Štěpná fragmentová raketa - Fission-fragment rocket
Štěpení fragment raketa je motor raketa design, který se přímo využívá horkých jaderné produkty štěpení na tah , na rozdíl od použití samostatného tekutiny jako pracovní hmoty . Návrh může teoreticky vyprodukovat velmi vysoký specifický impuls, přičemž je stále ve schopnostech současných technologií.
Úvahy o návrhu
V tradiční jaderné tepelné raketě a souvisejících konstrukcích se jaderná energie generuje v nějaké formě reaktoru a používá se k ohřevu pracovní tekutiny pro generování tahu. To omezuje konstrukci na teploty, které umožňují, aby reaktor zůstal celý, i když chytrý design může tuto kritickou teplotu zvýšit na desítky tisíc stupňů. Účinnost raketového motoru silně souvisí s teplotou vyčerpané pracovní tekutiny a v případě nejpokročilejších motorů s plynovým jádrem odpovídá specifickému impulzu přibližně 7000 s I sp .
Teplota konvenční konstrukce reaktoru je průměrná teplota paliva, přičemž drtivá většina z nich v daném okamžiku nereaguje. Atomy, které procházejí štěpením, mají teplotu miliónů stupňů, která se poté šíří do okolního paliva, což vede k celkové teplotě několika tisíc.
Fyzickým uspořádáním paliva do velmi tenkých vrstev nebo částic mohou fragmenty jaderné reakce uniknout z povrchu. Vzhledem k tomu, že budou ionizovány kvůli vysoké energii reakce, lze s nimi manipulovat magneticky a směrovat, aby vytvořily tah. Stále však zůstává řada technologických výzev.
Výzkum
Rotující palivový reaktor
Návrh Idaho National Engineering Laboratory a Lawrence Livermore National Laboratory používá palivo umístěné na povrchu řady velmi tenkých uhlíkových vláken, uspořádaných radiálně v kolech. Kola jsou obvykle podkritická . Několik takových kol bylo naskládáno na společný hřídel, aby vznikl jediný velký válec. Celý válec se otáčel tak, aby některá vlákna byla vždy v jádru reaktoru, kde okolní vlákna způsobená moderátorem jsou kritická. Štěpné fragmenty na povrchu vláken by se uvolnily a byly směrovány k tahu. Vlákno pak rotuje ven z reakční zóny, aby se ochladilo, aby se zabránilo roztavení.
Účinnost systému je překvapivá; při použití stávajících materiálů jsou možné specifické impulsy větší než 100 000 s. Jedná se o vysoký výkon, i když hmotnost aktivní zóny reaktoru a dalších prvků by snížila celkovou výkonnost systému štěpného fragmentu. Systém nicméně poskytuje takové úrovně výkonu, které by umožnily mezihvězdnou předchůdcovskou misi.
Zaprášená plazma
Novější návrh od Rodneyho L. Clarka a Roberta B. Sheldona teoreticky zvyšuje účinnost a snižuje složitost štěpné fragmentové rakety současně s návrhem rotujících vláken. Ve svém návrhu jsou nanočástice štěpného paliva (nebo dokonce paliva, které se přirozeně radioaktivně rozpadne) uchovávány ve vakuové komoře vystavené axiálnímu magnetickému poli (působícímu jako magnetické zrcadlo ) a vnějšímu elektrickému poli . Jak nanočástice ionizují při štěpení, prach se suspenduje v komoře. Díky neuvěřitelně vysoké ploše částic je radiační chlazení jednoduché. Axiální magnetické pole je příliš slabé na to, aby ovlivňovalo pohyby prachových částic, ale dostatečně silné na to, aby vedlo fragmenty do paprsku, který může být pro energii zpomalen, může být emitován pro tah nebo pro kombinaci těchto dvou. S rychlostí výfuku 3% - 5%, rychlostí světla a účinností až 90%, by raketa měla být schopna dosáhnout více než 1 000 000 s I sp .
Jsem 242 metrů jako jaderné palivo
V roce 1987 Ronen & Leibson zveřejnili studii o aplikacích 242 m Am (jeden z izotopů amerického ) jako jaderného paliva do kosmických jaderných reaktorů , přičemž si všiml jeho extrémně vysokého tepelného průřezu a hustoty energie . Jaderné systémy poháněné 242 mil. Am vyžadují ve srovnání s konvenčními jadernými palivy méně paliva, a to o faktor 2 až 100 .
Štěpná fragmentová raketa používající 242 m Am byla navržena Georgem Chaplineem v LLNL v roce 1988, který navrhl pohon založený na přímém ohřevu hnacího plynu štěpnými fragmenty generovanými štěpným materiálem. Ronen a kol. prokázat, že 242 m Am může udržovat trvalé štěpení jader jako extrémně tenký kovový film o tloušťce méně než 1/1000 milimetru. 242 m Am vyžaduje k dosažení svého kritického stavu pouze 1% z hmotnosti 235 U nebo 239 Pu. Ronenova skupina na Ben-Gurionově univerzitě v Negevu dále ukázala, že jaderné palivo založené na 242 mil. Am může urychlit vesmírná vozidla ze Země na Mars už za dva týdny.
Potenciál 242 mil. Am jako jaderného paliva je odvozen ze skutečnosti, že má nejvyšší tepelný štěpný průřez (tisíce stodol ), asi 10x další nejvyšší průřez napříč všemi známými izotopy. 242 m Am je štěpný (protože má lichý počet neutronů ) a má nízkou kritickou hmotnost , srovnatelnou s hmotností 239 Pu . Má velmi vysoký průřez štěpení a je relativně rychle zničen v jaderném reaktoru. Další zpráva tvrdí, že 242 mil. Am může vydržet řetězovou reakci i jako tenký film a lze ji použít pro nový typ jaderné rakety .
Vzhledem k tomu, tepelný absorpční průřez z 242m Am je velmi vysoká, že nejlepší způsob, jak získat 242m Am je zachycením rychlých nebo epitermální neutrony v americia-241 ozařován v rychlém reaktoru . Nicméně, rychlé reaktory spektra nejsou snadno dostupné. Podrobná analýza produkce 242 m Am ve stávajících PWR byla poskytnuta v roce. Studie Karlsruhe Institute of Technology 2008 uvedla odolnost proti šíření 242 m Am .
V roce 2000 Carlo Rubbia v CERN dále rozšířil práci Ronena a Chapline na štěpné fragmentové raketě s použitím 242 m Am jako paliva. Projekt 242 založený na Rubbia design studoval koncept 242m Am na bázi tenkého filmu štěpného fragmentu vyhřívaného NTR pomocí přímé přeměny kinetické energie štěpných fragmentů na zvýšení entalpie hnacího plynu. Projekt 242 studoval použití tohoto pohonného systému na misi s posádkou na Mars. Předběžné výsledky byly velmi uspokojivé a bylo pozorováno, že pohonný systém s těmito vlastnostmi by mohl misi uskutečnit. Další studie se zaměřila na výrobu 242 mil. Am v konvenčních termálních jaderných reaktorech.
