Rakieta z fragmentami rozszczepienia

Rakieta z fragmentami rozszczepienia to konstrukcja silnika rakietowego , który bezpośrednio wykorzystuje gorące produkty rozszczepienia jądrowego do napędzania , w przeciwieństwie do używania oddzielnego płynu jako masy roboczej . Projekt może teoretycznie generować bardzo wysoki impuls właściwy , a jednocześnie mieści się w granicach możliwości obecnych technologii.

Rozważania projektowe

W tradycyjnych jądrowych rakietach termicznych i powiązanych projektach energia jądrowa jest wytwarzana w jakiejś formie reaktora i wykorzystywana do podgrzewania płynu roboczego w celu wytworzenia ciągu. Ogranicza to projekty do temperatur, które pozwalają reaktorowi pozostać w całości, chociaż sprytny projekt może zwiększyć tę krytyczną temperaturę do dziesiątek tysięcy stopni. Sprawność silnika rakietowego jest silnie związana z temperaturą odprowadzanego płynu roboczego, aw przypadku najbardziej zaawansowanych silników gazowych odpowiada impulsowi właściwemu około 7000 s I _sp .

Temperatura konwencjonalnej konstrukcji reaktora to średnia temperatura paliwa, z którego zdecydowana większość nie reaguje w danym momencie. Atomy ulegające rozszczepieniu mają temperaturę milionów stopni, która jest następnie rozprowadzana do otaczającego paliwa, co daje ogólną temperaturę kilku tysięcy.

Fizycznie układając paliwo w bardzo cienkie warstwy lub cząstki, fragmenty reakcji jądrowej mogą wydostać się z powierzchni. Ponieważ zostaną zjonizowane z powodu wysokiej energii reakcji, można je następnie obsługiwać magnetycznie i kierować w celu wytworzenia ciągu. Wciąż jednak pozostaje wiele wyzwań technologicznych.

Badania

Obrotowy reaktor paliwowy

Koncepcja napędu fragmentów rozszczepienia a włókna rozszczepialne ułożone w dyski, b obracający się wał, c rdzeń reaktora, d fragmenty spalin

Projekt opracowany przez Idaho National Engineering Laboratory i Lawrence Livermore National Laboratory wykorzystuje paliwo umieszczone na powierzchni wielu bardzo cienkich włókien węglowych , ułożonych promieniście w kołach. Koła są zwykle podkrytyczne . Kilka takich kół zostało ułożonych w stos na wspólnym wale, aby wytworzyć jeden duży cylinder. Cały cylinder obracano tak, aby niektóre włókna zawsze znajdowały się w rdzeniu reaktora, gdzie otaczający moderator powodował, że włókna stawały się krytyczne. Fragmenty rozszczepienia na powierzchni włókien uwolniłyby się i zostałyby skierowane do pchnięcia. Włókno następnie obraca się ze strefy reakcji, aby ostygnąć, aby uniknąć stopienia.

Wydajność systemu jest zaskakująca; impulsy właściwe większe niż 100 000 są możliwe przy użyciu istniejących materiałów. To wysoka wydajność, chociaż ciężar rdzenia reaktora i innych elementów obniżyłby ogólną wydajność systemu rozszczepienia-fragmentu. Niemniej jednak system zapewnia poziom wydajności, który umożliwiłby międzygwiezdną misję prekursorską.

Zakurzona plazma

Reaktor z zakurzonym złożem plazmy A Fragmenty rozszczepienia wyrzucone w celu napędu B Reaktor C Fragmenty rozszczepienia spowolnione w celu wytworzenia energii d Moderator (BeO lub LiH), e Generator pola ochronnego, f Cewka indukcyjna RF

Nowsza propozycja projektu Rodneya L. Clarka i Roberta B. Sheldona teoretycznie zwiększa wydajność i jednocześnie zmniejsza złożoność rakiety z fragmentami rozszczepienia w porównaniu z propozycją obracającego się koła z włókna. W swojej konstrukcji nanocząstki paliwa rozszczepialnego (lub nawet paliwa, które naturalnie rozpadnie się radioaktywnie) są trzymane w komorze próżniowej poddanej osiowemu polu magnetycznemu (działającemu jak zwierciadło magnetyczne ) i zewnętrznemu polu elektrycznemu . Ponieważ nanocząsteczki jonizują się podczas rozszczepienia, pył zostaje zawieszony w komorze. Niewiarygodnie duża powierzchnia cząstek sprawia, że chłodzenie radiacyjne jest proste. Osiowe pole magnetyczne jest zbyt słabe, aby wpływać na ruchy cząstek pyłu, ale wystarczająco silne, aby skierować fragmenty w wiązkę, którą można spowolnić w celu uzyskania mocy, wyemitować w celu uzyskania ciągu lub kombinacji obu. Przy prędkościach spalin 3% - 5% prędkości światła i sprawności dochodzącej do 90% rakieta powinna być w stanie osiągnąć ponad 1 000 000 s I _sp .

