Darbeli nükleer termal roket - Pulsed nuclear thermal rocket

Darbeli bir termal nükleer roket için sabit-darbeli-sabit bir manevra dizisi. Sabit mod sırasında (sabit nominal güçte çalışma), yakıt sıcaklığı her zaman sabittir (düz siyah çizgi) ve itici gaz soğuk gelir (mavi noktalı çizgiler), haznede ısıtılır ve nozülde tükenir (kırmızı noktalı çizgi). Ne zaman amplifikasyon itme veya özgül dürtü gereklidir, nükleer çekirdek atımlı moda "açılır". Bu modda, yakıt sürekli olarak söndürülür ve darbelerle anında ısıtılır. Yüksek itme ve özel itme gereksinimleri gerekli olmadığında, nükleer çekirdek ilk sabit moda "açılır".

Bir darbeli nükleer termal roket bir tür nükleer termal roket (NTR) konsepti, Katalonya Politeknik Üniversitesi, İspanya ve 2016'da sunuldu AIAA / SAE / ASEE Tahrik Konferansı itme ve özgül dürtü (ben_sp) geleneksel bir nükleer termal rokette amplifikasyon.^[1]

Darbeli nükleer termal roket, sabit bir durumda (geleneksel bir NTR'de olduğu gibi sabit nominal güçte) ve aynı zamanda bir darbeli modda çalışabilen iki modlu bir rokettir. TRIGA reaktör benzeri, yüksek güç üretimini ve yoğun bir nötron akışı kısa zaman aralıklarında. Soğutucu akışkan hızlarının saniyede birkaç metreden büyük olmadığı ve dolayısıyla tipik olan nükleer reaktörlerin aksine kalış süresi saniyede yaklaşık yüzlerce metre itici yakıtın ses altı hızlarına sahip roket odalarında saniyeler içinde, kalış süresi etrafta ${ displaystyle 10 ^ {- 2} s}$ to:${ displaystyle 10 ^ {- 3} s}$ ve daha sonra uzun bir güç darbesi, sabit moda kıyasla enerjide önemli bir kazanca dönüşür. Nükleer çekirdeğe darbe vurarak kazanılan enerji, itme itici kütle akışını artırarak veya yoğun nötron akısını kullanarak çok yüksek özgül dürtü amplifikasyon - daha yüksek fisyon parçası roketi, darbeli rokette son itici yakıtı sıcaklığı yalnızca radyatif soğutma titreşimden sonra.

Kavramın ifadesi

Konvansiyonel sabit moda kıyasla darbeli bir termal nükleer roket kullanarak enerji kazanımı için kabaca bir hesaplama şu şekildedir: Bir darbeden sonra yakıta depolanan enerji, hissedilen sıcaklık yakıt sıcaklığı arttığı için depolanır. Bu enerji şu şekilde yazılabilir:

${ displaystyle E _ { text {darbe}} = c_ {f} M_ {f} Delta T}$

nerede:

${ displaystyle E _ { text {darbe}}}$ ... hissedilen sıcaklık titreşimden sonra saklanır,

${ displaystyle c_ {f}}$ yakıt mı ısı kapasitesi,

${ displaystyle M _ { text {f}}}$ yakıt kütlesi

${ displaystyle Delta T}$ titreşimler arasındaki sıcaklık artışıdır.

Öte yandan, durağan modda, yani nükleer çekirdek nominal sabit güçte çalıştığında üretilen enerji,

${ displaystyle E _ { text {sabit}} = chi _ {l} lt}$

nerede:

${ displaystyle chi _ {l}}$ yakıtın doğrusal gücüdür (yakıt uzunluğu başına güç),

${ displaystyle l}$ yakıtın uzunluğu,

${ displaystyle t}$ ... kalış süresi bölmedeki itici gaz.

