Ракета-реактор с газовым сердечником - Gas core reactor rocket

Ракеты реакторов с газовым сердечником представляют собой концептуальный тип ракеты, которая приводится в движение отработанным теплоносителем газовый реактор деления. Активная зона ядерного реактора деления может быть либо газ или же плазма. Они могут создавать удельные импульсы 3000–5000 с (от 30 до 50 кН · с / кг, эффективная скорость выхлопа от 30 до 50 км / с) и толкать чего достаточно для относительно быстрого межпланетный путешествовать. Теплопередача к рабочая жидкость (пропеллент ) является по тепловое излучение, в основном в ультрафиолетовый, испускаемый деление газ при рабочей температуре около 25000 ° C.

Теория Операции

Ракеты с ядерными реакторами с газовой активной зоной могут обеспечивать гораздо более высокий удельный импульс, чем ракеты с твердым сердечником, поскольку их температурные ограничения находятся в пределах сопло и структурные температуры стенок активной зоны, которые удалены от наиболее горячих областей газового ядра. Следовательно, реакторы с активной зоной ядерного газа могут обеспечивать гораздо более высокие температуры пропеллент. Твердые ядерные тепловые ракеты могут развивать более высокий удельный импульс, чем обычные химические ракеты, из-за низкого молекулярного веса водородного топлива, но их рабочие температуры ограничены максимальной температурой твердой активной зоны, потому что температуры реактора не могут подниматься выше самых низких таяние температура.

Из-за гораздо более высоких температур, достигаемых конструкцией газового сердечника, он может обеспечивать более высокий удельный импульс и тягу, чем большинство других традиционных ядерных конструкций. Это приводит к сокращению времени прохождения миссии для будущих астронавтов или увеличению доли полезной нагрузки. Также возможно использование частично ионизированной плазмы из газового ядра для выработки электроэнергии. магнитогидродинамически, что впоследствии исключает необходимость в дополнительном источнике питания.

Общие характеристики ядерного реактора

Все конструкции реакторов с газовым сердечником имеют несколько общих свойств активной зоны ядерных реакторов, и в большинстве конструкций используются одни и те же материалы. Наиболее близкой к наземной концепции дизайна является газовый реактор деления.

Ядерное топливо

В делящийся топливо обычно очень обогащенный уран таблетки или урансодержащий газ (U-235 или же U-233 ). Иногда тетрафторид урана требуется из-за его химической стабильности; пропеллент обычно водород.

Нейтронный замедлитель

Большинство реакторов с газовой активной зоной окружены радиальный первая стена, способная принять на себя основной удар экстремальной среды, присутствующей внутри активной зоны, оболочка, работающая под давлением, чтобы удерживать все вместе, и радиальный замедлитель нейтронов обычно состоит из оксид бериллия. Пропеллент также обеспечивает замедление.

Теплоноситель реактора / Ракетное топливо

Водородное топливо охлаждает реактор и его различные конструктивные части. Водород сначала прокачивается через сопло, затем через стенки и обратно вниз через область сердечника. Как только он проходит через область ядра, водород истощается. Если охлаждения от топлива недостаточно, внешний радиаторы необходимы. Температуры внутреннего газового ядра в большинстве конструкций различаются, но конструкции с самыми высокими удельными импульсами обычно имеют плазму делящегося газа, нагревающую топливо с малой массой. Этот нагрев происходит в основном за счет излучения.

Теплопередача

При высоких температурах тепло передается преимущественно тепловое излучение (скорее, чем теплопроводность ). Однако газообразный водород, используемый в качестве топлива, почти полностью прозрачен для этого излучения. Поэтому в большинстве концепций ракетных реакторов с газовой активной зоной посев метательного пороха непрозрачными твердыми или жидкими частицами считается необходимым. Естественным выбором могут быть частицы углерода [сажи] (которая очень непрозрачна и остается твердой до 3915 К, точки сублимации); однако углерод химически нестабилен в богатой водородом среде при высоких температурах и давлениях. Таким образом, вместо углерода, частицы пыли или жидкие капли материала, такого как вольфрам (точка плавления 3695 K, точка кипения 6203 K) или карбид тантала гафния (точка плавления 4263 K, точка кипения неизвестно более высокая температура) являются предпочтительными. Эти частицы будут составлять до 4% массы выхлопного газа, что значительно повысит стоимость топлива и немного снизит удельный импульс ракеты.

Однако при температурах, необходимых для достижения удельного импульса 5000–7000 с, ни твердый, ни жидкий материал не выживет (требуемая температура реактора будет не менее 50–100000 К), и пропеллент станет прозрачным; в результате большая часть тепла будет поглощаться стенками камеры. Это исключило бы использование ядерной тепловой ракеты с таким высоким удельным импульсом, если не будут найдены какие-либо другие средства затравки или передачи тепла топливу.

Контроль

Управление может осуществляться либо путем изменения относительной или общей плотности делящегося топлива и пороха, либо за счет перемещения приводов внешнего управления. нейтрон поглощающие барабаны или радиальный замедлитель.

