Propulsione nucleare termica

Il razzo termico nucleare o nucleo-termico è un mezzo di propulsione di razzi che utilizza un reattore nucleare per riscaldare un propellente fluido. Questo, come nel caso di un motore a razzo convenzionale, viene espulso attraverso un ugello per fornire la spinta che spinge il razzo. In teoria, questo tipo di propulsione consente di raggiungere velocità di espulsione del gas significativamente più elevate e quindi una migliore efficienza rispetto alla propulsione chimica utilizzata sugli attuali lanciatori.

Diverse architetture sono state studiate dall'inizio dell'era spaziale dal semplice nucleo solido (simile a quello di una centrale nucleare) a concetti più complessi ma più efficienti come i nuclei a gas. Sebbene i prototipi siano stati testati a terra dagli Stati Uniti (motore NERVA ) e dall'URSS ( RD-0410 ), nessun razzo che utilizza questo tipo di propulsione ha ancora volato. Il principio di " criticità " della fisica nucleare richiede una massa minima di combustibile e quindi un reattore sufficientemente potente da ridurre il rapporto peso/spinta.

La propulsione nucleare è un fallimento di supporto nel mondo a causa dei rischi del lancio di missili nucleari e del costo finanziario di tale tecnologia. Oggi , il ricorso alla propulsione nucleare è menzionato solo nell'ambito del programma Constellation , per ipotetiche missioni con equipaggio su Marte , in una data lontana (dopo il 2037).

Tuttavia, in maggio 2019La Commissione degli stanziamenti della Camera degli Stati Uniti (in) stanzia un budget di 125 milioni di dollari alla NASA per lo sviluppo di tecnologie di propulsione nucleare. Anche il Congresso degli Stati Uniti ha approvato un budget di $ 100 milioni in più.

introduzione

In un sistema di propulsione nucleare termico o nucleotermico , un propellente, generalmente idrogeno , viene riscaldato ad alta temperatura da un reattore nucleare e viene espulso attraverso un ugello , che genera una spinta .

L'energia del combustibile nucleare sostituisce quella delle reazioni chimiche utilizzate nei lanciatori convenzionali. Grazie alla maggiore densità energetica dei materiali fissili, circa 10 7 volte maggiore dei reagenti chimici, il risultato è una modalità di propulsione più efficiente ( impulso specifico almeno doppio) nonostante il peso considerevole del reattore.

Un tale motore è stato considerato nel US come una sostituzione per il J-2 sulle fasi S-II e S-IVB del Saturn V e Saturn I razzi . Originariamente inteso come "scambio standard" volto a migliorare le prestazioni, sono state studiate versioni sostitutive più grandi dell'S-IVB per missioni lunari o marziane avanzate. Allo stesso modo, l' Unione Sovietica ha preso in considerazione questa opzione per l'ultima fase del razzo lunare N-1 . Tuttavia, nessun prototipo è stato completamente sviluppato fino alla fine della frenesia della corsa allo spazio .

Ad oggi, nessun razzo nucleo-termico è ancora volato.

Design

I sistemi di propulsione nucleare possono essere classificati in base al loro principio del reattore nucleare, che va dal semplice nucleo solido (simile a quello di una centrale nucleare ) a concetti più complessi ma più efficienti come i nuclei a gas.

Cuore forte

Il modello più semplice utilizza un reattore convenzionale (anche se più piccolo) funzionante ad alta temperatura. Questo design limita la temperatura massima di esercizio a quella dei materiali da costruzione in fusione . Poiché l'impulso specifico dipende fortemente dalla temperatura del fluido propulso, si cerca quindi di utilizzare i materiali più resistenti. Ma anche i materiali avanzati meno fusibili hanno una temperatura di fusione molto più bassa di quella che la reazione nucleare potrebbe dare al fluido, quindi il potenziale dell'energia nucleare è in gran parte inutilizzato. Si ritiene che un reattore di questo tipo riesca ad ottenere un impulso specifico da 800 a 900 s , che è il doppio di quello dei migliori motori chimici LOX - LH2 .

