Foguete térmico nuclear pulsado - Pulsed nuclear thermal rocket

Uma sequência para uma manobra estacionária-pulsante-estacionária para um foguete nuclear térmico pulsado. Durante o modo estacionário (trabalhando com potência nominal constante), a temperatura do combustível é sempre constante (linha preta sólida), e o propelente está esfriando (linhas pontilhadas azuis) aquecido na câmara e exaurido no bico (linha pontilhada vermelha). Quando a amplificação em impulso ou impulso específico é necessária, o núcleo nuclear é "ligado" a um modo pulsado. Neste modo, o combustível é continuamente temperado e instantaneamente curado pelos pulsos. Uma vez que os requisitos de alto empuxo e impulso específico não são exigidos, o núcleo nuclear é "ligado" ao modo estacionário inicial.

Um foguete térmico nuclear pulsado é um tipo de conceito de foguete térmico nuclear (NTR) desenvolvido na Universidade Politécnica da Catalunha , Espanha e apresentado na Conferência de Propulsão AIAA / SAE / ASEE 2016 para amplificação de impulso e impulso específico ( I _sp ) de uma forma convencional foguete térmico nuclear.

O foguete térmico nuclear pulsado é um foguete bimodal capaz de trabalhar em modo estacionário (em potência nominal constante como em um NTR convencional), e também em modo pulsado como um reator tipo TRIGA , possibilitando a produção de alta potência e um fluxo intensivo de nêutrons em curtos intervalos de tempo. Em contraste com os reatores nucleares onde as velocidades do refrigerante não são maiores do que alguns metros por segundo e, portanto, o tempo de residência típico é em segundos, no entanto, em câmaras de foguetes com velocidades subsônicas do propelente em torno de centenas de metros por segundo, o tempo de residência é em torno de: e então um pulso de potência longo se traduz em um ganho importante de energia em comparação com o modo estacionário. A energia ganha por pulsar o núcleo nuclear pode ser usada para amplificação de impulso , aumentando o fluxo de massa do propelente, ou usando o fluxo de nêutrons intensivo para produzir uma amplificação de impulso específico muito alta - ainda maior do que o foguete de fragmento de fissão , em que o foguete pulsado o a temperatura final do propelente é limitada apenas pelo resfriamento radiativo após a pulsação. ${\ displaystyle 10 ^ {- 2} s}$${\ displaystyle 10 ^ {- 3} s}$

Declaração do conceito

Um cálculo aproximado para o ganho de energia usando um foguete nuclear térmico pulsado em comparação com o modo estacionário convencional é o seguinte. A energia armazenada no combustível após uma pulsação é o calor sensível armazenado devido ao aumento da temperatura do combustível. Esta energia pode ser escrita como

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

Onde:

${\ displaystyle E _ {\ text {pulse}}}$é o calor sensível armazenado após a pulsação,

${\ displaystyle c_ {f}}$é a capacidade de aquecimento do combustível ,

${\ displaystyle M _ {\ text {f}}}$ é a massa do combustível,

${\ displaystyle \ Delta T}$ é o aumento da temperatura entre as pulsações.

Por outro lado, a energia gerada no modo estacionário, ou seja, quando o núcleo nuclear opera em potência nominal constante, é dada por

${\ displaystyle E _ {\ text {stationary}} = \ chi _ {l} lt}$

Onde:

${\ displaystyle \ chi _ {l}}$ é a potência linear do combustível (potência por comprimento de combustível),

${\ displaystyle l}$ é o comprimento do combustível,

${\ displaystyle t}$é o tempo de residência do propulsor na câmara.

Além disso, para o caso de geometrias cilíndricas para o combustível nuclear , temos

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

e a potência linear dada por

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

Onde:

${\ displaystyle R_ {f}}$ é o raio do combustível cilíndrico,

${\ displaystyle \ rho _ {f}}$a densidade do combustível ,

${\ displaystyle \ kappa _ {f}}$a condutividade térmica do combustível ,

${\ displaystyle T_ {f}}$ é a temperatura do combustível na linha central,

${\ displaystyle T_ {s}}$ é a temperatura da superfície ou do revestimento.

