Preliminary architecture of nuclear space reactor for a lunar base

This thesis aims to answer to the question "How to power a human settlement on the surface of the moon, that would grant a high power and would work independently from the environmental conditions, granting the colony independence from earth?". The answer has been found in the use of nuclear technology: Small Modular Reactors are currently increasing their Technology Readiness Level, and they represent a high power technology that could be used for power generation on other planets. This thesis analyses the mission constraints and develops a pre-design methodology for nuclear space reactors for surface applications. This work is developed in the context of the research group Nuclear4Space, which is collaborating with Thales Alenia Space Italia and is carrying on its activities at Politecnico of Milano to study nuclear power for space. This thesis is developed starting from an analysis of the historical reasons that brought to the study of nuclear technologies for space applications and discussing the current state of the art. Then, the mission constraints are addressed, analyzing conditions under which such system needs to perform, focusing on an analysis of the lunar environment, of the energy needs on a lunar base and of the competitor technologies for primary energy generation. After that, a thermal model of the reactor is presented, identifying design bottlenecks and providing a predesign methodology. Then, after the definition of the model, a preliminary architecture is proposed, sizing all the elements (energy conversion system, radiator and heat pipes). The last part includes a sensitivity analysis on the main input parameters; a summary of the conclusions and of the possible future developments concludes the thesis work.

Questa tesi mira a rispondere alla domanda "Come alimentare un insediamento umano sulla superficie lunare, utilizzando un sistema che garantisca un’elevata potenza e funzioni indipendentemente dalle condizioni ambientali, garantendo alla colonia l’indipendenza dalla Terra?". La risposta è stata trovata nell’uso della tecnologia nucleare: gli Small Modular Reactors stanno aumentando il loro Technology Readiness Level e rappresentano una tecnologia ad elevata potenza che potrebbe essere utilizzata per la generazione di energia su altri pianeti. Questa tesi analizza i vincoli di missione e sviluppa una metodologia di pre-progettazione per reattori spaziali nucleari per applicazioni di superficie. Questo lavoro è sviluppato nell’ambito del gruppo di ricerca Nuclear4Space, che sta collaborando con Thales Alenia Space Italia e sta portando avanti le sue attività al Politecnico di Milano per lo studio dell’energia nucleare per lo spazio. Questa tesi si sviluppa a partire da un’analisi delle ragioni storiche che hanno portato allo studio delle tecnologie nucleari per lo spazio e da una discussione sull’attuale stato dell’arte. Quindi vengono affrontati i vincoli di missione, analizzando le condizioni in cui tale sistema deve funzionare, concentrandosi su un’analisi dell’ambiente lunare, del fabbisogno energetico di una base lunare e delle tecnologie concorrenti per la generazione di energia primaria. Successivamente, viene presentato un modello termico del reattore, identificando i colli di bottiglia della progettazione e fornendo una metodologia di pre-progettazione. Quindi, dopo la definizione del modello, viene proposta un’architettura preliminare, dimensionando tutti gli elementi (sistema di conversione energetica, radiatore e heat pipes). L’ultima parte comprende un’analisi di sensitività sui principali parametri di input; infine una sintesi delle conclusioni e dei possibili sviluppi futuri conclude il lavoro di tesi.