Rakett rakett - Gas core reactor rocket

Gasskjernereaktorraketter er en konseptuell type rakett som drives frem av det utmattede kjølevæsken fra en gassformet fisjonreaktor . Kjernefysjonsreaktorkjernen kan være enten en gass eller plasma . De kan være i stand til å skape spesifikke impulser på 3000–5000 s (30 til 50 kN · s / kg, effektive eksoshastigheter 30 til 50 km / s) og skyvekraft som er nok for relativt raske interplanetære reiser. Varmeoverføring til arbeidsfluidet ( drivmiddel ) skjer ved termisk stråling , for det meste i ultrafiolett , gitt av fisjoneringsgassen ved en arbeidstemperatur på rundt 25.000 ° C.

Operasjonsteori

Kjernefysiske kjernereaktorraketter kan gi mye høyere spesifikk impuls enn kjernefysiske rakett med fast kjernen, fordi deres temperaturbegrensninger er i dyse- og kjernemurens strukturelle temperaturer, som er distansert fra de varmeste områdene i gasskjerne. Følgelig kan kjernereaktorer med kjernefysisk gass gi mye høyere temperaturer til drivstoffet . Kjernefysiske termiske raketter kan utvikle høyere spesifikk impuls enn konvensjonelle kjemiske raketter på grunn av den lave molekylvekten til et hydrogendrivmiddel, men driftstemperaturene er begrenset av den maksimale temperaturen på den faste kjernen fordi reaktorens temperaturer ikke kan stige over komponentenes laveste smeltetemperatur .

På grunn av de mye høyere temperaturene som oppnås med gassformet kjernekonstruksjon, kan den levere høyere spesifikk impuls og skyvekraft enn de fleste andre konvensjonelle kjernefysiske konstruksjoner. Dette oversettes til kortere sendetid for oppdrag for fremtidige astronauter eller større nyttelastfraksjoner. Det kan også være mulig å bruke delvis ionisert plasma fra gasskjernen for å generere elektreto magnetohydrodynamisk , og deretter negere behovet for en ekstra strømforsyning.

Generelle trekk ved atomreaktoren

Alle gasskjerne-reaktorrakett-design deler flere egenskaper i kjernefysiske reaktorkjerner, og de fleste design har de samme materialene. Det nærmeste bakkenes designkonseptet er den gassformede fisjonreaktoren .

Atomdrivstoff

Det fissile drivstoffet er vanligvis sterkt anrikede uranpellets eller et uran som inneholder gass ( U-235 eller U-233 ). Noen ganger er urantetrafluorid nødvendig på grunn av dets kjemiske stabilitet; drivmidlet er vanligvis hydrogen .

Neutron Moderator

De fleste gasskjernereaktorer er omgitt av en radiell første vegg som kan ta stammen for det ekstreme miljøet som er til stede inne i kjernen, et trykkskall for å holde alt sammen, og en radiell nøytron-moderator som vanligvis består av berylliumoksyd . Drivmiddel gir også måtehold.

Reaktorkjølevæske / rakettdrivmiddel

Hydrogendrivmiddelet avkjøler reaktoren og dens forskjellige strukturelle deler. Hydrogen pumpes først gjennom dysen, deretter gjennom veggene og ned igjen gjennom kjerneområdet. Når det passerer gjennom kjerneområdet, blir hydrogenet oppbrukt. Hvis det ikke er nok med avkjøling fra drivmiddelet, er eksterne radiatorer påkrevd. De indre gasskjernetemperaturene i de fleste utførelser varierer, men utførelsene med de høyeste spesifikke impulser har generelt fisjonerende gassplasma som oppvarmer et drivmiddel med lav masse. Denne oppvarmingen skjer først og fremst gjennom stråling.

