cohete reactor de núcleo de gas

Los cohetes con reactor de núcleo de gas son un tipo conceptual de cohete propulsado por el refrigerante residual de un reactor de fisión gaseoso . El núcleo del reactor de fisión nuclear puede ser de gas o plasma . Pueden generar impulsos específicos de 3000 a 5000  s (30 a 50  kN·s/kg, velocidades de escape efectivas de 30 a 50  km/s) y un empuje suficiente para viajes interplanetarios relativamente rápidos. La transferencia de calor al fluido de trabajo ( propelente ) se produce por radiación térmica , principalmente ultravioleta , emitida por el gas de fisión  a una temperatura de trabajo de alrededor de 25 000 °C.

Los cohetes nucleares de núcleo gaseoso pueden proporcionar un impulso específico mucho mayor que los cohetes nucleares de núcleo sólido, ya que sus limitaciones de temperatura se encuentran en las temperaturas estructurales de la tobera y la pared del núcleo, que están alejadas de las regiones más calientes del núcleo gaseoso. En consecuencia, los reactores nucleares de núcleo gaseoso pueden proporcionar temperaturas mucho más altas al propulsor . Los cohetes nucleares térmicos de núcleo sólido pueden desarrollar un impulso específico mayor que los cohetes químicos convencionales debido al bajo peso molecular del propulsor de hidrógeno, pero sus temperaturas de funcionamiento están limitadas por la temperatura máxima del núcleo sólido, ya que las temperaturas del reactor no pueden superar la temperatura de fusión más baja de sus componentes .

Gracias a las temperaturas mucho más elevadas que se pueden alcanzar con el diseño de núcleo gaseoso, este puede proporcionar un impulso específico y un empuje superiores a los de la mayoría de los diseños nucleares convencionales. Esto se traduce en tiempos de tránsito más cortos para los futuros astronautas o en una mayor capacidad de carga útil. Además, podría ser posible utilizar el plasma parcialmente ionizado del núcleo gaseoso para generar electricidad magnetohidrodinámicamente , eliminando así la necesidad de una fuente de alimentación adicional.

Todos los diseños de cohetes con reactor de núcleo de gas comparten varias propiedades en sus núcleos de reactor nuclear, y la mayoría de los diseños comparten los mismos materiales. El concepto de diseño terrestre más similar es el reactor de fisión gaseosa .

Existen dos variantes principales del cohete con reactor de núcleo de gas: los diseños de ciclo abierto , que no contienen el combustible dentro de un recipiente, y los diseños de ciclo cerrado , que contienen el núcleo de reacción de gas dentro de una estructura sólida.

Diseños de ciclo abierto

La desventaja del ciclo abierto es que el combustible puede escaparse con el fluido de trabajo a través de la tobera antes de alcanzar niveles de combustión significativos. Por lo tanto, es necesario encontrar una manera de limitar la pérdida de combustible en los diseños de ciclo abierto. A menos que se recurra a una fuerza externa (por ejemplo, fuerzas magnéticas, aceleración del cohete), la única forma de limitar la mezcla de combustible y propulsor es mediante la hidrodinámica del flujo . Otro problema es que la emisión radiactiva de la tobera hace que el diseño sea totalmente inadecuado para operar dentro de la atmósfera terrestre.

La ventaja del diseño de ciclo abierto es que puede alcanzar temperaturas de funcionamiento mucho más elevadas que el diseño de ciclo cerrado, y no requiere los materiales exóticos necesarios para un diseño de ciclo cerrado adecuado.

Hidrodinámica del flujo en diseños de ciclo abierto

La forma del núcleo de gas fisionable puede ser cilíndrica , toroidal o toroidal de contracorriente . Dado que existen problemas con la pérdida de combustible fisionable en los diseños cilíndricos y toroidales, la geometría del núcleo de gas toroidal de contracorriente es la principal fuente de investigación. El toroide de contracorriente es el más prometedor porque tiene la mejor estabilidad y, teóricamente, previene la mezcla del combustible fisionable y el propulsor de manera más efectiva que los conceptos mencionados anteriormente. En este diseño, el combustible fisionable se mantiene mayormente dentro de una burbuja de recirculación estabilizada por inyección base mediante confinamiento hidrodinámico. La mayoría de los diseños utilizan una pared de núcleo de gas cilíndrica para facilitar el modelado. Sin embargo, pruebas previas de flujo en frío han demostrado que el confinamiento hidrodinámico se logra más fácilmente con un diseño de geometría de pared interna esférica.

