Impulsowa nuklearna rakieta termiczna

Nie mylić z napędem impulsowym jądrowym .

Sekwencja manewru stacjonarny-impuls-stacjonarny dla impulsowej termicznej rakiety nuklearnej. W trybie postojowym (praca ze stałą mocą nominalną) temperatura paliwa jest zawsze stała (czarna linia ciągła), a paliwo jest zimne (niebieskie linie przerywane), podgrzewane w komorze i usuwane w dyszy (czerwona linia przerywana). Gdy wymagane jest wzmocnienie ciągu lub określonego impulsu , rdzeń jądrowy jest „włączany” w tryb pulsacyjny. W tym trybie paliwo jest stale gaszone i natychmiastowo regenerowane przez impulsy. Gdy nie są już wymagane wysokie wymagania dotyczące ciągu i impulsu właściwego, rdzeń jądrowy zostaje „włączony” do początkowego trybu stacjonarnego.

Pulsacyjna nuklearna rakieta termiczna to rodzaj koncepcji nuklearnej rakiety termicznej (NTR) opracowanej na Politechnice w Katalonii w Hiszpanii i zaprezentowanej podczas konferencji AIAA /SAE/ASEE Propulsion Conference w 2016 r. w zakresie wzmocnienia ciągu i impulsu właściwego ( I _sp ) w konwencjonalna nuklearna rakieta termiczna.

Pulsacyjna nuklearna rakieta cieplna jest rakietą bimodalną, która może pracować w trybie stacjonarnym (ze stałą mocą nominalną jak w konwencjonalnym NTR) oraz w trybie pulsacyjnym jako reaktor typu TRIGA, umożliwiając wytwarzanie dużej mocy i intensywny strumień neutronów w krótkich odstępach czasu. W przeciwieństwie do reaktorów jądrowych, w których prędkość chłodziwa nie jest większa niż kilka metrów na sekundę, a zatem typowy czas przebywania wynosi sekundy, jednak w komorach rakietowych, w których prędkość paliwa poddźwiękowego wynosi około setek metrów na sekundę, czas przebywania jest wokół ${\ displaystyle 10 ^ {-2} s}$ do: ${\ displaystyle 10 ^ {-3} s},$ a następnie długi impuls mocy przekłada się na znaczny przyrost energii w porównaniu ze stacjonarnym tryb. Energia uzyskana w wyniku pulsowania rdzenia jądrowego może zostać wykorzystana do wzmocnienia ciągu poprzez zwiększenie przepływu masowego paliwa lub wykorzystanie intensywnego strumienia neutronów do wytworzenia bardzo wysokiego wzmocnienia impulsu właściwego – nawet wyższego niż w przypadku rakiety rozszczepialnej , w którym w rakiecie pulsacyjnej końcowa temperatura paliwa jest ograniczona jedynie przez chłodzenie radiacyjne po pulsacji.

Oświadczenie koncepcji

Przybliżone obliczenia zysku energii przy użyciu impulsowej termicznej rakiety jądrowej w porównaniu z konwencjonalnym trybem stacjonarnym są następujące. Energia zmagazynowana w paliwie po pulsacji to ciepło jawne zmagazynowane w wyniku wzrostu temperatury paliwa. Energię tę można zapisać jako

${\ Displaystyle E _ {\ tekst {impuls}} = c_ {f} M_ {f} \ Delta T}$

Gdzie:

${impuls}}}$ to ciepło jawne zmagazynowane po pulsacji,

$}}$ masa paliwa,

pojemność cieplna paliwa , $} }$

${\ displaystyle c_ {f$

to wzrost temperatury pomiędzy $pulsacjami$

Natomiast energię wytwarzaną w trybie stacjonarnym, czyli gdy rdzeń jądrowy pracuje przy nominalnej stałej mocy, wyrażamy wzorem

${\ displaystyle E _ {\ tekst {stacjonarny}} = \ chi _ {l} lt}$

Gdzie:

${$ moc liniowa paliwa (moc na długość paliwa), to

to czas l $}$ paliwa w komorze.