Varmeoverføring

Ved høye temperaturer overføres varme hovedsakelig ved termisk stråling (i stedet for termisk ledning ). Imidlertid er hydrogengassen som brukes som drivmiddel nesten fullstendig gjennomsiktig for denne strålingen. Derfor, i de fleste gasskjernereaktorrakettrakettkonsepter, anses en slags såing av drivmidlet med ugjennomsiktige faste eller flytende partikler som nødvendig. Partikler av karbon [sot] (som er svært ugjennomsiktig og forblir solide opp til 3915 K, dets sublimeringspunkt) synes å være et naturlig valg; Imidlertid er karbon kjemisk ustabilt i et hydrogenrikt miljø ved høye temperaturer og trykk. I stedet for karbon, er støvpartikler eller flytende dråper av et materiale slik som wolfram (smeltepunkt 3695 K, kokepunkt 6203 K) eller tantal hafniumkarbid (smeltepunkt 4263 K, kokepunkt noe ukjent høyere temperatur) foretrukket. Disse partiklene vil utgjøre opptil 4% av massen til avgassen, noe som vil øke kostnadene for drivmiddel betydelig og redusere rakettens spesifikke impuls.

Ved temperaturene som er nødvendige for å oppnå en spesifikk impuls på 5000-7000 s, ville imidlertid ikke noe fast eller flytende materiale overleve (den nødvendige reaktortemperaturen ville være minst 50.000–100.000 K), og drivmidlet ville bli gjennomsiktig; som et resultat, vil mesteparten av varmen bli absorbert av kammerveggene. Dette vil utelukke bruken av en kjernefysisk termisk rakett med denne høyden av en spesifikk impuls, med mindre noen andre metoder for såing eller varmeoverføring til drivmidlet er funnet.

Kontroll

Kontroll kan oppnås ved å enten endre den relative eller totale tettheten til spaltbart drivstoff og drivmiddel eller ved å ha ytre kontrolldrev som beveger nøytronabsorberende trommer eller den radielle moderatoren.

Åpen syklus kontra lukket syklus

Det er to hovedvariasjoner av gasskjerne-reaktorraketten: åpen syklusutforming , som ikke inneholder drivstoffet i et fartøy, og utforminger med lukket syklus , som inneholder gassreaksjonskjernen i en solid struktur.

Design av åpen syklus

Diagram over en åpen syklus gasskjernereaktorrakett.

Ulempen med den åpne syklusen er at drivstoffet kan slippe ut med arbeidsfluidet gjennom dysen før det når betydelige forbrenningsnivåer. Dermed kreves det å finne en måte å begrense tapet av drivstoff for åpen syklusutforming. Med mindre en ytre kraft er avhengig av (dvs. magnetiske krefter, rakettakselerasjon), er den eneste måten å begrense drivstoff-drivmiddelblanding på, gjennom flytende hydrodynamikk . Et annet problem er at den radioaktive strømmen fra dysen gjør designen helt uegnet til bruk i jordas atmosfære.

Fordelen med åpen syklusutforming er at den kan oppnå mye høyere driftstemperaturer enn lukket syklusutforming, og ikke krever eksotiske materialer som trengs for en passende lukket syklusutforming.

Flow hydrodynamics i åpen syklus design

Formen på den spalte gasskjernen kan være sylindrisk , toroidal eller motstrøms toroidal . Siden det er problemer angående tap av spaltbart drivstoff med den sylindriske og toroidformede konstruksjonen, er motstrøms toroidal gasskjernegeometri den viktigste kilden til forskning. Motstrømningsmomentet er den mest lovende fordi den har best stabilitet og teoretisk forhindrer blanding av spaltbart drivstoff og drivmiddel mer effektivt enn de nevnte konsepter. Ved denne utforming holdes spaltbart drivstoff mest i en baseinjeksjonsstabilisert resirkulasjonsboble ved hydrodynamisk inneslutning. De fleste design benytter en sylindrisk gasskjernemur for enkel modellering. Tidligere kaldstrømningstester har imidlertid vist at hydrodynamisk inneslutning lettere oppnås med en sfærisk innvendig vegggeometri.

Dannelsen av brennstoffvirvel er kompleks. Det kommer i utgangspunktet ned til å flyte over en prosjektilform med en sløv base. Virvelen dannes ved å plassere en halvporøs vegg foran ønsket sted for drivstoffvirvelen, men etterlater rom langs sidene for hydrogendrivmiddel. Drivmiddel pumpes deretter inne i reaktorhulrommet langs et ringformet innløpsområde. En død plass utvikler seg deretter bak den halvporøse veggen; på grunn av tyktflytende og skjærende krefter, utvikler det seg en mot-toroidrotasjon. Når virvelen utvikler seg, kan sprøytbart drivstoff injiseres gjennom den halvporøse platen for å bringe reaktoren kritisk. Dannelsen og plasseringen av drivstoffvirvelen avhenger nå av mengden fissilt brensel som bløder inn i systemet gjennom den halvporøse veggen. Når mer drivstoff blør inn i systemet gjennom veggen, beveger virvelen seg lenger nedstrøms. Når mindre blør gjennom, beveger virvelen seg lenger oppstrøms. Selvfølgelig er det oppstrøms sted begrenset av plasseringen av den semi- porøse vegg.