Открытый цикл против замкнутого цикла

Существует два основных варианта реактора с газовым сердечником: открытый цикл конструкции, не содержащие топлива внутри сосуда, и замкнутый цикл конструкции, которые содержат ядро газовой реакции внутри твердой конструкции.

Конструкции открытого цикла

Схема ракеты-носителя открытого цикла с газовой активной зоной.

Недостатком открытого цикла является то, что топливо может улетучиться вместе с рабочей жидкостью через сопло до того, как достигнет значительного уровня выгорания. Таким образом, для конструкций с открытым циклом требуется найти способ ограничить потери топлива. Если не полагаться на внешнюю силу (например, магнитные силы, ускорение ракеты), единственный способ ограничить смешивание топлива с ракетным топливом - это поток гидродинамика. Другая проблема состоит в том, что радиоактивный поток из сопла делает конструкцию совершенно непригодной для работы в атмосфере Земли.

Преимущество конструкции с открытым циклом состоит в том, что она может достигать гораздо более высоких рабочих температур, чем конструкция с замкнутым циклом, и не требует экзотических материалов, необходимых для подходящей конструкции с замкнутым циклом.

Гидродинамика потока в конструкциях открытого цикла

Форма ядра делящегося газа может быть либо цилиндрический, тороидальный, или же противоточный тороидальный. Поскольку существуют проблемы, связанные с потерями делящегося топлива при цилиндрической и тороидальной конструкции, геометрия противоточного тороидального газового сердечника является основным источником исследований. Противоточный тороид является наиболее перспективным, поскольку он имеет лучшую стабильность и теоретически предотвращает смешение делящегося топлива и ракетного топлива более эффективно, чем вышеупомянутые концепции. В этой конструкции делящееся топливо удерживается в основном в рециркуляционном пузыре, стабилизированном базовым впрыском, за счет гидродинамического удержания. В большинстве конструкций для простоты моделирования используется цилиндрическая стенка с газовым сердечником. Однако предыдущие испытания на холодную текучесть показали, что гидродинамическое удержание легче достичь с помощью конструкции со сферической геометрией внутренней стенки.

Формирование топлива вихрь сложный. В основном это сводится к обтеканию формы снаряда с тупым основанием. Вихрь образуется путем помещения полупористой стенки перед желаемым местом вихря топлива, но оставляет пространство по бокам для водородного топлива. Затем пропеллент закачивается внутрь полости реактора по кольцевой входной области. Затем за полупористой стеной образуется мертвое пространство; из-за вязкий и срезать сил, возникает встречное тороидальное вращение. Как только вихрь разовьется, делящееся топливо может быть введено через полупористую пластину, что приведет к критическому состоянию реактора. Формирование и расположение топливного вихря теперь зависит от количества делящегося топлива, которое просачивается в систему через полупористую стенку. Когда через стенку в систему попадает больше топлива, вихрь перемещается дальше по потоку. Когда просачивается меньше, вихрь движется дальше вверх по потоку. Конечно, расположение выше по потоку ограничено размещением полуцилиндра.пористый стена.

Конструкции замкнутого цикла

Схема "ядерная лампочка «Ракета-реактор с замкнутым циклом с газовой активной зоной.

Замкнутый цикл выгоден тем, что его конструкция практически исключает потерю топлива, но необходимость физической стены между топливом и ракетным топливом создает препятствие для поиска материала с чрезвычайно оптимизированными характеристиками. Необходимо найти среду, прозрачную для широкого диапазона гамма-энергий, но способную выдержать радиация окружающая среда, присутствующая в реакторе, в частности, бомбардировка частицами из близлежащих реакций деления. Этот поток частиц может привести к распыление и возможная эрозия стен.

Одна конструкция ракеты с газовым сердечником замкнутого цикла (часто называемая ядерная лампочка ) содержит делящийся газ в кварц корпус, отдельный от пороха. Сначала водородный хладагент проходит через сопло и внутрь стенок кварцевого корпуса для охлаждения. Затем охлаждающая жидкость проходит по внешней стороне кварцевого кожуха для топлива. Поскольку делящийся газ будет непосредственно контактировать со стенками, рабочая температура не так высока, как в других конструкциях, потому что стенки в конечном итоге будут удалять прочь.

Магнитное удержание

За исключением внешних сил, гидродинамическое удержание - единственный способ увеличить время пребывания топлива в реакторе. Тем не менее, можно спросить, почему, несмотря на внешнюю силу, нельзя использовать магнитное удержание, поскольку топливо было бы сильно ионизированный (трех или четырехкратная ионизация), в то время как топливо ионизировано только частично? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно немного разобраться в магнитном удержании плазмы. Ключевым параметром, представляющим интерес для магнитного удержания, является отношение кинетическое давление к магнитное давление, β.

