Nuclear power plants in space

People would never recognize the fission power system as a nuclear power reactor, for it is the size of a carry-on suitcase and there are no cooling towers. It draws it energy by splitting uranium atoms in order to generate heat that is then converted into electric power. “If something were to happen with such a small reactor, whose power is only 1/100 percent of the reactor in Fukushima, you would notice nothing on Earth,” says Jan-Leen Kloosterman, section leader of the Physics of Nuclear Reactors group (faculty of Applied Sciences), reassuringly. “Besides, we’re continuously being bombarded by radiation from space, which is partially blocked by our atmosphere.”



Current space missions primarily use sunlight to generate electricity, according to Science Daily. But the advantage of nuclear reactors is they can produce larger and steadier amounts of power. “It’s quite logical to think nuclear,” says Boudewijn Ambrosius, professor at the Space Engineering, Astrodynamics & Space Missions group of the faculty of Aerospace Engineering. “In space, energy is one of the biggest problems. We equip satellites with solar panels, but you get panels as large as a soccer field and they degrade rapidly by radiation damage. Moreover, solar panels only provide power when the sun shines.”



Nuclear power itself is not new in space, according to both scientists – it has been used since 1961. “The most common way to apply it is by using Plutonium-238, which produces a lot of decay heat. This can be converted to electricity with help of thermoelectric generators. The advantage is that it contains no moving parts and cannot break. But the efficiency is very low: only 5% of the heat is converted into energy,” says Kloosterman. “This new nuclear reactor on the moon probably combines fission energy with a motor that produces energy through movement. Take for example the sterling engine, which needs heat as input and is connected to a generator. The advantage is an energetic efficiency of 15-20%, which is four times as high as for a thermo-electric generator which uses plutonium.”



This however is not the first time a nuclear reactor will fly into space, according to Prof. Ambrosius. “In 1965, SNAP-10A was the first and so far only known launch of a US nuclear reactor and it remains in polar orbit today.” Another application of nuclear energy in space is for the propulsion of rockets. Prof. Ambrosius recalls Nerva, a nuclear rocket engine, developed by Nasa during the 1970s. The engine was even tested and intended for a mission to Mars, but the space program was cancelled by the Nixon administration. “The anti-nuclear lobby was afraid of the launch risks,” the professor explains.



The new nuclear power plant is supposed to produce 40 kW. This is approximately the same amount of energy needed to power eight homes on Earth. These little power plants might be suitable for earth applications as well. Prof. Ambrosius agrees: “I can imagine it could be interesting for remote areas on Earth. Space research has lots of spin-offs useful for terrestrial applications.” But Kloosterman is less hopeful. “It would be too expensive to apply such a technology so small,” he believes. “The yield will be 20%, but in larger plants it is already 35-40%. Besides, it may end up in the wrong hands, which is too dangerous. I foresee no new developments of a nuclear reactor this small for use on Earth.” 

Uit het vorige week verschenen rapport ‘Nederland in KP7’ van Agentschap NL (Economische Zaken) blijkt dat de TU meer Europese onderzoekssubsidies binnenhaalt dan andere Nederlandse universiteiten. In de top-15 van Nederlandse onderzoeksorganisaties staat de TU Delft op twee met 99 gesloten KP7-contracten. De eerste plaats is voor TNO met 115 contracten. De TU Eindhoven en de Universiteit Twente volgen op plaats zeven en tien (respectievelijk 73 en 64 contracten).

Het geld komt uit het zogeheten Zevende Kaderprogramma, een subsidiepot van tientallen miljarden euro’s die eind 2013 leeg moet zijn. Nederland heeft de afgelopen drie jaar ruim een miljard euro onderzoekssubsidie gekregen uit Brussel, op een totaal van zestien miljard. Voor de komende jaren is er nog 32 miljard over.

Het rapport baseert zich op cijfers uit 2009. Volgens Greet Vink van het Delftse valorisation centre stond de teller voor Delft op 1 juni 2010 al op 150 contracten. Van vijftien daarvan was de TU coördinator, een positie die bijdraagt aan een goede naam en meer invloed op de richting van het volgende kaderprogramma. Wat de kans op subsidies vergroot.
De TU haalt jaarlijks gemiddeld 22 miljoen euro uit KP7. Ter vergelijking: in 2009 had de universiteit 135,4 miljoen euro aan externe inkomsten. Vink denkt dat het mogelijk is om te groeien naar een jaarlijks gemiddelde van dertig miljoen euro. Het valorisation centre probeert daaraan onder meer bij te dragen met bijeenkomsten en trainingsprogramma’s.