Lukket syklus design

Diagram over en " kjernefysisk lyspære " - stil gasskjerne-reaktorrakett med lukket syklus.

Den lukkede syklusen er fordelaktig fordi konstruksjonen praktisk talt eliminerer tap av drivstoff, men nødvendigheten av en fysisk vegg mellom drivstoffet og drivmidlet fører til hindring for å finne et materiale med ekstremt optimaliserte egenskaper. Man må finne et medium som er gjennomsiktig for et bredt spekter av gamenergier, men som tåler strålingsmiljøet som er til stede i reaktoren, spesielt partikkelbombardement fra de nærliggende fisjonreaksjonene. Denne sperren av partikler kan føre til sputtering og eventuell erosjon av vegger.

Én rakettdesign med lukket syklus (ofte kalt kjernefysiske lyspære ) inneholder fisjoneringsgassen i et kvartsinnhegning som er atskilt fra drivmidlet. For det første løper hydrogenkjølevæsken gjennom dysen og inne i veggene i kvartshuset for avkjøling. Deretter kjøres kjølevæsken langs utsiden av kvartsens brennstoffskap. Siden spaltegassen vil være direkte i kontakt med veggene, er driftstemperaturen ikke så stor som andre konstruksjoner fordi veggene til slutt vil forsvinne.

Magnetisk innesperring

Utelukket en ekstern kraft, er hydrodynamisk inneslutning den eneste måten å øke oppholdstiden for drivstoffet i reaktoren. Man kan imidlertid spørre hvorfor sperre en ytre kraft, ikke kan magnetisk innesperring fordi brenselet ville være sterkt ionisert (tre eller fire ganger ionisert) mens drivmidlet bare er delvis ionisert? For å svare på dette spørsmålet må man forstå litt om magnetisk plasmainneslutning. Nøkkelparameteren av interesse for magnetisk innesperring er forholdet mellom kinetisk trykk og magnetisk trykk , β.

Når β <1 magnetisk innesperring er mulig (de fleste fusjonsordninger har en ß nær 0,05). Imidlertid er trykket i en gasskjerne-rakett mye høyere enn trykket i fusjonsinnretninger, omtrent 1000 atm (100 MPa ). For disse trykkene er den nødvendige magnetiske feltstyrken som er nær 16 teslas bare for å produsere β = 1. For et magnetfelt av denne størrelsesorden er superledende teknologi nødvendig, og den tilførte massen til et slikt system vil være skadelig. Selv med en ß <1 vil motstandsdiffusjon også føre til at brenselkjernen kollapser nesten umiddelbart med mindre ß << 1, noe som vil kreve et enda større magnetfelt.

Fordi drivmidlet og drivstoffet kan ha samme trykk, kan et magnetfelt imidlertid beholde drivstoffet bare ved å hindre konvektiv blanding med drivmidlet, og vil ikke spille noen rolle i å opprettholde trykket i reaktorkammeret: Trykket til drivstoffet er ikke relevant for en beregning av β. Fordi situasjonen er helt ulik situasjonen for inneslutning av et fusjonsplasma i vakuum, må den nødvendige styrken til et magnetfelt for opprettholdelse av fisjoneringsbrensel estimeres basert på magnetohydrodynamiske betraktninger (spesielt undertrykkelse av turbulent blanding).

Effekten av rakettakselerasjonen

Et annet viktig aspekt for GCR er virkningen av rakettakselerasjonen på inneslutningen av drivstoffet i drivstoffboblen. En rakettakselerasjon på bare 0,001 g (10 mm / s²) vil føre til at oppdriftseffekter reduserer kjerneinneslutningen med 35% hvis alle andre strømningshastigheter holdes konstant fra en null g oppstart. Til syvende og sist må drivstoffstrømmene strømmer inntil raketten nærmer seg en slags stabil tilstand.