Portanto, a relação de energia entre o modo pulsado e o modo estacionário, produz ${\ displaystyle N = {\ frac {E _ {\ text {pulse}}} {E _ {\ text {estacionário}}}}}$

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

Onde o termo dentro do colchete, é a taxa de têmpera . ${\ displaystyle \ left [{\ frac {\ Delta T} {t}} \ right]}$

Os valores médios típicos dos parâmetros para combustíveis nucleares comuns como combustível MOX ou dióxido de urânio são: capacidades de calor, condutividade térmica e densidades ao redor , e , respectivamente., Com raio próximo a , e a queda de temperatura entre a linha central e o revestimento em ou menos (o que resulta em potência linear ligada . Com esses valores, o ganho de energia é aproximadamente dado por: ${\ displaystyle c_ {f} \ simeq 300J / (mol \ cdot K)}$${\ displaystyle \ kappa _ {f} \ simeq 6W / (K \ cdot m ^ {2})}$${\ displaystyle \ rho _ {f} \ simeq 10 ^ {4} kg / (m ^ {3})}$${\ displaystyle R_ {f} \ simeq 10 ^ {- 2} m}$${\ displaystyle T_ {f} -T_ {s} = 600K}$${\ displaystyle \ chi _ {l} \ simeq 45000W / m)}$

${\ displaystyle N \ simeq 6 \ times 10 ^ {- 3} \ left [{\ frac {\ Delta T} {t}} \ right]}$

onde é fornecido . Como o tempo de residência do propelente na câmara está levando em consideração as velocidades subsônicas do propelente de centenas de metros por segundo e câmaras de metros, então, com diferenças de temperatura ou taxas de têmpera na amplificação de energia por pulsação do núcleo poderia ser milhares de vezes maior do que o modo estacionário. Cálculos mais rigorosos considerando a teoria de transferência de calor transiente mostram ganhos de energia em torno de centenas ou milhares de vezes, ou seja ,. ${\ displaystyle \ left [{\ frac {\ Delta T} {t}} \ right]}$${\ displaystyle K / s}$${\ displaystyle 10 ^ {- 3} s}$${\ displaystyle 10 ^ {- 2} s}$${\ displaystyle \ Delta T \ simeq 10 ^ {3} K}$${\ displaystyle \ left [{\ frac {\ Delta T} {t}} \ right] \ simeq 10 ^ {6} K / s}$${\ displaystyle 10 ^ {2} \ leq N \ leq 10 ^ {3}}$

As taxas de têmpera são típicas na tecnologia de produção de metal amorfo , onde um resfriamento extremamente rápido da ordem de são necessários. ${\ displaystyle \ left [{\ frac {\ Delta T} {t}} \ right] \ geq 10 ^ {6} K / s}$${\ displaystyle 10 ^ {6} K / s \ leq \ left [{\ frac {\ Delta T} {t}} \ right] \ leq 10 ^ {7} K / s}$

Amplificação de impulso direto

A maneira mais direta de aproveitar a energia amplificada pulsando o núcleo nuclear é aumentando o impulso por meio do aumento do fluxo de massa do propelente.

Aumentar o empuxo no modo estacionário - onde a potência é fixada por restrições termodinâmicas, só é possível sacrificando a velocidade de exaustão. Na verdade, o poder é dado por

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

onde está a potência, está o impulso e a velocidade de exaustão. Por outro lado, o impulso é dado por ${\ displaystyle P}$${\ displaystyle F}$${\ displaystyle v _ {\ text {e}}}$

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

onde está o fluxo de massa do propelente. Assim, se for desejado aumentar o empuxo, digamos, n-vezes no modo estacionário, será necessário aumentar- vezes o fluxo de massa do propelente e diminuindo- vezes a velocidade de exaustão. No entanto, se o núcleo nuclear é pulsado, o empuxo pode ser amplificado - vezes ampliando a potência - vezes e o fluxo de massa do propelente - vezes e mantendo constante a velocidade de exaustão. ${\ displaystyle {\ dot {m}} _ {\ text {p}}}$${\ displaystyle n ^ {2}}$${\ displaystyle {\ frac {1} {n}}}$${\ displaystyle n}$${\ displaystyle n}$${\ displaystyle n}$

I _sp amplificação

Conceito de célula unitária de foguete térmico nuclear pulsado para amplificação I _sp . Nessa célula, o hidrogênio-propelente é aquecido pelos intensos pulsos neutrônicos contínuos nos canais do propelente. Ao mesmo tempo, a energia indesejada dos fragmentos de fissão é removida por um canal de resfriamento solitário com lítio ou outro metal líquido.

