Ракета на осколках деления
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( май 2011 г. ) |
Ракета на осколках деления — это конструкция ракетного двигателя , которая напрямую использует горячие продукты ядерного деления для создания тяги , а не использует отдельную жидкость в качестве рабочей массы . Теоретически конструкция может производить очень высокий удельный импульс , оставаясь при этом в пределах возможностей современных технологий.
Рекомендации по проектированию
[ редактировать ]В традиционных ядерных тепловых ракетах и связанных с ними конструкциях ядерная энергия вырабатывается в реакторе той или иной формы и используется для нагрева рабочего тела для создания тяги. Это ограничивает конструкции температурами, которые позволяют реактору оставаться целым, хотя умная конструкция может увеличить эту критическую температуру до десятков тысяч градусов. КПД ракетного двигателя сильно зависит от температуры отработанного рабочего тела и в случае наиболее совершенных газопоршневых двигателей соответствует удельному импульсу около 7000 с.
Температура реактора традиционной конструкции — это средняя температура топлива, подавляющее большинство которого не реагирует в любой момент времени. Атомы, подвергающиеся делению, имеют температуру в миллионы градусов, которая затем распространяется в окружающее топливо, в результате чего общая температура достигает нескольких тысяч.
Физически распределяя топливо в очень тонкие слои или частицы, фрагменты ядерной реакции могут уйти с поверхности. Поскольку они будут ионизированы из-за высокой энергии реакции, их можно будет манипулировать магнитом и направлять для создания тяги. Однако многочисленные технологические проблемы все еще остаются.
Исследовать
[ редактировать ]Вращающийся топливный реактор
[ редактировать ]
- делящиеся нити, расположенные в дисках
- вращающийся вал
- активная зона реактора
- фрагменты выхлопных газов
Проект Национальной инженерной лаборатории Айдахо и Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса. [1] использует топливо, размещенное на поверхности множества очень тонких углеродных волокон, расположенных радиально в колесах. Колеса обычно находятся в субкритическом состоянии . Несколько таких колес были установлены на общем валу, образуя один большой цилиндр. Весь цилиндр вращался так, чтобы некоторые волокна всегда находились в активной зоне реактора, где окружающий замедлитель приводил волокна в критическое состояние. Осколки деления на поверхности волокон вырвутся на свободу и будут направлены для тяги. Затем волокно выводится из зоны реакции для охлаждения, избегая плавления.
Эффективность системы удивляет; с использованием существующих материалов возможны удельные импульсы более 100 000 с. Это высокая производительность, хотя вес активной зоны реактора и других элементов снизил бы общую производительность системы деления-осколка. Тем не менее, система обеспечивает такой уровень производительности, который сделал бы возможной межзвездную миссию-предшественницу.
Пыльная плазма
[ редактировать ]
- A. Осколки деления, выбрасываемые для движения
- Б. реактор
- C. Осколки деления замедляются для выработки электроэнергии.
- д. модератор (BeO или LiH)
- е. генератор сдерживающего поля
- ф. РЧ индукционная катушка
Новое проектное предложение Родни Л. Кларка и Роберта Б. Шелдона теоретически увеличивает эффективность и одновременно снижает сложность ракеты на осколках деления по сравнению с предложением вращающегося волоконного колеса. [2] В их конструкции используются наночастицы расщепляющегося топлива (или даже топлива, которое естественным образом радиоактивно распадается) диаметром менее 100 нм. Наночастицы хранятся в вакуумной камере, подверженной воздействию аксиального магнитного поля (действующего как магнитное зеркало ) и внешнего электрического поля . Поскольку наночастицы ионизируются при делении, пыль становится взвешенной внутри камеры. Невероятно большая площадь поверхности частиц упрощает радиационное охлаждение. Осевое магнитное поле слишком слабое, чтобы влиять на движение частиц пыли, но достаточно сильное, чтобы направить фрагменты в луч, который можно замедлить для получения мощности, позволить испустить для тяги или комбинировать оба.
При скорости истечения 3–5 % от скорости света и эффективности до 90 % ракета должна достичь I sp более 1 000 000 секунд. Путем дальнейшего впрыскивания в выхлопные газы осколков нейтрального газа, аналогичного установке форсажной камеры , возникающий в результате нагрев и взаимодействие могут привести к более высокой настраиваемой тяге и удельному импульсу. Для реалистичных проектов некоторые расчеты оценивают тягу в диапазоне 4,5 кН примерно в 32 000 секунд I sp. [3] , или даже 40 кН за 5000 секунд, я говорю . [4]
Ам-242м как ядерное топливо
[ редактировать ]В 1987 году Ронен и Лейбсон [5] [6] опубликовал исследование о применении 242 м Am (один из изотопов америция ) в качестве ядерного топлива для космических ядерных реакторов , отметив его чрезвычайно высокое тепловое сечение и плотность энергии . Ядерные системы, работающие на 242 м Им требуется меньше топлива в 2–100 раз по сравнению с обычным ядерным топливом .