Nøytroniske betraktninger

Siden bratte temperaturgradienter vil være til stede i enhver slik gasskjerne-reaktor, må flere implikasjoner for nøytronikk vurderes. Den åpne syklus gasskjerne-reaktoren (OCGCR) er typisk en termisk / epithermal reaktor. De fleste typer OCGCR krever ekstern moderering på grunn av de bratte temperaturgradientene inne i den gassformige kjernen. Nøytroner født i drivstoffregionen reiser relativt uhindret til den eksterne moderatoren, hvor noen termiseres og sendes tilbake i gasskjerne. På grunn av de høye kjernetemperaturene er nøytronene imidlertid spredt i drivstoffregionen på tur / retur, noe som fører til en betydelig negativ reaktorverdi. For å oppnå kritisitet blir denne reaktoren betjent ved veldig høyt trykk, og den ytre radiale vegg består av en moderator av et eller annet slag, generelt berylliumoksyd. Moderering kan også komme fra å introdusere modererende partikler i enten drivstoff- eller drivstrømmene, men ved å gjøre det avlyses fordelene ved nøytronikk ved tap av rakettytelse.

Teknologisammendrag og utsikter

Gasskjernraketten med åpen syklus har mange unike designegenskaper som gjør den til en seriøs utfordrer til annen foreslått fremdrift for interplanetære oppdrag. På grunn av nødvendigheten av å ha en gjennomsiktig vegg inne i reaktoren for et lukket sykluskonsept, blir fordelen ved å flytte til en gasskjerne fra en solid kjerne nesten negert. Den høye spesifikke impulsen og den store muligheten for OCGCR tilsvarer kortere oppdragstid og større nyttelastfraksjoner. Imidlertid er de tekniske utfordringene og ukjentene som ligger i utformingen, mange. I tillegg vil en hvilken som helst test av systemet utført på jorden være under et tyngdekraftfelt på 1 g , noe som vil gi oppdriftseffekter i spill i den gassformige kjernen.

På grunn av manglende evne til å utføre live testing på jorden, er forskningen hovedsakelig fokusert på beregningsmodellering av et slikt system. Det ble tidligere nevnt at den spesifikke impulsen kunne være så høy som eller høyere enn 3000 s. Imidlertid peker resultatene fra beregningsmodellering mot dette tallet noe optimistisk. Da termisk hydraulikk ble modellert mer fullstendig for en typisk baseinjeksjonsstabilisert resirkulasjonsboble-gasskjerne rakett av D. Poston, falt den spesifikke impulsen fra> 3000 s til <1500 s. I basisinjeksjonsstabilisert resirkuleringsboble-gasskjerne rakettkonsept antas det at en eller annen tilleggsmetode for inntak av drivstoff vil være fordelaktig. Som tidligere nevnt er det ennå ikke praktisk å stole helt på magnetisk inneslutning av drivstoffboblen. Imidlertid kan et magnetfelt være i stand til å hjelpe i inneslutning eller bidra til å undertrykke turbulens som vil føre til blanding av drivstoff-drivmiddel.

De primære områdene for fremtidig forskning for en slik OCGCR vil derfor være sentrert om å hindre drivstoff og drivmiddel fra å blande så mye som mulig. Selv om denne artikkelen har fokusert på anriket uran for drivstoff og hydrogen for drivstoffet, er det ikke sikkert at dette er det optimale valget for noen. Andre drivstoff, så som plutonium, og andre drivmidler, inkludert helium eller helium-3, har også blitt vurdert og gir i visse situasjoner fordeler.

Se også

• Gassformet fisjon reaktor
• Fremdrift av romfartøy
• Kjernelyspære
• Kjernemateriale
• Atomfysikk
• Prosjekt Orion
• Fremdrift av kjernefysisk puls
• Discovery One

referanser

Eksterne linker

• Åpning av Next Frontier av Anthony Tate, arkivkopi av nettstedet atomspace.com
• Et sammendrag av generasjon IV ikke-klassiske kjernefysiske systemer // Generasjon IV veikart sesjon II, ANS vintermøte Reno, NV, 13. november 2001