La formación del vórtice de combustible es compleja. Básicamente, se reduce a un flujo sobre una forma de proyectil con una base roma. El vórtice se forma colocando una pared semipermeable frente a la ubicación deseada, dejando espacio a sus lados para el propulsor de hidrógeno. El propulsor se bombea dentro de la cavidad del reactor a través de una región de entrada anular. Se desarrolla entonces un espacio muerto detrás de la pared semipermeable; debido a las fuerzas viscosas y de cizallamiento , se genera una rotación contratoroidal. Una vez que se desarrolla el vórtice, se puede inyectar combustible fisionable a través de la placa semipermeable para llevar el reactor a la criticidad. La formación y ubicación del vórtice de combustible dependen ahora de la cantidad de combustible fisionable que se filtra al sistema a través de la pared semipermeable. Cuando se filtra más combustible al sistema a través de la pared, el vórtice se desplaza más aguas abajo. Cuando se filtra menos, el vórtice se desplaza más aguas arriba. Por supuesto, la ubicación aguas arriba está condicionada por la colocación del muro semipermeable .

Diseños de ciclo cerrado

El ciclo cerrado es ventajoso porque su diseño prácticamente elimina la pérdida de combustible, pero la necesidad de una pared física entre el combustible y el propulsor plantea el obstáculo de encontrar un material con características extremadamente optimizadas. Se debe encontrar un medio que sea transparente a un amplio rango de energías gamma, pero que pueda soportar el entorno de radiación presente en el reactor, específicamente el bombardeo de partículas proveniente de las reacciones de fisión cercanas. Este bombardeo de partículas puede provocar pulverización catódica y, eventualmente, erosión de la pared.

Un diseño de cohete de núcleo de gas de ciclo cerrado (a menudo llamado bombilla nuclear ) contiene el gas fisionable en una cámara de cuarzo separada del propulsor. Primero, el refrigerante de hidrógeno circula por la boquilla y el interior de las paredes de la cámara de cuarzo para su enfriamiento. Luego, el refrigerante circula por el exterior de la cámara de combustible de cuarzo. Dado que el gas fisionable estaría en contacto directo con las paredes, la temperatura de funcionamiento no es tan alta como en otros diseños, ya que las paredes acabarían erosionándose .

Salvo que intervenga una fuerza externa, el confinamiento hidrodinámico es la única forma de aumentar el tiempo de residencia del combustible en el reactor. Sin embargo, cabe preguntarse por qué, si no interviene una fuerza externa, no se podría utilizar el confinamiento magnético, dado que el combustible estaría altamente ionizado (tres o cuatro veces) mientras que el propulsor solo estaría parcialmente ionizado. Para responder a esta pregunta, es necesario comprender un poco el confinamiento magnético del plasma. El parámetro clave de interés para el confinamiento magnético es la relación entre la presión cinética y la presión magnética , β.

Cuando β<1 es posible el confinamiento magnético (la mayoría de los esquemas de fusión tienen un β cercano a 0,05). Sin embargo, las presiones en un cohete con núcleo de gas son mucho mayores que las presiones en los dispositivos de fusión, aproximadamente 1000 atm (100 MPa ). Para estas presiones, la intensidad del campo magnético necesaria es cercana a 16 teslas solo para producir β=1. Para un campo magnético de esta magnitud , se requiere tecnología superconductora y la masa adicional de dicho sistema sería perjudicial. Además, incluso con un β<1, la difusión resistiva provocará el colapso del núcleo de combustible casi de inmediato a menos que β<<1, lo que requeriría un campo magnético aún mayor.

Sin embargo, dado que el propulsor y el combustible pueden estar a la misma presión, un campo magnético podría retener el combustible simplemente impidiendo la mezcla convectiva con el propulsor, y no influiría en el mantenimiento de la presión en la cámara del reactor: la presión del combustible no es relevante para el cálculo de β. Debido a que la situación es completamente distinta a la del confinamiento de un plasma de fusión en el vacío, la intensidad requerida de un campo magnético para la retención del combustible de fisión debe estimarse en función de consideraciones magnetohidrodinámicas (en particular, la supresión de la mezcla turbulenta).