Ayrıca, silindirik geometriler durumunda nükleer yakıt sahibiz

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

ve tarafından verilen doğrusal güç ^[2]

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

Nerede:

${ displaystyle R_ {f}}$ silindirik yakıtın yarıçapı,

${ displaystyle rho _ {f}}$ yakıt yoğunluk,

${ displaystyle kappa _ {f}}$ yakıt termal iletkenlik,

${ displaystyle T_ {f}}$ merkez hattındaki yakıt sıcaklığı,

${ displaystyle T_ {s}}$ yüzey veya kaplama sıcaklığıdır.

Bu nedenle, darbeli mod ile sabit mod arasındaki enerji oranı, ${ displaystyle N = { frac {E _ { text {nabız}}} {E _ { text {sabit}}}}}$ verim

${ displaystyle N = { frac {c_ {f} rho _ {f} R_ {f} ^ {2}} {4 pi kappa _ {f} (T_ {f} -T_ {s})} } sol [{ frac { Delta T} {t}} sağ]}$

Köşeli ayraç içindeki terim, ${ displaystyle sol [{ frac { Delta T} {t}} sağ]}$ ... söndürme oranı.

Ortak için parametrelerin tipik ortalama değerleri nükleer yakıtlar gibi MOX yakıtı veya uranyum dioksit şunlardır:^[3] ısı kapasiteleri, ısıl iletkenlik ve çevresindeki yoğunluklar ${ displaystyle c_ {f} simeq 300J / (mol cdot K)}$,${ displaystyle kappa _ {f} simeq 6W / (K cdot m ^ {2})}$ ve ${ displaystyle rho _ {f} simeq 10 ^ {4} kg / (m ^ {3})}$sırasıyla., yarıçapı yakın ${ displaystyle R_ {f} simeq 10 ^ {- 2} m}$ve merkez çizgisi ile kaplama arasındaki sıcaklık düşüşü ${ displaystyle T_ {f} -T_ {s} = 600K}$ veya daha az (doğrusal güç açık ${ displaystyle chi _ {l} simeq 45000 W / m)}$. Bu değerlerle enerjideki kazanç yaklaşık olarak şu şekilde verilir:

${ displaystyle N simeq 6 times 10 ^ {- 3} sol [{ frac { Delta T} {t}} sağ]}$

nerede ${ displaystyle sol [{ frac { Delta T} {t}} sağ]}$ verilir ${ displaystyle K / s}$.Çünkü kalış süresi haznedeki itici gazın ${ displaystyle 10 ^ {- 3} s}$ -e ${ displaystyle 10 ^ {- 2} s}$ saniyede yüzlerce metre ve metre bölmelerinin itici gazının ses altı hızları göz önünde bulundurulduğunda, sıcaklık farkları ${ displaystyle Delta T simeq 10 ^ {3} K}$ veya söndürme oranlar ${ displaystyle sol [{ frac { Delta T} {t}} sağ] simeq 10 ^ {6} K / s}$ Çekirdeği titreştirerek enerji amplifikasyonu, sabit moddan binlerce kat daha büyük olabilir. Geçici ısı transferi teorisini dikkate alan daha titiz hesaplamalar, enerji kazanımlarını yaklaşık yüzlerce veya binlerce kez gösterir. ${ displaystyle 10 ^ {2} leq N leq 10 ^ {3}}$.

Söndürme oranları ${ displaystyle sol [{ frac { Delta T} {t}} sağ] geq 10 ^ {6} K / s}$ üretim teknolojisinde tipiktir amorf metal sırayla son derece hızlı soğutma ${ displaystyle 10 ^ {6} K / s leq sol [{ frac { Delta T} {t}} sağ] leq 10 ^ {7} K / s}$ gerekmektedir.

Doğrudan itme kuvvetlendirmesi

Yükseltilmiş enerjiden nükleer çekirdeğe darbe göndererek yararlanmanın en doğrudan yolu, itme itici kütle akışını artırarak.