$l$ paliwa,

Również w przypadku cylindrycznej geometrii paliwa jądrowego mamy

${\ Displaystyle M_ {f} = \ pi R_ {f} ^ {2} l \ rho _ {f}}$

i moc liniowa podana przez

${\ Displaystyle \ chi _ {l} = 4 \ pi \ kappa _ {f} (T_ {f} -T_ {s})}$

Gdzie:

$,$ cylindrycznego paliwa, gęstość

${f}}$ , displaystyle \ kappa paliwa

$\$ przewodność cieplna paliwa κ

${\ displaystyle T_ {f}} to temperatura$ na linii środkowej,

${\ displaystyle T_ {s}}$ to temperatura powierzchni lub płaszcza.

Dlatego stosunek energii między trybem impulsowym a trybem stacjonarnym, ${\ displaystyle N = {\ frac {E _ {\ tekst {impuls}}} {E _ {\ tekst {stacjonarny}}}}}$ plony

${\ Displaystyle N = {\ Frac {c_ {f} \ rho _ {f} R_ {f} ^ { 2}}{4\pi \kappa _{f}(T_{f}-T_{s})}}\left[{\frac {\Delta T}{t}}\right]}$

Gdzie termin w $_$ _

Typowe średnie wartości parametrów powszechnych paliw jądrowych , takich jak paliwo MOX lub dwutlenek uranu, to: pojemność cieplna, przewodność cieplna i gęstości około do $\ displaystyle c_ {f} \ simeq 300J/ (mol\cdot K)}$ , ${\ Displaystyle \ kappa _ {f} \ simeq 6 W / (K \ cdot m ^ {2})}$ i $/ (m ^ {3})}$${\ Displaystyle \ rho _ {f} \ simeq 10 ^$$spadku$ o temperatury między linią środkową a okładziną na ${\ Displaystyle \ chi _ {l} \ simeq 45000 W / m$ ≃ $45000$ . Przy tych wartościach przyrost energii jest w przybliżeniu określony wzorem:

${\ Displaystyle N \ simeq 6 \ razy 10 ^ {-3} \ lewo [{\ Frac {\ Delta T} {t}} \ prawo]}$

gdzie ${\ Displaystyle \ lewo [{\ Frac {\ Delta T} {t}} \ prawo]}$ jest podane w ${\ displaystyle K / s}$ . Ponieważ czas przebywania paliwa w komorze wynosi $} s}, biorąc$ 10 $\ displaystyle$ uwagę prędkości poddźwiękowe paliwa setki metrów na sekundę i metrowe komory, a zatem przy włączonych różnicach temperatur ${\ Displaystyle \ Delta T \ simeq 10 ^ {3} K}$ lub szybkości wygaszania na ${\ Displaystyle \ lewo [{\ Frac {\ Delta T} Wzmocnienie energii {t}}\right]\simeq 10^{6}K/s}$ poprzez pulsowanie rdzenia może być tysiące razy większe niż w trybie stacjonarnym. Bardziej rygorystyczne obliczenia uwzględniające teorię przejściowego przenoszenia ciepła pokazują zyski energii około setki lub tysiące razy, tj. ${\ Displaystyle 10 ^ {2} \ równoważnik N \ równoważnik 10 ^ {3}$ }

Szybkości hartowania na ${\ Displaystyle \ lewo [{\ Frac {\ Delta T} {t}} \ prawo] \ geq 10 ^ {6} K / s} są$ typowe w technologia produkcji metalu amorficznego niezwykle szybkie chłodzenie rzędu ${\ Displaystyle 10 ^ {6} K / s \ równoważnik \ lewo [{\ Frac {\ Delta T} {t}} \ prawo] \ równoważnik 10 ^ {7} K / s} są wymagane$ .

Bezpośrednie wzmocnienie ciągu

Najbardziej bezpośrednim sposobem wykorzystania wzmocnionej energii poprzez pulsowanie rdzenia jądrowego jest zwiększenie ciągu poprzez zwiększenie przepływu masowego paliwa.

