khổng lồ có tên Hệ thống Phóng Không gian SLS, muốn lắp đặt một trạm vũ trụ gần Mặt trăng, dự kiến thực hiện các chuyến bay lên bề mặt Mặt trăng, và có thể là đưa các nhà du hành vũ trụ lên sao Hỏa vào những năm 2030.

Tuy nhiên, để đạt được tất cả những mục tiêu này, NASA sẽ phải tìm cách để tạo ra đủ năng lượng cho các hệ thống thiết yếu cần thiết cho sự hiện diện lâu dài của loài người trong không gian.

NASA phát triển lò phản ứng hạt nhân mới, tiến gần hơn tới sứ mệnh du hành vũ trụ 2

Ảnh concept trạm vũ trụ Deep Space Gateway của NASA (ảnh: NASA)

"Có vẻ như chúng ta sẽ cần đến những nguồn năng lượng khổng lồ không đến từ Mặt trời", thành viên Ban Giám đốc Sứ mệnh Công nghệ Không gian của NASA James Reuter cho biết tại buổi họp báo.

"Ví dụ, nước đóng băng là một nguồn tài nguyên thiết yếu có trong đất của Mặt trăng, tuy nhiên việc khai thác và sử dụng sẽ tiêu tốn rất nhiều năng lượng".

Các căn cứ bên ngoài Trái đất cũng cần đến năng lượng để vận hành các hệ thống tái chế nước, làm mới không khí, tạo nhiên liệu, chiếu sáng nhà kính, và nhiều hơn thế nữa.

Reuter cho biết: "Các nghiên cứu của chúng tôi cho thấy, chúng ta có thể sẽ cần đến 40 kilowatt điện trên Mặt trăng, sau đó là trên sao Hỏa".

NASA phát triển lò phản ứng hạt nhân mới, tiến gần hơn tới sứ mệnh du hành vũ trụ 3

Hình ảnh mô phỏng 4 lò phản ứng Kilopower trên sao Hỏa (ảnh: Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos)

Hiện tại, các sứ mệnh không gian thông thường sử dụng năng lượng mặt trời hoặc pin nhiên liệu.

Tuy nhiên, một buổi tối trên Mặt trăng dài bằng 14 ngày trên Trái đất, và ánh mặt trời trên sao Hỏa chỉ mạnh bằng khoảng 40% ánh mặt trời trên Trái đất, do đó phụ thuộc hoàn toàn vào các tấm pin năng lượng Mặt trời là không khả thi.

Không chỉ có vậy, bão sao Hỏa có thể khiến các tấm pin phủ đầy bụi.

Trong khi đó, với pin nhiên liệu, việc sử dụng có thể rất nguy hiểm và năng lượng có thể cạn kiệt một cách nhanh chóng.

Thực tế, NASA có sở hữu một số nguồn cung cấp năng lượng hạt nhân cỡ nhỏ được dùng trong các sứ mệnh robot đầy tham vọng.

Tuy nhiên, những hệ thống này hoạt động dựa trên quá trình phân rã tự nhiên của plutonium-238 và sẽ chỉ cung cấp được tối đa vài trăm watt điện. Chưa kể đến việc plutonium-238 khá đắt đỏ, khó chế tạo và nguồn cung không dồi dào.

Tất cả những vấn đề liên quan đến năng lượng nói trên thôi thúc NASA phát triển Kilopower. Lò phản ứng phân hạch này được thiết kế với tiêu chí đảm bảo tính an toàn, bền lâu, đáng tin cậy, có thể mở rộng quy mô và cung cấp lượng năng lượng lớn.

"Chúng tôi tin rằng công nghệ này có thể sẽ là phương pháp hiệu quả nhất cung cấp năng lượng cần thiết cho các sứ mệnh của loài người trong không gian", Reuter chia sẻ.

Kilopower hoạt động thế nào?

Kilopower có hình dáng giống một chiếc ô cỡ nhỏ.

NASA kỳ vọng sau khi đã mở rộng công suất của Kilopower và đưa thiết bị này vào hoạt động thực tế, các nhà du hành vũ trụ có thể lắp đặt thật nhiều hệ thống trên Mặt trăng và sao Hỏa, kết nối với các căn cứ và để hệ thống tự vận hành trong 10 năm hoặc lâu hơn.

Kilopower hoạt động dựa trên phản ứng phân hạch, đó là khi các hạt nhân phân tách, bắn ra các hạt neutron và giải phóng năng lượng nhiệt.

Tuy nhiên, chỉ có một vài biến thể của các nguyên tố là có thể phân tách các nguyên tử ở gần, bắn ra nhiều hạt neutron hơn để tiếp tục phản ứng với hạt nhân, duy trì chuỗi phản ứng dây chuyền.

Một trong số đó là Uranium-235. Đây chính là nguyên tố làm nên lõi nhiên liệu có bề rộng khoảng 15cm của Kilopower.

Nếu để một mình, một lượng nhỏ U-235 như vậy là chưa đủ, do đó NASA bao quanh lõi này bằng một tấm chắn beryllium có tác dụng phản xạ lại các hạt neutron, từ đó năng tỉ lệ phân hạch và tạo nhiệt.