Daar is onder wetenschappers veel belangstelling voor. Zo zat de training ‘How to write a competitive proposal for framework 7’ vrijdag 1 oktober met 270 deelnemers helemaal vol. “Die sessie moest kansen vergroten. Uit analyses blijkt dat onze voorstellen als wetenschappelijk goed tot zeer goed worden beoordeeld, maar dat we drie relatief triviale punten laten liggen”, zegt Vink. En dan kan het geld zomaar naar de concurrentie gaan.
De drie punten die Vink bedoelt, zijn de consortiumkeuze, want een Europese aanvraag dien je nooit alleen in, de beschrijving van de manier waarop het onderzoek gemanaged zal worden en de beschrijving van de impact van het onderzoek. Lukt het Delftse wetenschappers die onderdelen te verbeteren, dan is het volgens Vink mogelijk om de slagingskans van Delftse voorstellen te verhogen van 25 naar 30 procent. De gemiddelde slagingskans van Nederlandse voorstellen is 23 procent.

Het belang van samenwerking met de juiste partners uit de juiste Europese landen werd onlangs nog onderstreept door collegevoorzitter Dirk Jan van den Berg. In Delta 27 zei hij dat het ‘van levensbelang is dat we heel goed aanknopen bij Europese onderzoeksnetwerken’.

Volgens Vink weten wetenschappers op basis van publicaties, lezingen en conferenties vaak wel bij wie ze moeten zijn. Mochten ze daarna nog specifieke expertise zoeken, dan bieden databases uitkomst. “Maar het belangrijkste is dat partijen elkaar aanvullen, respecteren en dat ze een betrouwbare partij zijn om mee te werken.”

Om hun kansen verder te vergroten, moeten wetenschappers nauwkeurig vastleggen hoe een onderzoek geleid zal worden. Reviewers moeten immers het vertrouwen krijgen dat er een goed eindresultaat zal komen. Ook de impact van het onderzoek moet worden beschreven. Het doel van het Europese kaderprogramma is om van Europa de meest kennisintensieve, concurrerende en duurzame economie ter wereld te maken. De EU wil weten hoe een onderzoek aan dat doel kan bijdragen.
Om erachter te komen wat de EU wil horen, is het volgens Vink nodig om na te gaan wat er mis was met afgewezen voorstellen. “Ik kan me best voorstellen dat het moeilijk is om afgewezen te worden als je je hele hebben en houden op papier hebt gezet, maar het is nooit voor niets. Winnen leer je door te verliezen. Een goede basis kun je anders aankleden en dan kun je het weer proberen bij een nieuwe call op je vakgebied.” Daarnaast blijkt het heel leerzaam om de samenvattingen te lezen van concurrerende consortia die wel een subsidie hebben ontvangen.

Tot zover het deel dat wetenschappers zelf in de hand hebben. Nadat zij een voorstel hebben ingediend, breekt een onzekere tijd aan van lang wachten. “Je weet niet wie je concurrenten zijn”, legt Vink uit. “En je weet ook niet wie je reviewers zijn. Hun namen zijn geheim.”
Vink vertelt dat de EU een grote database heeft van wetenschappers die als reviewer kunnen optreden (cordis.europa.eu). Daartussen zitten ook Delftenaren. Reviewers die meedoen aan het beoordelen van voorstellen, moeten daarvoor meestal naar Brussel komen. Daar aangekomen moeten ze achter gesloten deuren en onder toezicht van onafhankelijke observators de stukken beoordelen.

Ondanks dat Delftse onderzoekers nooit gevraagd zullen worden het onderzoeksvoorstel te bekijken van projecten die de TU Delft coördineert, roept Vink hen op zich als reviewer aan te melden. “Als je een paar keer hebt geëvalueerd, weet je hoe de hazen lopen. Dat helpt als je zelf een voorstel wilt indienen.”
Vink is positief over de Delftse kansen in Europa. “In vergelijking met algemene universiteiten hebben wij het gemakkelijker. Wij kunnen als technische universiteit tastbare oplossingen bieden voor veel vraagstukken. De thema’s van het zevende kaderprogramma (onder meer nanotechnologie, energie, ict, medische technologie en milieu, red.) zijn ons iets meer op het lijf geschreven. Dat blijft zo in het achtste kaderprogramma.”
Tegelijkertijd zit er een maximum aan wat je kunt binnenhalen. “Het is deels een capaciteitskwestie. Doe je het als onderzoeker nationaal goed, dan heb je weinig tijd over om ook Europese voorstellen in te dienen.” Maar lucratief is Europa wel. De EU financiert 75 procent van de kosten van een onderzoek, terwijl nationale subsidiepotjes gaan tot gemiddeld 50 procent. 

cordis.europa.eu