Otro aspecto importante de los cohetes de propulsión galáctica (GCR) es el impacto de la aceleración del cohete en la contención del combustible dentro de la burbuja. Una aceleración de tan solo 0,001 g (10  mm/s²) provocará que los efectos de flotabilidad reduzcan la contención del núcleo en un 35 % si todos los demás caudales se mantienen constantes desde el arranque en gravedad cero. En última instancia, será necesario regular el flujo de combustible propulsor hasta que el cohete alcance un estado estacionario.

Dado que en cualquier reactor de núcleo de gas de este tipo se presentarán fuertes gradientes de temperatura, deben considerarse varias implicaciones para la neutrónica. El reactor de núcleo de gas de ciclo abierto (OCGCR) es típicamente un reactor térmico/epitérmico. La mayoría de los tipos de OCGCR requieren moderación externa debido a los fuertes gradientes de temperatura dentro del núcleo gaseoso. Los neutrones generados en la región del combustible viajan relativamente sin obstáculos hasta el moderador externo, donde algunos se termalizan y se envían de vuelta al núcleo de gas. Sin embargo, debido a las altas temperaturas del núcleo, en el viaje de regreso los neutrones se dispersan hacia arriba en la región del combustible, lo que produce un valor negativo significativo del reactor. Para lograr la criticidad, este reactor se opera a muy alta presión y la pared radial exterior está compuesta de algún tipo de moderador, generalmente óxido de berilio. La moderación también puede provenir de la introducción de partículas moderadoras en los flujos de combustible o propulsor, pero al hacerlo, los beneficios en neutrónica se anulan por la pérdida de rendimiento del cohete.

El cohete de núcleo de gas de ciclo abierto posee numerosas características de diseño únicas que lo convierten en un serio competidor para otros sistemas de propulsión propuestos para misiones interplanetarias. Debido a la necesidad de contar con una pared transparente dentro del reactor para un concepto de ciclo cerrado, la ventaja de pasar de un núcleo sólido a uno de gas se ve prácticamente anulada. El alto impulso específico y el gran empuje que permite el OCGCR se traducen en tiempos de misión más cortos y mayores fracciones de carga útil. Sin embargo, los desafíos técnicos y las incógnitas inherentes a su diseño son numerosos. Además, cualquier prueba del sistema realizada en la Tierra se llevaría a cabo bajo un campo gravitatorio de 1 g , lo que provocaría efectos de flotabilidad dentro del núcleo gaseoso.

Debido a la imposibilidad de realizar pruebas en vivo en la Tierra, la investigación se centra principalmente en el modelado computacional de dicho sistema. Anteriormente se mencionó que el impulso específico podría ser tan alto como 3000 s o incluso superior. Sin embargo, los resultados del modelado computacional sugieren que esta cifra es algo optimista. Cuando D. Poston modeló de forma más completa la termohidráulica para un cohete típico de núcleo de gas de recirculación estabilizada por inyección base, el impulso específico se redujo de >3000 s a <1500 s. En el concepto de cohete de núcleo de gas de recirculación estabilizada por inyección base, se cree que algún método adicional de confinamiento de combustible sería beneficioso. Como se mencionó anteriormente, depender completamente del confinamiento magnético de la burbuja de combustible aún no es práctico. Sin embargo, un campo magnético podría ayudar en el confinamiento o contribuir a suprimir la turbulencia que provocaría la mezcla de combustible y propulsor.

Por lo tanto, las principales líneas de investigación futuras para un OCGCR de este tipo se centrarían en minimizar la mezcla entre el combustible y el propulsor. Si bien este artículo se ha enfocado en el uranio enriquecido como combustible y el hidrógeno como propulsor, esta podría no ser la opción óptima para ninguno de los dos. También se han considerado otros combustibles, como el plutonio, y otros propulsores, incluyendo el helio o incluso el helio-3, que en ciertas situaciones ofrecen ventajas.

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• Discovery One

• Abriendo la próxima frontera, por Anthony Tate, copia de archivo del sitio web nuclearspace.com.
• Resumen de los sistemas nucleares no clásicos de cuarta generación // Hoja de ruta de la cuarta generación, Sesión II, Reunión de invierno de la ANS, Reno, Nevada, 13 de noviembre de 2001