NASA phát triển lò phản ứng hạt nhân mới, tiến gần hơn tới sứ mệnh du hành vũ trụ 4

Sơ đồ cấu tạo lò phản ứng Kilopower (ảnh: Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos)

Để đóng hoặc mở Kilopower, NASA sử dụng một thanh boron carbide có khả năng hấp thụ neutron.

Khi thanh này được kéo ra, lò phản ứng bắt đầu hoạt động bởi khi đó các hạt neutron có thể di chuyển tự do và phân hạch các nguyên tử khác. Đẩy thanh này trở lại lõi nhiên liệu đồng nghĩa với việc đóng chuỗi phản ứng dây chuyền.

Các ống dẫn nhiệt chứa đầy natri sẽ hấp thụ nhiệt từ phản ứng, sau đó đẩy lên các động cơ Stirling phía trên. Tại đây, nhiệt được dùng để vận hành một thiết bị giống piston, tạo ra điện. Việc làm mát các động cơ là yếu tố then chốt trong quá trình tạo năng lượng điện.

Do đó, một dụng cụ bức xạ giống chiếc ô bằng titanium được lắp đặt ở phía trên, có nhiệm vụ bức xạ lượng nhiệt dư thừa vào không khí hoặc vũ trụ.

Tháng 3 vừa qua, NASA đã thử nghiệm quy trình này bằng một thí nghiệm có tên KRUSTY (Lò phản ứng Kilopower sử dụng Công nghệ Stirling). Thông qua thí nghiệm, khoảng 100 watt điện được tạo ra, vừa đủ để thắp một bóng điện chiếu sáng.

Tuy nhiên, Poston cho biết NASA có thể dễ dàng nâng công suất này lên 10 kilowatt, đủ năng lượng cho một hộ gia đình tiêu chuẩn của Mỹ.

Poston nói thử nghiệm đã "thành công một cách không thể tin được" trong khi chỉ tiêu tốn một số tiền không đáng kể.

"Mọi người sẽ nghĩ phải mất hàng tỉ đô la cho những lò phản ứng này", Poston cho biết. "Chúng tôi đã chứng minh mình có thể thiết kế, xây dựng và thử nghiệm một lò phản ứng với chi phí bỏ ra chưa đến 20 triệu USD".

Tại sao công nghệ mới này được kỳ vọng là an toàn

NASA phát triển lò phản ứng hạt nhân mới, tiến gần hơn tới sứ mệnh du hành vũ trụ 5

Các kỹ sư lắp đặt phần cứng lò phản ứng hạt nhân Kilopower tại Khu vực An ninh Quốc gia Nevada NNSS tháng 3, 2018 (ảnh: NNSS)

Các nhà nghiên cứu tham gia dự án Kilopower cho biết thiết bị này an toàn một cách đáng kinh ngạc, ngay cả khi xảy ra một vụ nổ tên lửa hay các tai nạn khác.

Không giống với hầu hết các lò phản ứng trên Trái đất, Kilopower không sử dụng chất lỏng, ví dụ nước, để làm mát.

 

Nước có thể bị chuyển sang dạng hơi nếu quá nóng, đồng thời có thể là nguyên nhân khiến các chất ô nhiễm dễ dàng lan rộng hơn. Ngược lại, natri trong các ống nhiệt của Kilopower vẫn duy trì trạng thái rắn cho đến khi bị tan chảy dưới sức nóng của lò phản ứng.

Thêm vào đó, không giống với những gì mọi người vẫn nghĩ, tính phóng xạ của uranium-235 không hề cao.

"Nếu chẳng may có một tai nạn trong quá trình phóng, chẳng hạn nổ hoặc hỏa hoạn, liều lượng phóng xạ thực tế trong vòng 1 km xung quanh bệ phóng sẽ rất nhỏ so với bức xạ nền, chỉ khoảng 1 millirem", Patrick McClure, trưởng dự án Kilopowere tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos, chia sẻ với Busniess Insider.

McClure giải thích 1 millirem chỉ tương đương với lượng phóng xạ trong một lần chụp X-quang miệng, thấp hơn nhiều so với khi ngồi trên một chuyến bay.

Nguy cơ lớn nhất chính là thiết bị vô tình được bật lên, dù McClure cho rằng tình huống này gần như không thể xảy ra.

"Với những kịch bản tồi tệ nhất, chúng tôi tin rằng không có lí gì lò phản ứng vẫn tiếp tục hoạt động nếu tai nạn xảy ra trong quá trình phóng", ông phân tích.

Các nhà nghiên cứu của dự án kỳ vọng có thể hoàn thiện một chương trình với NASA để xây dựng, thử nghiệm và phóng một thiết bị Kilopower nguyên cỡ sau khoảng 18 tháng nữa.

Poston chia sẻ mục tiêu cuối cùng của ông là phát triển các hệ thống phóng không gian với Kilopower, những hệ thống có thể "đưa chúng ta đến những nơi bên ngoài Trái đất một cách nhanh nhất, xa nhất".

Theo Business Insider

Tin Liên Quan
Nguồn: Soha/Trí thức trẻ
Bạn Có Thể Quan Tâm
Tin Đọc Nhiều
Cùng chuyên mục