Ракета на осколках деления с использованием 242 м Am был предложен Джорджем Чаплином. [7] в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в 1988 году, который предложил движение, основанное на прямом нагреве порохового газа осколками деления, генерируемыми делящимся материалом. Ронен и др. [8] продемонстрировать, что 242 м Am может поддерживать устойчивое деление ядер в виде чрезвычайно тонкой металлической пленки толщиной менее 1/1000 миллиметра. 242 м Am требуется всего 1% массы 235 У или 239 Пу, чтобы достичь критического состояния. Группа Ронена из Университета Бен-Гуриона в Негеве также показала, что ядерное топливо на основе 242 м Am сможет ускорить космические аппараты с Земли на Марс всего за две недели. [9]
242 м Потенциал Am как ядерного топлива обусловлен тем фактом, что он имеет самое высокое сечение термического деления (тысячи амбаров ), что примерно в 10 раз превышает следующее по величине сечение среди всех известных изотопов. 242 м Am делится и имеет низкую критическую массу , сравнимую с критической массой 239 Мог . [10] [11] Он имеет очень высокое сечение деления и относительно быстро разрушается в ядерном реакторе. В другом отчете утверждается, что 242 м Am может поддерживать цепную реакцию даже в виде тонкой пленки и может быть использован для нового типа ядерной ракеты . [8] [12] [13] [14]
теплового поглощения сечение Поскольку 242 м Am очень высок, лучший способ получить 242 м Am получается путем захвата быстрых или эпитепловых нейтронов в америции-241, облученном в быстром реакторе . Однако реакторы быстрого спектра недоступны. Детальный анализ 242 м производство Am в существующих реакторах PWR . Предусмотрено [15] пролиферации Устойчивость к 242 м Об этом сообщает исследование Технологического института Карлсруэ, проведенное в 2008 году. [16]
В 2000 году Карло Руббиа из ЦЕРН еще больше расширил работу Ронена. [6] и каплин [7] на ракете на осколках деления с использованием 242 м Я как топливо. [17] Проект 242 [18] на основе дизайна Rubbia изучена концепция 242 м Тонкопленочный фрагмент деления на основе Am с подогревом NTR [19] за счет прямого преобразования кинетической энергии осколков деления в увеличение энтальпии порохового газа. Проект 242 изучал применение этой двигательной установки в пилотируемом полете на Марс. [20] Предварительные результаты были весьма удовлетворительными, и было замечено, что двигательная установка с такими характеристиками могла бы сделать миссию осуществимой. Другое исследование было посвящено производству 242 м Нахожусь в обычных тепловых ядерных реакторах. [21]
Ядро из аэрогеля
[ редактировать ]9 января 2023 года НАСА объявило о финансировании исследования «Ракетного двигателя с осколками деления ядра аэрогеля», в котором частицы делящегося топлива будут внедрены в матрицу аэрогеля сверхнизкой плотности для достижения сборки критической массы. Матрица аэрогеля (и сильное магнитное поле) позволит осколкам деления покинуть активную зону, одновременно увеличивая кондуктивные и радиационные потери тепла от отдельных частиц топлива. [22]
См. также
[ редактировать ]- Делящийся парус
- Ядерная ракета с морской водой
- Импульсная ядерная тепловая ракета
- Реактор осколков деления
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Чаплин, Г.; Диксон, П.; Шницлер, Б. (18 сентября 1988 г.). Ракеты на осколках деления: потенциальный прорыв (PDF) . Международная конференция по реакторной физике. Джексон-Хоул, Вайоминг, США. ОСТИ 6868318 .
- ^ Кларк, Р.; Шелдон, Р. (10–13 июля 2005 г.). Ядерный реактор на основе пылевой плазмы на осколках деления (PDF) . 41-я совместная конференция и выставка AIAA/ASME/SAE/ASEE по двигательным установкам. Тусон, Аризона: Американский институт аэронавтики и астронавтики (опубликовано 15 апреля 2007 г.). Бумага AIAA 2005-4460.
- ^ Гал, Дж.; Гиллеспи, АК; Дункан, Р.В.; Лин, К. (13 октября 2023 г.). «Ракетный двигатель на осколках деления для быстрого транзита по Марсу» . Границы космических технологий . 4 . дои : 10.3389/frspt.2023.1191300 . ISSN 2673-5075 .