Zwiększenie ciągu w trybie stacjonarnym, gdzie moc jest ustalona przez ograniczenia termodynamiczne, jest możliwe jedynie poprzez poświęcenie prędkości spalin. W rzeczywistości moc jest nadawana przez

${\ Displaystyle P = {\ Frac {1} {2}} Fv _ {\ tekst {e}}}$

gdzie to $moc$$.$$_$ ciąg spalin Z drugiej strony ciąg jest podawany przez

${\ Displaystyle F = {\ kropka {m}} _ {\ tekst {p}} v _ {\ tekst {e}}}$

gdzie $. Tak więc, jeśli pożądane jest zwiększenie ciągu, powiedzmy$ przepływem ${\ displaystyle n ^ {2}$ -krotnie w trybie stacjonarnym, konieczne będzie zwiększenie masowego przepływu paliwa i zmniejszenie $} \ displaystyle {\ frac {1} {n}}}$ -krotność prędkości spalin. Jednakże jeśli rdzeń jądrowy jest pulsowany, ciąg może zostać wzmocniony $n$ poprzez wzmocnienie mocy $-razy$ i masowy przepływ paliwa pędnego $i$ utrzymując stałą prędkość spalin.

Wzmocnienie sp _{_}

Koncepcja impulsowego ogniwa elementarnego rakiety termojądrowej do wzmocnienia I _sp . W tym ogniwie wodór jest podgrzewany przez ciągłe, intensywne impulsy neutronowe w kanałach paliwa. Jednocześnie niepożądana energia z fragmentów rozszczepienia jest usuwana za pomocą pojedynczego kanału chłodzącego za pomocą litu lub innego ciekłego metalu.

Pierwszą kwestią jest osiągnięcie dużej prędkości spalin lub impulsu właściwego ( I _{sp ).} Najbardziej ogólne wyrażenie dla I _sp jest podane przez

${\ Displaystyle I _ {\ tekst {sp}} \ simeq c {\ sqrt {T}}}$

jest $ekspansją$ i temperaturą paliwa $.$$.$ temperatura paliwa jest bezpośrednio $powiązana$ energią , gdzie Boltzmanna Zatem,

${\ displaystyle ja _ {\ tekst {sp}} \ simeq c' {\ sqrt {E}}}$

jest $_$ _

$stacjonarnym$ NTR energia do ogrzewania paliwa pochodzi prawie z fragmentów rozszczepienia, które obejmują prawie 95% całkowitej , oraz frakcji energii $. tekst{n}}}$ neutronów wynosi tylko około 5%, a zatem w porównaniu jest prawie nieistotny. Jeśli jednak rdzeń jądrowy jest pulsowany jest w stanie wyprodukować razy więcej energii niż w trybie $stacjonarnym$ , a następnie ułamek szybkich neutronów lub ${\ displaystyle f _ {\ tekst {n}} N}$ może być równe lub większe niż całkowita energia w trybie stacjonarnym. Ponieważ szybkie neutrony powstałe w wyniku rozszczepienia mają bardzo wysoką temperaturę neutronów (średnio 2 MeV lub 20 000 km/s), są w stanie wymieniać bardzo duże ilości energii kinetycznej . Neutrony znacznie łatwiej wymieniają energię kinetyczną z nukleonami o podobnej masie, więc paliwo o małej masie molowej może wchłonąć większość tej energii, podczas gdy ciężkie atomy w paliwie pozostają w większości niezmienione. Pozwala to na uzyskanie temperatur paliwa wyższych niż w paliwie, potencjalnie o rzędy wielkości, umożliwiając I _{spędzenie znacznie wykraczające poza to, do czego} zdolna jest standardowa nuklearna rakieta termiczna .