Arttırmak itme Sabit modda -gücün termodinamik kısıtlamalarla sabitlendiği yerde, yalnızca egzoz hızından ödün vererek mümkündür. Aslında güç tarafından verilir

${ displaystyle P = { frac {1} {2}} Fv _ { text {e}}}$

nerede ${ displaystyle P}$ güçtür ${ displaystyle F}$ itme gücü ve ${ displaystyle v _ { text {e}}}$ egzoz hızı. Diğer taraftan, itme tarafından verilir

${ displaystyle F = { dot {m}} _ { text {p}} v _ { text {e}}}$

nerede ${ displaystyle { dot {m}} _ { text {p}}}$ itici kütle akışıdır. Bu nedenle, sabit modda itme kuvveti, örneğin n-kez arttırılmak isteniyorsa, arttırılması gerekecektir. ${ displaystyle n ^ {2}}$- itici gazın kütle akışı ve azalan ${ displaystyle { frac {1} {n}}}$- egzoz hızı. Bununla birlikte, nükleer çekirdek darbeli ise, itme güçlendirilebilir ${ displaystyle n}$gücü artırarak -kezler ${ displaystyle n}$-zamanlar ve itici kütle akışı ${ displaystyle n}$-zamanlar ve egzoz hızının sabit tutulması.

ben_sp amplifikasyon

Darbeli nükleer termal roket birimi hücre konsepti ben_sp amplifikasyon. Bu hücrede hidrojen itici gaz, itici kanallardaki sürekli yoğun nötronik darbelerle ısıtılır. Aynı zamanda, fisyon fragmanlarından gelen istenmeyen enerji, lityum veya başka bir sıvı metal içeren bir katı soğutma kanalıyla uzaklaştırılır.

Yüksek egzoz hızına ulaşılması veya özgül dürtü (ben_sp) ilk endişedir. İçin en genel ifade ben_sp tarafından verilir ^[4]

${ displaystyle I _ { text {sp}} simeq c { sqrt {T}}}$

olmak ${ displaystyle c}$ sabit ve ${ displaystyle T}$ itici gazın genleşmeden önceki sıcaklığı. Bununla birlikte, itici yakıtın sıcaklığı doğrudan enerji ile ilişkilidir. ${ displaystyle E simeq kT}$, nerede ${ displaystyle k}$ ... Boltzmann sabiti. Böylece,

${ displaystyle I _ { text {sp}} simeq c '{ sqrt {E}}}$

olmak ${ displaystyle c '}$ sabit.

Geleneksel bir sabit NTR'de, enerji ${ displaystyle E}$ itici yakıtın ısıtılması için neredeyse toplam enerjinin neredeyse% 95'ini kapsayan fisyon parçalarından ve hızlı nötronlar ${ displaystyle f _ { text {n}}}$ yaklaşık% 5'tir ve bu nedenle kıyaslandığında neredeyse yok denecek kadar azdır. Bununla birlikte, nükleer çekirdek darbeli ise, üretebilir ${ displaystyle N}$ sabit moddan kat daha fazla enerji ve daha sonra hızlı nötronlar veya ${ displaystyle f _ { text {n}} N}$ sabit moddaki toplam enerjiye eşit veya bundan daha büyük olabilir. Çünkü bu nötron enerjisi yakıttan doğrudan itici gazın içine taşınır. kinetik enerji Yakıttan itici yakıta ısı olarak taşınan fisyon parçalarından gelen enerjinin aksine, termodinamiğin ikinci yasası ile sınırlandırılmamıştır, yani bu enerjiyi yakıttan itici yakıta taşımak için herhangi bir engel yoktur. iticiden daha soğuktur. Başka bir deyişle, itici yakıtı yakıttan daha sıcak yapmak mümkündür, bu aksi takdirde klasik NTR'lerde özel itkinin en sınırıdır.

