核能利用之核动力航天器

2021-02-18 14:14  来源:嘿嘿能源heypower    核动力航天器  核反应堆  核能利用  核动力  核聚变

关于核能在航天方面的应用,在20世纪50年代初期,主要想法是通过在航天器后面进行核爆来获取前进的动力。因为每次爆炸都会形成一个脉冲,因此也被称为核脉冲推进,这使航天器能够沿脉冲波行进,同时沿途获得动力。


关于核能在航天方面的应用,在20世纪50年代初期,主要想法是通过在航天器后面进行核爆来获取前进的动力。因为每次爆炸都会形成一个脉冲,因此也被称为核脉冲推进,这使航天器能够沿脉冲波行进,同时沿途获得动力。

“猎户座计划”就是这样的一个核脉冲项目,研究是否可以在航天器后面制造出受控的核爆炸,以将其推进至火星甚至到达其他目的地。General atomics 负责了“猎户座计划”的主要研究工作,经过计算火星往返任务需要540–1080枚核弹。

代达罗斯计划(Daedalus)比猎户座计划更加先进,它是由英国行星际协会于20世纪70年代进行的一项研究。与猎户座计划设想的裂变脉冲相比,代达罗斯计划使用氘/氦原子混合物小球制造聚变爆炸。

平均每分钟将引爆250颗小球,并且由爆炸产生的等离子体将从航天器的喷嘴中排出。

航天器到达星际目的地所要求的最小排气速度是9210 km / s。

航天器的聚变推进

从前面的部分可以看出,燃烧室中的温度越高,所产生的排气速度就越大,产生更高的比冲从而缩短深空飞行任务时间。当然,与任何其他传统方式相比,裂变反应堆的温度和排气速度更高。

但是就燃烧室温度而言,还有一种更为有效的方法,那就是核聚变。聚变是链式反应中两个元素的融合,从而释放出大量能量。聚变所产生的热量(作为能量的一部分)远远大于裂变,因此可以实现更高的速度。然而,热分散和等离子体不稳定性问题仍然是重要的挑战。

聚变推进有两种工作方式。

第一种方式,航天器通过二回路发电并通过离子推进产生推力。在离子推进中,推力基本上是由高速离子释放产生的,航天器将获得等量相反的动量。

产生足够的电力来推动离子是一项艰巨的任务,但是离子通过一些转换方法可以与核能产物相结合,可以产生非常高效的离子驱动器,甚至可以用于星际旅行。为此, NASA和ROSCOSMOS正在进行一些研究。

当前所面临的问题均与过量的热有关,比如二回路循环所需的大量介质以及热分散问题。

聚变推进的第二种方式是聚变驱动火箭(FDR),由NASA负责研究。FDR使用固体锂推进剂,该推进剂通过聚变反应产生的热量而加速,然后通过使用磁屏蔽来避免直接接触航天器。推进剂将以大于30 km / s的速度从喷嘴中喷出。为了实现单程90天的火星旅行任务,目前正在进行多项计划。

在聚变推进的方法中,FDR的使用似乎是最合理的。因为据观察,NASA为数家公司和实验室提供了大量的研究经费,以研究FDR的变体。此外,FDR采用磁屏蔽方式对热量和辐射进行隔离,因此屏蔽器的质量很小。NASA报告指出, FDR航天器重103吨,可以执行火星往返飞行。

核动力航天器的材料要求

航天器核反应堆的顺利运行将取决于温度水平。因此,航天器内所有的元件都需要承受很高的温度和压力,保证在任务期间的高效可靠。同样需要注意的是航天器内粘性流体中存在剪切应力。因此,航天器必须能够承受由冷却剂中的压差引起的负载。

此外,堆芯和排放部件将承受高温差,这些部件和区域将承受热应力。

实际上,航天器需要高功率密度和由于高温差产生的高压差。总是出现极端的高温差、高压差、堆芯散热速率以及热应力和剪切应力现象。

另外,对于核能火箭发动机,在几十秒内完成从启动至满负荷并达到最高温度至关重要。实际上,启动程序必须连续进行,这将影响各个部件,尤其是燃料元件。燃料元件需要承受高热应力,因此,燃料元件必须通过蠕变来减轻这些应力。

就像燃料元件一样,内部的高温差也会增加慢化剂中的热应力。另外,慢化剂和推进剂的化学相容是非常重要的,因为推进剂还兼作冷却剂,用于去除中子和伽马热量。

航天器最常见的推进剂是氢气,因为它的分子量低而且还可以作为高效的慢化剂。但是,由于中子质子碰撞发生高速散射,氢不能作为良好的中子反射器。氢的热中子吸收横截面较大,因此氢可以很好地使中子热化,但不足以吸收核反应中的中子。

FDR的整体结构都将会受到推进系统的影响,尤其是靠近堆芯的上部结构以及喷嘴出口附近区域。此外,氢作为推进剂还会对航天器产生腐蚀和震动影响。液态推进剂通过辐射加热后以气体形式进入反应堆堆芯。航天器的结构必须能够承受气态氢的腐蚀作用,才能高效完成任务。

此外,氢气离开反应堆堆芯时处于过热状态,具有腐蚀和侵蚀的特性。实际上,过热的氢气将与碳颗粒反应,并立即形成碳氢化合物。因此,在航天器上使用石墨或富勒烯必须经过仔细考虑。

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