Reactor de fisión gaseosa

Un reactor de núcleo de gas , y el reactor de núcleo de vapor , muy similar , es un tipo de reactor nuclear propuesto en el que el combustible nuclear estaría en estado gaseoso en lugar de líquido o sólido. En este tipo de reactor, los únicos materiales que limitarían la temperatura serían las paredes del reactor, y con una refrigeración adecuada de las paredes, el reactor podría funcionar a temperaturas mucho más elevadas. Los reactores convencionales tienen limitaciones más estrictas, ya que el núcleo se fundiría si la temperatura del combustible aumentara demasiado.

Existen dos aplicaciones propuestas para este concepto: la generación de energía eléctrica nuclear y su uso como motor de cohete avanzado . En la primera, la ventaja del diseño radica en la producción directa de un flujo de gas parcialmente ionizado a alta velocidad . Este flujo puede utilizarse para alimentar un generador magnetohidrodinámico (MHD), que puede operar con una eficiencia aproximadamente el doble que la de los reactores tradicionales refrigerados por líquido que utilizan el ciclo Rankine y alcanzan una eficiencia de alrededor del 35 %. La complejidad del diseño y la imposibilidad de diseñar dispositivos MHD rentables y eficaces llevaron a que este concepto se descartara a principios de la década de 1980. En su aplicación como cohete, los gases de escape de alta energía se expanden a través de una tobera para generar empuje. Debido a su elevado contenido energético, un cohete con reactor de núcleo de gas tendrá un rendimiento mucho mayor que incluso los mejores propulsores líquidos para cohetes o los diseños nucleares alternativos que utilizan un núcleo sólido o líquido.

Según la fuente, este concepto básico puede conocerse como reactor de gas , reactor nuclear de gas , reactor de fisión gaseosa y variaciones de estos nombres. El diseño relacionado de "vapor" se diferencia únicamente en que el combustible inicial se presenta parcial o totalmente en forma de gotas de aerosol en lugar de gas.

El reactor de núcleo de vapor (VCR), también llamado reactor de núcleo de gas (GCR), se ha estudiado durante algún tiempo. Tendría un núcleo de gas o vapor compuesto de tetrafluoruro de uranio (UF₄ ₎ con algo de helio ( ^⁴He ) añadido para aumentar la conductividad eléctrica; el núcleo de vapor también podría contener pequeñas gotas de UF₄ _. Tiene aplicaciones tanto terrestres como espaciales. Dado que el concepto espacial no tiene por qué ser económico en el sentido tradicional, permite un enriquecimiento que supere lo que sería aceptable para un sistema terrestre. También permite una mayor proporción de UF₄ con respecto al helio, que en la versión terrestre _se mantendría lo suficientemente alta como para garantizar la criticidad y así aumentar la eficiencia de la conversión directa. La versión terrestre está diseñada para una temperatura de entrada del núcleo de vapor de aproximadamente1500  K y temperatura de salida de2500  K y una relación UF ₄ a helio de alrededor del 20% al 60%. Se cree que la temperatura de salida podría elevarse a la de la8000  K aEn el rango de 15 000  K , el escape sería un gas de electrones en desequilibrio generado por fisión, lo cual sería de mucha mayor importancia para el diseño de un cohete. Una versión terrestre del diagrama de flujo del VCR se puede encontrar en la referencia 2 y en el resumen de sistemas nucleares no clásicos en el segundo enlace externo. El concepto espacial se interrumpiría al final del canal MHD.

