Rakieta na rozszczepienie - Fission-fragment rocket
Rozszczepienie-fragment rakietowy jest rakieta silnik wzór, który wykorzystuje się bezpośrednio gorącymi jądrowych produktów rozszczepiania dla nacisku , w porównaniu do stosowania oddzielnego płynu jako masę pracy . Projekt może teoretycznie generować bardzo wysoki impuls właściwy , pozostając jednocześnie w zakresie możliwości obecnych technologii.
Rozważania projektowe
W tradycyjnych jądrowych rakietach termicznych i podobnych konstrukcjach energia jądrowa jest generowana 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 usuwanego płynu roboczego, a w przypadku najnowocześniejszych silników gazowo-rdzeniowych odpowiada impulsowi właściwemu ok. 7000 s I sp .
Temperatura konwencjonalnej konstrukcji reaktora to średnia temperatura paliwa, z którego zdecydowana większość nie reaguje w danym momencie. Atomy podlegające rozszczepieniu mają temperaturę milionów stopni, która jest następnie rozprowadzana w otaczającym paliwie, co daje ogólną temperaturę kilku tysięcy.
Dzięki fizycznemu rozmieszczeniu paliwa w bardzo cienkie warstwy lub cząstki fragmenty reakcji jądrowej mogą wydostać się z powierzchni. Ponieważ zostaną zjonizowane ze względu na wysoką energię reakcji, mogą być następnie obsługiwane magnetycznie i kierowane w celu wytworzenia ciągu. Wciąż jednak pozostaje wiele wyzwań technologicznych.
Badania
Obrotowy reaktor paliwowy
Projekt autorstwa 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 wyprodukować jeden duży cylinder. Cały cylinder był obracany tak, że 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 zostały skierowane do ciągu. Włókno następnie obraca się poza strefę reakcji, aby ostygnąć, aby uniknąć stopienia.
Wydajność systemu jest zaskakująca; przy użyciu istniejących materiałów możliwe są impulsy o wartości większej niż 100 000. Jest to wysoka wydajność, chociaż ciężar rdzenia reaktora i innych elementów spowodowałby, że ogólna wydajność systemu rozszczepienia-fragmenty byłaby niższa. Niemniej jednak system zapewnia takie poziomy wydajności, które umożliwiłyby międzygwiezdną misję prekursora.
Zakurzona plazma
Nowsza propozycja projektowa autorstwa Rodneya L. Clarka i Roberta B. Sheldona teoretycznie zwiększa wydajność i jednocześnie zmniejsza złożoność rakiety z fragmentami rozszczepionymi w porównaniu z propozycją obracającego się koła z włókna. W swojej konstrukcji nanocząsteczki paliwa rozszczepialnego (lub nawet paliwa, które w naturalny sposób ulegnie rozpadowi radioaktywnemu) są trzymane w komorze próżniowej poddanej działaniu osiowego pola magnetycznego (działającego jak lustro magnetyczne ) i zewnętrznego pola elektrycznego . Gdy nanocząstki ulegają jonizacji podczas rozszczepiania, 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, zezwolić na emisję dla ciągu lub kombinacji tych dwóch. Przy prędkościach spalin 3% - 5%, prędkości światła i sprawnościach do 90%, rakieta powinna być w stanie osiągnąć ponad 1 000 000 s I sp .
Jestem 242m jako paliwo jądrowe
W 1987 Ronen & Leibson opublikowali badanie dotyczące zastosowań 242 m Am (jeden z izotopów ameryku ) jako paliwa jądrowego w kosmicznych reaktorach jądrowych , odnotowując jego niezwykle wysoki przekrój termiczny i gęstość energii . Systemy jądrowe zasilane 242 m Am wymagają mniej paliwa od 2 do 100 w porównaniu z konwencjonalnymi paliwami jądrowymi .
Rakieta z fragmentami rozszczepienia wykorzystująca 242 m Am została zaproponowana przez George'a Chapline'a w LLNL w 1988 r., który zasugerował napęd oparty na bezpośrednim ogrzewaniu gazu pędnego przez fragmenty rozszczepienia generowane przez materiał rozszczepialny. Ronen i in. zademonstrować, że 242 m Am może utrzymać trwałe rozszczepienie jądrowe jako niezwykle cienka warstwa metaliczna o grubości mniejszej niż 1/1000 milimetra. 242m Am wymaga tylko 1% masy 235 U lub 239 Pu, aby osiągnąć stan krytyczny. Grupa Ronena z Ben-Gurion University of the Negev wykazała dalej, że paliwo jądrowe oparte na 242 m Am może przyspieszyć pojazdy kosmiczne z Ziemi na Marsa w zaledwie dwa tygodnie.
Potencjał 242 m Am jako paliwa jądrowego wynika z faktu, że ma on najwyższy przekrój rozszczepienia termicznego (tysiące stodół ), około 10x następny najwyższy przekrój poprzeczny ze wszystkich znanych izotopów. 242m Am jest rozszczepialny (ponieważ ma nieparzystą liczbę neutronów ) i ma niską masę krytyczną , porównywalną z 239 Pu . Ma bardzo duży przekrój do rozszczepienia i jest niszczony stosunkowo szybko w reaktorze jądrowym. Inny raport twierdzi, że 242 m Am może podtrzymać reakcję łańcuchową nawet jako cienka warstwa i może być wykorzystana w nowatorskim typie rakiety jądrowej .
Ponieważ termiczna absorpcji przekrój z na 242 Am jest bardzo wysoki, najlepiej uzyskać 242m Am jest wychwytywanie szybko lub epitermalny neutrony ameryk-241 napromieniowane w szybkim reaktora . Jednak reaktory o szybkim widmie nie są łatwo dostępne. Szczegółowa analiza produkcji 242 µm w istniejących reaktorach PWR została przedstawiona w. Odporność na proliferację 242 µm została zgłoszona w badaniu Karlsruhe Institute of Technology z 2008 roku.
W 2000 r. Carlo Rubbia w CERN rozszerzył prace Ronena i Chapline'a nad rakietą rozszczepialną wykorzystującą jako paliwo 242 m Am. Projekt 242 oparty na projekcie Rubbia badał koncepcję cienkowarstwowego NTR na bazie 242 m Am opartego na rozszczepieniu, przy użyciu bezpośredniej konwersji energii kinetycznej fragmentów rozszczepienia na zwiększenie entalpii gazu pędnego. Projekt 242 badał zastosowanie tego systemu napędowego w załogowej misji na Marsa. Wstępne wyniki były bardzo zadowalające i zaobserwowano, że system napędowy o takich właściwościach mógłby umożliwić wykonanie misji. Inne badanie dotyczyło produkcji 242 m Am w konwencjonalnych termicznych reaktorach jądrowych.