Am 242m jako paliwo jądrowe

W 1987 r. Ronen & Leibson opublikowali badanie na temat zastosowania ^242m Am (jednego z izotopów ameryku ) jako paliwa jądrowego do kosmicznych reaktorów jądrowych , zwracając uwagę na jego niezwykle wysoki przekrój termiczny i gęstość energii . Systemy jądrowe zasilane prądem o mocy ^{242 mln} amm zużywają od 2 do 100 razy mniej paliwa w porównaniu z konwencjonalnymi paliwami jądrowymi .

Rakieta z fragmentami rozszczepienia wykorzystująca ^{242 m} Am została zaproponowana przez George'a Chapline'a z LLNL w 1988 r., Który zasugerował napęd oparty na bezpośrednim ogrzewaniu gazu pędnego przez fragmenty rozszczepienia generowane przez materiał rozszczepialny. Ronen i in. wykazać, że ^242m Am może utrzymać trwałe rozszczepienie jądrowe jako niezwykle cienka warstwa metaliczna, o grubości mniejszej niż 1/1000 milimetra. ^242m Am potrzebuje tylko 1% masy ²³⁵ U lub ²³⁹ Pu, aby osiągnąć stan krytyczny. Grupa Ronena z Ben-Guriona University of the Negev wykazała ponadto, że paliwo jądrowe oparte na ^{242 m} Am może przyspieszyć pojazdy kosmiczne z Ziemi na Marsa w ciągu zaledwie dwóch tygodni.

^242m Am jako paliwa jądrowego wynika z faktu, że ma on największy przekrój poprzeczny rozszczepienia termicznego (tysiące stodół ), około 10-krotnie większy niż następny najwyższy przekrój spośród wszystkich znanych izotopów. ^242m Am jest rozszczepialne (ponieważ ma nieparzystą liczbę neutronów ) i ma niską masę krytyczną , porównywalną z masą ²³⁹ Pu . Ma bardzo duży przekrój poprzeczny do rozszczepienia i jest stosunkowo szybko niszczony w reaktorze jądrowym. Inny raport twierdzi, że ^242m Am może wytrzymać reakcję łańcuchową nawet jako cienka warstwa i może być wykorzystany do nowego typu rakiety nuklearnej .

Ponieważ przekrój poprzeczny absorpcji termicznej 242m Am jest bardzo wysoki, najlepszym sposobem na uzyskanie ^242m Am jest wychwytywanie ^neutronów szybkich lub epitermalnych w ameryku-241 napromieniowanym w reaktorze prędkim . Jednak reaktory o szybkim widmie nie są łatwo dostępne. Szczegółowa analiza ^{242 mln} Am w istniejących PWR została przedstawiona w. Odporność na proliferację ^{242 mln} Am została opisana w badaniu Karlsruhe Institute of Technology 2008.

W 2000 roku Carlo Rubbia z CERN rozszerzył prace Ronena i Chapline'a nad rakietą z fragmentami rozszczepienia wykorzystującą ^{242 m} Am jako paliwo. Projekt 242 oparty na projekcie Rubbia badał koncepcję NTR cienkowarstwowego fragmentu rozszczepienia opartego na ^{242 m Am} , wykorzystując bezpośrednią konwersję energii kinetycznej fragmentów rozszczepienia na zwiększenie entalpii gazu pędnego. Projekt 242 badał zastosowanie tego układu napędowego w załogowej misji na Marsa. Wstępne wyniki były bardzo zadowalające i zaobserwowano, że układ napędowy o takich właściwościach mógłby umożliwić wykonanie misji. Inne badanie dotyczyło produkcji ^{242 mln} Am w konwencjonalnych termicznych reaktorach jądrowych.

Zobacz też