A obtenção de alta velocidade de exaustão ou impulso específico ( I _sp ) é a primeira preocupação. A expressão mais geral para o I _sp é dada por

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

sendo uma constante, e a temperatura do propelente antes da expansão. Porém, a temperatura do propelente está diretamente relacionada com a energia como , onde está a constante de Boltzmann . Desse modo, ${\ displaystyle c}$${\ displaystyle T}$${\ displaystyle E \ simeq kT}$${\ displaystyle k}$

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

sendo uma constante. ${\ displaystyle c '}$

Em um NTR estacionário convencional, a energia para aquecimento do propelente é quase proveniente dos fragmentos de fissão que abrangem quase 95% da energia total, e a facção de energia dos nêutrons imediatos é de apenas cerca de 5% e, portanto, em comparação, é quase insignificante. No entanto, se o núcleo nuclear é pulsado, ele é capaz de produzir vezes mais energia do que o modo estacionário e, então, a fração de nêutrons imediatos ou pode ser igual ou maior que a energia total no modo estacionário. Como essa energia de nêutrons é transportada diretamente do combustível para o propelente como energia cinética , ao contrário da energia dos fragmentos de fissão que é transportada como calor do combustível para o propelente, ela não é restringida pela segunda lei da termodinâmica, o que significa que há nenhum impedimento para transportar essa energia do combustível para o propelente, mesmo se o combustível estiver mais frio do que o propelente. Em outras palavras, é possível tornar o propelente mais quente do que o combustível, o que é o próprio limite do impulso específico nos NTRs clássicos. ${\ displaystyle E}$ ${\ displaystyle f _ {\ text {n}}}$${\ displaystyle N}$${\ displaystyle f _ {\ text {n}} N}$

Em resumo, se o pulso gerar vezes mais energia do que o modo estacionário, a amplificação I _sp é dada por ${\ displaystyle N}$

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

Onde:

${\ displaystyle I _ {\ text {sp}}}$ é o impulso específico amplificado,

${\ displaystyle I _ {\ text {sp, o}}}$ o impulso específico no modo estacionário,

${\ displaystyle f _ {\ text {n}}}$ a fração de nêutrons imediatos,

${\ displaystyle N}$ a amplificação de energia pulsando o núcleo nuclear.

Com valores entre a e as frações de nêutrons em torno de ,, a amplificação hipotética que pode ser obtida torna o conceito especialmente interessante para voos espaciais interplanetários . ${\ displaystyle N}$${\ displaystyle 10 ^ {2}}$${\ displaystyle 10 ^ {3}}$${\ displaystyle f _ {\ text {n}} \ simeq {\ frac {1} {20}}}$${\ displaystyle I _ {\ text {sp}}}$

Vantagens do design

Existem várias vantagens em relação aos projetos NTR estacionários convencionais. Como a energia de nêutrons é transportada como energia cinética do combustível para o propelente, um propelente mais quente do que o combustível é possível e, portanto, não é limitado à temperatura máxima permitida pelo combustível, ou seja, sua temperatura de fusão. ${\ displaystyle I _ {\ text {sp}}}$

O outro conceito de foguete nuclear que permite um propelente mais quente do que o combustível é o foguete de fragmento de fissão . Porque ele usa diretamente os fragmentos de fissão como um propelente, ele também pode atingir um impulso específico muito alto.

Outras considerações

Para a amplificação, apenas a energia dos nêutrons imediatos e alguma energia gama imediata são usados ​​para esse propósito. O resto da energia, ou seja, quase os fragmentos de fissão, é energia indesejada e deve ser continuamente evacuada por um sistema auxiliar de remoção de calor usando um refrigerante adequado. Os metais líquidos, e particularmente o lítio, podem fornecer as taxas de têmpera rápidas necessárias. Um aspecto a ser considerado é a grande quantidade de energia que deve ser evacuada como calor residual (quase 95% da energia total). Isso implica em uma grande superfície de transferência de calor dedicada. ${\ displaystyle I _ {\ text {sp}}}$${\ displaystyle 95 \%}$

No que diz respeito ao mecanismo de pulsação do núcleo, o modo pulsado pode ser produzido usando uma variedade de configurações dependendo da frequência desejada das pulsações. Por exemplo, o uso de hastes de controle padrão em uma configuração única ou em banco com um mecanismo de acionamento do motor ou o uso de mecanismos pulsantes operados pneumaticamente padrão são adequados para gerar até 10 pulsos por minuto. Para a produção de pulsos em taxas de até 50 pulsações por segundo, o uso de rodas giratórias que introduzem alternadamente veneno de nêutron e combustível ou veneno de nêutron e veneno de não nêutron pode ser considerado. No entanto, para pulsações que classificam os milhares de pulsos por segundo (kHz), choppers ópticos ou rodas modernas que empregam rolamentos magnéticos permitem girar a 10 kHz. Se pulsações ainda mais rápidas forem desejadas, seria necessário fazer uso de um novo tipo de mecanismo de pulsação que não envolva movimento mecânico, por exemplo, lasers (baseados na polarização 3He) como proposto anteriormente por Bowman, ou feixes de prótons e nêutrons. Freqüências na ordem de 1 kHz a 10 kHz são escolhas prováveis.

Veja também

• Foguete de fragmento de fissão

Referências