Özetle, darbe üretirse ${ displaystyle N}$ sabit moddan kat daha fazla enerji, ben_sp amplifikasyon tarafından verilir

${ displaystyle I _ { text {sp}} simeq I _ { text {sp, o}} { sqrt {f _ { text {n}} N + 1}}}$

Nerede:

${ displaystyle I _ { text {sp}}}$ güçlendirilmiş spesifik dürtüdür,

${ displaystyle I _ { text {sp, o}}}$ sabit moddaki belirli dürtü,

${ displaystyle f _ { text {n}}}$ hızlı nötronların oranı,

${ displaystyle N}$ nükleer çekirdeğin titreştirilmesiyle enerji amplifikasyonu.

Değerleri ile ${ displaystyle N}$ arasında ${ displaystyle 10 ^ {2}}$ -e ${ displaystyle 10 ^ {3}}$ ve hızlı nötron etrafındaki kesirler ${ displaystyle f _ { text {n}} simeq { frac {1} {20}}}$,^[5],^[6] varsayımsal ${ displaystyle I _ { text {sp}}}$ elde edilebilir amplifikasyon, konsepti özellikle gezegenler arası uzay uçuşu.

Tasarımın avantajları

Konvansiyonel sabit NTR tasarımlarına göre çeşitli avantajları vardır. Nötron enerjisi yakıttan itici gazın içine kinetik enerji olarak taşındığından, yakıttan daha sıcak bir itici yakıt mümkündür ve bu nedenle ${ displaystyle I _ { text {sp}}}$ yakıtın izin verdiği maksimum sıcaklık, yani erime sıcaklığı ile sınırlı değildir.

Yakıttan daha sıcak bir iticiye izin veren diğer nükleer roket konsepti, fisyon parçası roketi. Fisyon parçalarını doğrudan itici gaz olarak kullandığından, çok yüksek bir özgül dürtü de elde edebilir.

Diğer hususlar

İçin ${ displaystyle I _ { text {sp}}}$ büyütme, sadece gelen enerji hızlı nötronlar ve bazı hızlı gama enerjisi bu amaç için kullanılır. Enerjinin geri kalanı, yani neredeyse ${ displaystyle 95 \%}$ fisyon parçalarından gelen istenmeyen enerjidir ve uygun bir soğutucu kullanılarak ısı giderme yardımcı sistemi tarafından sürekli olarak boşaltılmalıdır.^[1] Sıvı metaller ve özellikle lityum, gereken hızlı su verme oranlarını sağlayabilir. Dikkate alınması gereken bir husus, artık ısı olarak boşaltılması gereken büyük miktarda enerjidir (toplam enerjinin neredeyse% 95'i). Bu, büyük bir özel ısı transfer yüzeyi anlamına gelir.^[7]

Çekirdeği darbeli hale getirmek için mekanizma ile ilgili olarak, darbeli mod, istenen titreşim frekansına bağlı olarak çeşitli konfigürasyonlar kullanılarak üretilebilir. Örneğin, motor tahrik mekanizmasına sahip tek veya sıralı konfigürasyonda standart kontrol çubuklarının kullanılması veya standart pnömatik olarak çalıştırılan darbe mekanizmalarının kullanılması, dakikada 10 darbeye kadar üretmek için uygundur.^[8] Saniyede 50 darbeye kadar hızlarda darbelerin üretimi için, dönüşümlü olarak dönen döner tekerleklerin kullanılması nötron zehiri ve yakıt veya nötron zehiri ve olmayannötron zehiri düşünülebilir. Bununla birlikte, saniyede binlerce darbeyi (kHz) sıralayan titreşimler için, optik kıyıcılar veya manyetik yataklar kullanan modern tekerlekler 10 kHz'de dönmeye izin verir.^[8] Daha hızlı titreşimler isteniyorsa, mekanik hareketi içermeyen yeni bir darbe mekanizmasının kullanılması gerekli olacaktır, örneğin, Bowman tarafından daha önce önerildiği gibi lazerler (3He polarizasyonuna dayanan),^[9] veya proton ve nötron ışınları. 1 kHz ila 10 kHz arasındaki frekanslar olası seçimlerdir.

Ayrıca bakınız

• Fisyon parçası roketi

Referanslar