Когда β <1 возможно магнитное удержание (большинство слияние схемы имеют β, близкое к 0,05). Однако давление в ракете с газовым сердечником намного выше, чем в термоядерных устройствах, примерно 1000 банкомат (100 МПа ). Для этих давлений необходимая необходимая напряженность магнитного поля близка к 16 теслас просто чтобы получить β = 1. Для магнитного поля этого величина, сверхпроводящий технология необходима, а добавленная масса такой системы была бы вредна. Кроме того, даже при β <1 резистивная диффузия вызовет почти мгновенное схлопывание топливного сердечника, если β << 1, что потребует еще большего магнитного поля.

Однако, поскольку пропеллент и топливо могут находиться под одинаковым давлением, магнитное поле может удерживать топливо, просто препятствуя конвективному смешиванию с пропеллентом, и не играет никакой роли в поддержании давления в камере реактора: давление топлива не относится к расчету β. Поскольку ситуация совершенно не похожа на ситуацию удержания термоядерной плазмы в вакууме, необходимая напряженность магнитного поля для удержания топлива деления должна быть оценена на основе магнитогидродинамических соображений (в частности, подавления турбулентного перемешивания).

Воздействие ускорения ракеты

Еще один важный аспект ГКЛ - влияние ускорения ракеты на удержание топлива в топливном пузыре. Ускорение ракеты всего 0,001 грамм (10 мм / с²) вызовет плавучесть эффекты, чтобы уменьшить защитную оболочку активной зоны на 35%, если все другие скорости потока поддерживаются постоянными с момента запуска при нулевом ускорении. В конце концов, потоки топлива и топлива придется дросселировать до тех пор, пока ракета не приблизится к некоему устойчивому состоянию.

Нейтронные соображения

Поскольку в любом таком реакторе с газовой активной зоной будут присутствовать крутые температурные градиенты, необходимо учитывать несколько последствий для нейтроники. Реактор с газовой активной зоной открытого цикла (OCGCR) обычно представляет собой термический / надтепловой реактор. Для большинства типов OCGCR требуется внешнее замедление из-за резких градиентов температуры внутри газового ядра. Нейтроны, рожденные в области топлива, относительно беспрепятственно проходят к внешнему замедлителю, где некоторые из них термализуются и отправляются обратно в газовую зону. Однако из-за высоких температур активной зоны на обратном пути нейтроны рассеиваются вверх в области топлива, что приводит к значительному отрицательному значению реактора. Для достижения критичности этот реактор работает при очень высоком давлении, а внешняя радиальная стенка состоит из какого-то замедлителя, обычно оксида бериллия. Умерение также может происходить из-за введения замедляющих частиц в потоки топлива или ракетного топлива, но при этом преимущества нейтронной электроники сводятся на нет из-за потери характеристик ракеты.

Краткое описание технологии и перспективы

Ракета открытого цикла с газовым сердечником имеет множество уникальных конструктивных особенностей, которые делают ее серьезным конкурентом другим предлагаемым двигательным установкам для межпланетных миссий. Из-за необходимости иметь прозрачный Стенка внутри реактора для концепции замкнутого цикла, преимущество перехода к газовой активной зоне из твердой активной зоны практически сводится на нет. Высокий удельный импульс и большая тяга, возможные для OCGCR, соответствуют более короткому времени полета и более высокой доле полезной нагрузки. Однако его конструкция связана с множеством технических проблем и неизвестных факторов. Кроме того, любое испытание системы, выполненное на Земле, будет проходить под гравитационным полем 1 грамм, что могло бы задействовать эффекты плавучести внутри газового ядра.

Из-за невозможности провести живое тестирование на Земле исследования сосредоточены в первую очередь на вычислительном моделировании такой системы. Ранее упоминалось, что удельный импульс может достигать 3000 с или превышать его. Однако результаты компьютерного моделирования указывают на то, что это число несколько оптимистично. При более полном моделировании теплогидравлики для типичной ракеты с рециркуляционным газовым сердечником со стабилизированным впрыском и рециркуляцией, выполненной Д. Постоном, удельный импульс упал с> 3000 с до <1500 с. Предполагается, что в концепции ракеты со стабилизированным впрыском и рециркуляционным газовым сердечником со стабилизированной системой впрыска топлива будет полезен некоторый дополнительный метод удержания топлива. Как упоминалось ранее, полностью полагаться на магнитное удержание топливного пузыря еще нецелесообразно. Однако магнитное поле может способствовать сдерживанию или подавлению турбулентности, которая может привести к смешиванию топлива с ракетным топливом.

Таким образом, основные направления будущих исследований такого OCGCR будут сосредоточены на максимально возможном предотвращении смешивания топлива и пороха. Хотя в этой статье основное внимание уделяется обогащенному урану в качестве топлива и водороду для топлива, это не может быть оптимальным выбором ни для одного другого. Другие виды топлива, такие как плутоний, и другие пропелленты, включая гелий или даже гелий-3, также рассматривались и в определенных ситуациях дают преимущества.

Смотрите также

внешняя ссылка

Открытие нового рубежа Энтони Тейт, архивная копия веб-сайта nuclearspace.com
Краткое описание неклассических ядерных систем поколения IV // Дорожная карта поколения IV Сессия II, Зимняя встреча ANS Рино, Невада, 13 ноября 2001 г.