- ^ Кларк, Родни; Шелдон, Роберт (10 июля 2005 г.). Ядерный реактор на основе пылевой плазмы на осколках деления . Американский институт аэронавтики и астронавтики. дои : 10.2514/6.2005-4460 . ISBN 978-1-62410-063-5 .
- ^ Ронен, Игаль; Лейбсон, Мелвин Дж. (1987). «Пример потенциального применения америция-242м в качестве ядерного топлива». Сделки – Израильское ядерное общество . 14 : В-42.
- ^ Jump up to: а б Ронен, Игаль; Лейбсон, Мелвин Дж. (1988). «Потенциальные применения 242mAm в качестве ядерного топлива». Ядерная наука и инженерия . 99 (3): 278–284. Бибкод : 1988NSE....99..278R . дои : 10.13182/NSE88-A28998 .
- ^ Jump up to: а б Чаплин, Джордж (1988). «Концепция ракеты на осколках деления». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 271 (1): 207–208. Бибкод : 1988NIMPA.271..207C . дои : 10.1016/0168-9002(88)91148-5 .
- ^ Jump up to: а б Ронен, Игаль; Швагераус, Э. (2000). «Сверхтонкие твэлы 241 мАм в ядерных реакторах». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях А . 455 (2): 442–451. Бибкод : 2000NIMPA.455..442R . дои : 10.1016/s0168-9002(00)00506-4 .
- ^ «Чрезвычайно эффективное ядерное топливо может доставить человека на Марс всего за две недели» . Science Daily (пресс-релиз). Университет Бен-Гуриона в Негеве. 3 января 2001 г.
- ^ Диас, Хемант; Танкок, Найджел; Анджела, Клейтон. «Расчеты критической массы для 241 Являюсь, 242 м Я и 243 Am» (PDF) . Олдермастон, Ридинг, Беркшир: Atomic Weapons Estate plc. Архивировано из оригинала (PDF) 22 июля 2011 года . Проверено 3 февраля 2011 года .
- ^ Людвиг, Х.; и др. (1996). «Проектирование реакторов с частицами для программы космических ядерных тепловых двигателей». Прогресс в атомной энергетике . 30 (1): 1–65.
- ^ Ронен, Ю.; Райцес, Г. (2004). «Сверхтонкие твэлы 242мАм в ядерных реакторах. II». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 522 (3): 558–567. дои : 10.1016/j.nima.2003.11.421 .
- ^ Ронен, Игаль; Абуди, Менаше; Регев, Дрор (2000). «Новый метод производства энергии с использованием 242 м ампера в качестве ядерного топлива». Ядерные технологии . 129 (3): 407–417.
- ^ Ронен, Ю.; Фридман Э.; Швагераус, Э. (2006). «Самый маленький тепловой ядерный реактор». Ядерная наука и техника . 153 (1): 90–92.
- ^ Голянд, Леонид; Ронен, Игаль; Швагераус, Евгений (2011). «Рабочий проект реакторов с водой под давлением диаметром 242 м». Ядерная наука и инженерия . 168 (1): 23–36.
- ^ Кесслер, Г. (2008). «Сопротивление распространению америция, происходящего из отработавшего облученного реакторного топлива водо-водяных реакторов, быстрых реакторов и ускорительных систем с различными вариантами топливного цикла». Ядерная наука и инженерия . 159 (1): 56–82.
- ^ Руббиа, Карло (2000). Нагрев осколков деления для космических двигателей (Доклад). № SL-Note-2000-036-EET. CERN-SL-Note-2000-036-EET.
- ^ Оджелли, М.; Бигнами, Г.Ф.; Гента, Г. (2013). «Проект 242: Прямой нагрев осколков деления для космических двигателей - синтез программы и применение к исследованию космоса». Акта Астронавтика . 82 (2): 153–158.
- ^ Дэвис, Эрик В. (2004). Расширенное исследование двигательной установки (Отчет). Метрики варп-двигателя.
- ^ Чезана, Алессандра; и др. (2004). «Некоторые соображения по поводу производства 242 м Ам в тепловых реакторах». Ядерные технологии . 148 (1): 97–101.
- ^ Бенетти, П.; и др. (2006). «Производство 242мАм». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 564 (1): 48–485.
- ^ Холл, Лора; Виид, Райан (9 января 2023 г.). «Ракетный двигатель с осколками деления ядра аэрогеля» . НАСА . Проверено 21 июля 2024 г.
