Jaderná raketa na slanou vodu - Nuclear salt-water rocket

A jaderná raketa na slanou vodu (NSWR) je teoretický typ jaderná termální raketa který navrhl Robert Zubrin.[1] Místo tradičních chemikálií pohonná hmota, jako například v a chemická raketa, raketa bude poháněna soli z plutonium nebo 20 procent obohacený uran. Řešení by bylo obsaženo ve svazku potažených trubek karbid boru (pro jeho vlastnosti absorpce neutronů ). Prostřednictvím kombinace povlaku a prostoru mezi trubkami by se obsah nedostal kritické množství dokud není roztok načerpán do a reakční komora, čímž dosáhne kritického množství a je vytlačen tryskou, aby vytvořil tah.[1]

Navrhovaný design

Ortodoxní chemické rakety využívat tepelnou energii produkovanou chemickými reakcemi v reakční komoře k ohřevu plynných produktů. Výrobky jsou poté vytlačovány pomocí pohonné trysky při velmi vysoké rychlosti, což vytváří tah.[2] V jaderná termální raketa (NTR) se tah vytváří zahříváním tekutiny pomocí reaktoru s jaderným štěpením. Čím nižší je molekulární váha tím, že má vodík nejnižší možnou hodnotu, tím účinnější může být motor. Avšak v tomto motoru může být hnacím prostředkem cokoli s vhodnými vlastnostmi, protože ze strany hnacího plynu nedojde k žádné reakci.[3] V NSWR by jaderná slaná voda byla nucena protékat reakční komorou a ven z výfukové trysky takovým způsobem a takovými rychlostmi, že kritické množství začne, jakmile je komora naplněna do určitého bodu; nicméně vrchol tok neutronů z štěpení reakce by nastala mimo vozidlo.[1]

Výhody designu

Existuje několik výhod oproti konvenčním designům NTR. Jako vrchol tok neutronů a rychlosti štěpení by se vyskytovaly mimo vozidlo, tyto činnosti by mohly být mnohem energičtější, než by mohly být, pokud by bylo nutné je umístit do nádoby (která by kvůli teplotním omezením měla teplotní limity).[1] Kromě toho může uzavřený reaktor v kterémkoli okamžiku umožnit štěpení pouze malého procenta svého paliva, jinak by se přehřál a roztavil se (nebo explodoval v útěku) štěpná řetězová reakce ).[4] Štěpná reakce v NSWR je dynamická a protože jsou reakční produkty vyčerpány do vesmíru, nemá omezení podílu štěpného paliva, které reaguje. V mnoha ohledech NSWR kombinují výhody štěpných reaktorů a štěpných bomb.[1]

Protože dokážou využít sílu v podstatě kontinuálního výbuchu jaderného štěpení, měly by NSWR velmi vysoké tah a velmi vysoká rychlost výfuku, což znamená, že raketa by byla schopna rychle zrychlit a byla by extrémně efektivní z hlediska využití pohonných hmot. Kombinace vysokého tahu a vysokého ISP je velmi vzácná vlastnost ve světě raket.[5] Jedna konstrukce by generovala 13 meganewtonů tahu při rychlosti výfuku 66 km / s (ve srovnání s rychlostí výfuku ~ 4,5 km / s pro nejlepší chemické rakety současnosti).

Návrh a výpočty diskutované výše používají obohacené o 20 procent uran solí by však bylo možné použít jiný design, který by byl schopen dosáhnout mnohem vyšších rychlostí výfukových plynů (4 700 km / s) a použít 2 700 tun vysoce obohacený uran soli ve vodě k pohonu 300 tunové kosmické lodi až na 3,6% rychlosti světla.[1]

"NSWR sdílejí mnoho funkcí Orion pohonné systémy, kromě toho, že NSWRs by generovaly spíše spojitý než pulzní tah a mohou být funkční v mnohem menších měřítcích než nejmenší proveditelné konstrukce Orionu (které jsou obecně velké, kvůli požadavkům systému tlumiče nárazů a minimální velikosti efektivní jaderné výbušniny )."[6]

Omezení

Pohonná látka použitá v původním návrhu by obsahovala poměrně velké množství relativně nákladného izotopu 235U, což by nebylo nákladově efektivní. Pokud by však využití NSWR začalo stoupat, bylo by možné jej nahradit levnějšími izotopy 233U nebo 239Pu buď v štěpných štěpných reaktorech, nebo (mnohem lépe) hybrid jaderné fúze – štěpení reaktory. Tyto štěpy by měly správné vlastnosti, aby sloužily téměř stejně dobře, za relativně nízkou cenu.[1][7]