Podsumowując, jeśli impuls generuje razy więcej energii niż tryb stacjonarny, wzmocnienie I _sp jest wyrażone przez ${\ displaystyle N}$

${\ Displaystyle I _ {\ tekst {sp}} \ simeq I _ {\ tekst {sp, o}} {\ sqrt {f _ {\ tekst {n}} N +1 }}}$

Gdzie:

${\ displaystyle I _ {\ tekst {sp}}}$ to wzmocniony impuls właściwy,

${\ displaystyle I _ {\ tekst {sp, o}}}$ specyficzny impuls w trybie stacjonarnym,

$}}}$ ułamek szybkich neutronów, wzmocnienie energii poprzez

${\ displaystyle f _ {\ tekst {$

$pulsowanie$ rdzenia jądrowego.

Z wartościami $displaystyle$ 10 $10 ^ {2}}$ do ${\ displaystyle 10 ^ {3}}$ i podpowiedzią frakcji neutronów wokół $} \ simeq {\ frac {1} {20}}}$${\ displaystyle f _ {\ tekst$$czyni$ , , hipotetyczne możliwe wzmocnienie tę koncepcję szczególnie interesującą w przypadku międzyplanetarnych lotów kosmicznych .

Zalety projektu

Istnieje kilka zalet w porównaniu z konwencjonalnymi stacjonarnymi konstrukcjami NTR. Ponieważ energia neutronów jest transportowana jako energia kinetyczna z paliwa do paliwa, wówczas możliwy jest materiał pędny gorętszy niż paliwo, w związku z czym temperatura nie $.$ ograniczona do maksymalnej dopuszczalna przez paliwo, czyli jego temperatura topnienia.

Inną koncepcją rakiety jądrowej, która pozwala na użycie paliwa gorętszego niż paliwo, jest rakieta rozszczepialna . Ponieważ bezpośrednio wykorzystuje fragmenty rozszczepienia jako paliwo, może również uzyskać bardzo wysoki impuls właściwy.

Inne względy

W przypadku $do$ tego celu wykorzystywana jest tylko energia z szybkich neutronów i część szybkiej Reszta energii, czyli prawie ${\ displaystyle 95 \%}$ z fragmentów rozszczepienia stanowi niepożądaną energię i musi być stale odprowadzana przez pomocniczy system odprowadzania ciepła przy użyciu odpowiedniego chłodziwa. Ciekłe metale, a zwłaszcza lit, mogą zapewnić wymaganą szybkość hartowania. Jednym z aspektów, które należy wziąć pod uwagę, jest duża ilość energii, która musi zostać odprowadzona w postaci ciepła resztkowego (prawie 95% całkowitej energii). Oznacza to dużą dedykowaną powierzchnię wymiany ciepła.

Jeśli chodzi o mechanizm pulsowania rdzenia, tryb pulsacyjny można wytworzyć przy użyciu różnych konfiguracji, w zależności od pożądanej częstotliwości pulsacji. Na przykład zastosowanie standardowych drążków sterujących w konfiguracji pojedynczej lub złożonej z silnikowym mechanizmem napędowym lub zastosowanie standardowych pneumatycznych mechanizmów pulsacyjnych jest odpowiednie do generowania do 10 impulsów na minutę. Do wytwarzania impulsów z szybkością do 50 pulsacji na sekundę zastosowanie obrotowych kół wprowadzających na przemian truciznę neutronową i paliwo lub truciznę neutronową i truciznę nieneutronową może być brany pod uwagę. Jednakże w przypadku pulsacji rzędu tysięcy impulsów na sekundę (kHz), przerywacze optyczne lub nowoczesne koła wykorzystujące łożyska magnetyczne pozwalają na obrót z częstotliwością 10 kHz. Jeżeli pożądane są jeszcze szybsze pulsacje, konieczne byłoby zastosowanie nowego typu mechanizmu pulsującego, który nie wiąże się z ruchem mechanicznym, na przykład laserów (opartych na polaryzacji 3He) zaproponowanych wcześniej przez Bowmana lub wiązek protonów i neutronów. Prawdopodobnym wyborem są częstotliwości rzędu 1 kHz do 10 kHz.

Zobacz też

• Rakieta fragmentacyjna rozszczepiona