^4. Puede utilizarse para aumentar la capacidad del diseño para extraer energía y ser controlado. Unas pocas frases de Anghaie et al. aclaran el razonamiento:

"La densidad de potencia en el conducto MHD es proporcional al producto de ^la conductividad eléctrica , la velocidad al cuadrado y el campo magnético al cuadrado σv²B² ^. Por lo tanto, la extracción de entalpía es muy sensible a las condiciones del fluido de entrada-salida MHD. El reactor de núcleo de vapor proporciona un fluido más caliente que la mayoría, con potencial para una conductividad de equilibrio térmico y velocidades del conducto adecuadas. Considerando el producto v² × B² , es evidente que un fluido de trabajo ligero debería dominar las propiedades térmicas y la fracción de UF₄ ^debería _ser pequeña. Podría ser necesario un aumento adicional de la conductividad eléctrica mediante ^la ionización térmica de materiales semilla adecuados y mediante la ionización fuera del equilibrio por fragmentos de fisión y otra radiación ionizante producida por el proceso de fisión." ^{[ 1 ]}

La variante espacial del reactor de fisión gaseosa se denomina cohete con reactor de núcleo gaseoso . Existen dos enfoques: el ciclo abierto y el ciclo cerrado. En el ciclo abierto, el propulsor, generalmente hidrógeno, se introduce en el reactor, se calienta mediante la reacción nuclear y sale por el otro extremo. Desafortunadamente, el propulsor se contamina con combustible y productos de fisión, y aunque el problema puede mitigarse mediante la ingeniería de la hidrodinámica dentro del reactor, esto hace que el diseño del cohete sea completamente inadecuado para su uso en la atmósfera.

Se podría intentar sortear el problema confinando magnéticamente el combustible de fisión, de forma similar al combustible de fusión en un tokamak . Desafortunadamente, es poco probable que este sistema funcione para contener el combustible, ya que la relación entre la ionización y el momento de la partícula no es favorable. Mientras que un tokamak generalmente contendría deuterio o tritio ionizados una vez , con una masa de dos o tres daltons , el vapor de uranio estaría, como máximo, triplemente ionizado, con una masa de 235 daltons. Dado que la fuerza ejercida por un campo magnético es proporcional a la carga de la partícula, y la aceleración es proporcional a la fuerza dividida por la masa de la partícula, los imanes necesarios para contener el gas de uranio serían excesivamente grandes; la mayoría de estos diseños se han centrado en ciclos de combustible que no dependen de la retención del combustible en el reactor.

En el ciclo cerrado, la reacción está completamente aislada del propulsor. La reacción se lleva a cabo en un recipiente de cuarzo y el propulsor simplemente fluye hacia el exterior, calentándose de forma indirecta. El ciclo cerrado evita la contaminación, ya que el propulsor no puede entrar en el reactor, pero la solución supone una penalización significativa en el impulso específico del cohete .

Para la producción de energía, se puede utilizar un contenedor dentro de un solenoide. Este contenedor se llena con hexafluoruro de uranio gaseoso , enriquecido hasta un nivel cercano a la criticidad. Posteriormente, el hexafluoruro de uranio se comprime externamente, lo que inicia una reacción nuclear en cadena y genera una gran cantidad de calor, provocando su expansión. Dado que el UF₆ _se encuentra dentro del contenedor, no puede escapar y se comprime en otro lugar. El resultado es una onda de plasma que se propaga dentro del contenedor, y el solenoide convierte parte de su energía en electricidad con una eficiencia de aproximadamente el 20%. Además, el contenedor debe refrigerarse, y se puede extraer energía del refrigerante haciéndolo pasar por un intercambiador de calor y un sistema de turbina, como en una central térmica convencional.

Sin embargo, existen enormes problemas de corrosión durante este proceso, ya que el hexafluoruro de uranio es químicamente muy reactivo.

• cohete reactor de núcleo de gas
• propulsión de naves espaciales

• Brown, LC (2001). Reactor de fisión de conversión directa de energía: Informe anual correspondiente al período comprendido entre el 15 de agosto de 2000 y el 30 de septiembre de 2001.
• Knight, T. (fecha desconocida) Diseño de escudo para un reactor de núcleo de vapor espacial [en línea] disponible en archive.org

• "Resumen de sistemas nucleares no clásicos" (PDF) . Archivado del original (PDF) el 15 de octubre de 2004. Consultado el 28 de octubre de 2005 .