Další hlavní omezení konstrukce rakety na jadernou slanou vodu od Roberta Zubrina zahrnovalo nedostatek materiálu, který by byl použit v reakční komoře a který by ve skutečnosti mohl udržet takovou reakci v kosmické lodi. Zubrin ve svém návrhu tvrdil, že aparát byl vytvořen tak, aby při procesu rozhodovala rychlost nebo rychlost kapaliny, nikoli materiál. Proto tvrdil, že pokud by byla zvolena správná rychlost pro kapalinu procházející reakční komorou, mohlo by být místo maximálního uvolňování štěpení umístěno na konci komory, což by umožnilo systému zůstat neporušený a bezpečný pro provoz. Tato tvrzení dosud nebyla prokázána, protože nebyl nikdy proveden test takového zařízení.[8]

Například Zubrin tvrdí, že pokud zředěné jaderné palivo proudí do komory rychlostí podobnou rychlosti difúze tepelné neutrony, pak je jaderná reakce uzavřena v komoře a nepoškodí zbytek systému (je to jaderný analog plynový hořák ). Možným problémem v této linii myšlení může být skutečnost, že neutrony ne všechny difundují stejnou (průměrnou) rychlostí, ale mají spíše široká distribuce přes několik řádů. Je docela možné, že ocasy tohoto rozdělení rychlosti by byly dostatečné k tomu, aby generovaly dostatek tepla v systému přívodu paliva (rozptylem a štěpením), aby systém zničily.[Citace je zapotřebí ] Na tuto otázku je možné odpovědět podrobně Monte Carlo simulace transportu neutronů.

Výfuk plavidla by obsahoval radioaktivní izotopy, ale ve vesmíru by se rychle rozptýlily po cestování jen na krátkou vzdálenost; výfuk by také cestoval vysokou rychlostí (podle Zubrinova scénáře, rychlejší než Solar úniková rychlost, což jí nakonec umožňuje opustit sluneční soustavu). To je však k ničemu na povrchu planety, kde by NSWR vyvrhovala obrovské množství přehřáté páry, stále obsahující štěpné jaderné soli. Pozemní testování může být předmětem přiměřených námitek; jak napsal jeden fyzik: „Psaní prohlášení o dopadu na životní prostředí pro takové testy [...] může představovat zajímavý problém ...“[9]. Rovněž není jisté, zda lze štěpení v NSWR řídit: „Otázka, zda lze u raketového motoru řídit rychlou kritičnost, zůstává otevřenou otázkou“.[10]

Viz také

Reference

  1. ^ A b C d E F G R. Zubrin (1991). „Jaderné rakety se slanou vodou: vysoký tah při 10 000 s ISP" (PDF). Journal of the British Interplanetary Society. 44: 371–376.
  2. ^ Angelin, Marcus; Rahm, Martin; Gabrielson, Erik; Gumaelius, Lena (17. srpna 2012). „Raketový vědec na jeden den: zkoumání alternativ pro chemický pohon“. Journal of Chemical Education. 89: 1301–1304. Bibcode:2012JChEd..89.1301A. doi:10.1021 / ed200848r.
  3. ^ Babula, Mariah. „Nukleární termální raketový pohon“. NASA.gov. Kancelář NASA pro vesmírný pohon a analýzu misí. Citováno 1.května, 2016.
  4. ^ Hasegawa, Koichi (březen 2012). „Tváří v tvář jaderným rizikům: poučení z jaderné katastrofy ve Fukušimě“. International Journal of Japanese Sociology. 21 (1): 84–91. doi:10.1111 / j.1475-6781.2012.01164.x.
  5. ^ Braeunig, Robert. „Rocket Propulsion“. braeunig.us. Citováno 1.května, 2016.
  6. ^ Dr. David P. Stern (19. listopadu 2003). „Daleko vzdálené cesty do vesmíru: jaderná energie“. Od hvězdářů po hvězdné lodě. Citováno 14. listopadu 2012.
  7. ^ Kang, Jungmin; von Hippel, Frank N. (2001). „U-232 a odolnost proti šíření U-233 ve vyhořelém palivu“. Věda a globální bezpečnost. 9: 1–32. Bibcode:2001S & GS .... 9 .... 1K. doi:10.1080/08929880108426485.
  8. ^ "Sloupec alternativního pohledu AV-56". www.npl.washington.edu. Citováno 2017-04-18.
  9. ^ John G. Cramer (Prosinec 1992). „Nuke, cesta ke hvězdám (alternativní pohled, sloupec AV-56)“. Analogová sci-fi a fakta. Citováno 2012-03-07.
  10. ^ Dr. Ralph L. McNutt Jr. (31. května 1999). „Realistický mezihvězdný průzkumník“ (PDF). Fáze I Závěrečná zpráva NASA Institute for Advanced Concepts. Citováno 14. listopadu 2012.