Diseño conceptual de un microrreactor nuclear para misiones espaciales

Abstract

El presente trabajo desarrolla el diseño conceptual y el análisis integral de un microrreactor nuclear compacto destinado a la generación de potencia en superficie lunar. El sistema propuesto está diseñado para suministrar 50 kW de potencia térmica y aproximadamente 4 kW de potencia eléctrica durante una vida útil de diez años, en respuesta a las demandas energéticas asociadas a una presencia humana sostenida en la Luna. El diseño se fundamenta en un enfoque multidisciplinario que integra análisis neutrónicos, térmicos y termo-mecánicos, con el objetivo de garantizar consistencia física y viabilidad operativa. El modelado neutrónico demuestra que el reactor alcanza una condición crítica estable, con control de reactividad a lo largo de su vida útil. La utilización de enriquecimiento variable en el combustible y un reflector de óxido de berilio permite obtener una distribución de potencia balanceada, limitando los factores de pico radial y asegurando seguridad intrínseca mediante un coeficiente Doppler negativo. El control de reactividad se logra mediante un anillo de carburo de boro, que permite tanto el apagado efectivo como la regulación progresiva de las condiciones del reactor. El desempeño térmico está gobernado por un sistema de remoción de calor basado en heat pipes de sodio, los cuales transportan de manera pasiva la energía desde el núcleo hasta el sistema de conversión. El análisis térmico indica un comportamiento estable, con gradientes de temperatura por debajo de límites críticos y sin evidencia de puntos calientes. La integración de generadores termoeléctricos basados en materiales tipo skutterudite proporciona un mecanismo de conversión confiable, priorizando robustez y simplicidad sobre eficiencia, con valores del orden del 8%. La evaluación termo-mecánica confirma la integridad estructural del núcleo basado en un monolito de grafito, donde los esfuerzos inducidos se mantienen dentro de márgenes de seguridad aceptables, incluso en presencia de concentradores de esfuerzo. Los resultados conjuntos evidencian estabilidad mecánica bajo las cargas térmicas consideradas. A nivel sistema, se incorporaron subsistemas adicionales como radiadores, blindaje direccional y configuraciones de despliegue, con el fin de evaluar la factibilidad global. Los resultados indican que, a pesar de la contribución en masa del reflector neutrónico, el diseño es compatible con capacidades actuales de lanzamiento y cumple con los criterios de seguridad radiológica mediante el uso combinado de blindaje y separación espacial. Si bien el modelo considera ciertas simplificaciones, los resultados obtenidos son consistentes con el comportamiento físico esperado, lo que respalda la validez del diseño como una solución de ingeniería de primer orden. Las principales limitaciones se asocian a la ausencia de modelos acoplados multifísicos completos y al análisis de condiciones transitorias, identificados como líneas de trabajo futuro. En conjunto, esta tesis demuestra que un microrreactor nuclear compacto, enfriado de forma pasiva, constituye una solución técnicamente viable para la generación de energía en superficie lunar. Más allá de los resultados específicos, la principal aportación del trabajo radica en la integración de múltiples disciplinas de ingeniería en un diseño coherente a nivel sistema, que sienta las bases para futuras optimizaciones y desarrollos en sistemas de potencia nuclear espacial.