Il peso del motore è così grande che raggiungerebbe a malapena un rapporto spinta-peso di 1: 1, essenziale per considerare di staccarsi dall'attrazione terrestre al momento del lancio. Tuttavia, per un dato ΔV , la massa totale del motore e del carburante sarebbe inferiore. Questo tipo di reattore può quindi essere utilizzato solo per gli stadi superiori dei lanciatori quando il veicolo è già in orbita o quasi e la spinta richiesta è inferiore.

Negli Stati Uniti, questo concetto è stato ampiamente testato nell'ambito del programma Rover/NERVA dal 1959 al 1972. Sono state studiate anche molte altre varianti del principio, tra cui:

Dumbo , precursore del concept, si differenzia per il design del suo cuore formato da più tubi a loro volta costituiti da pile di anelli piatti o corrugati che creano canali attraverso i quali l'idrogeno circola dall'interno del tubo verso l'esterno. . Gli anelli sono realizzati in metallo refrattario (tungsteno o molibdeno ) impregnato con UO 2 . All'interno di ogni tubo, quindi nelle zone fredde del reattore, c'è un altro tubo fatto di rondelle di polistirene moderatore impilate e Dural corrugato per la spaziatura. Il gas riscaldato dal dispositivo arriva a 2500 K . Quando è stato abbandonato a favore di NERVA e del suo nucleo di grafite, il principio dello scambiatore di calore Dumbo è stato adattato e trasformato in un sistema di perforazione termica.
Small Nuclear Rocket Engine (SNRE), una versione derivata dalla NERVA, più compatta e con un ugello retrattile divergente destinato agli ultimi stadi dei lanciatori e della navetta spaziale , con una spinta di 73 kN e con un impulso di 875 s ( pubblicizzato come facilmente aggiornabile a 975 s ).

ASPEN , un lanciatore nucleare a stadio singolo progettato da Robert W. Bussard , che opera come ramjet e superstato ( ramjet e scramjet , usano l'aria dall'atmosfera come propellente).
russo IRGIT

Nucleo metallico refrattario

I vantaggi dell'utilizzo di carburante metallico sono:

migliore resistenza alle alte temperature e alla deformazione meccanica,
migliore resistenza alla corrosione da idrogeno,
ritenzione più efficiente dei prodotti di fissione
la possibilità di operare in spettro veloce (quindi senza moderatore all'interno del cuore, e un design più compatto).

Cermet

Il primo modello Cermet nasce dalla fusione delle attività dell'Argonne National Laboratory (ANL) all'inizio del programma Rover e degli studi su velivoli a propulsione nucleare effettuati presso General Electric (noto come Programma 710 ). È molto simile a NERVA nei suoi elementi di combustibile prismatici esagonali a 19 canali, ma il materiale utilizzato è un cermet di tungsteno -UO 2 (60% - 40% in volume) protetto da un rivestimento in tungsteno- renio . I test non sono andati oltre la fase di valutazione dell'elemento combustibile e hanno previsto un I sp di 832 s , una spinta di 100 kN , una potenza di 2 GW e tempi di funzionamento di decine di ore. Tuttavia, le successive ricotte del combustibile provocano la crescita del grano che porta ad un aumento delle perdite di combustibile e prodotti di fissione. Inoltre, le proprietà neutroniche del tungsteno sono di scarso interesse per questo tipo di configurazione. L'ANL e la GE hanno continuato i loro miglioramenti del reattore Cermet (stabilizzazione del grano da tracce di gadolinio , riduzione del gradiente di temperatura grazie a un preriscaldatore, ecc.) mentre le altre squadre coinvolte si sono rivolte ad altri concetti basati su un nucleo metallico.

Cuore cablato

Atomics International ha quindi perseguito gli studi sugli aerei nucleari sulla via del cuore cablato del reattore ( reattore a nucleo metallico ). In questo tipo di reattore a neutroni veloci, l'idrogeno passa radialmente attraverso un nucleo cilindrico costituito da un intreccio di fili arricchiti di combustibile e fili spaziatori.

I son arricchiti sono costituiti da particelle di 0,1 mm di nitruro di tungsteno rivestite con film di uranio A e confezionate in una guaina intrecciata di tungsteno, e questa guaina è tréfilée per formare un cavo di 0,9 mm di diametro.

Come il reattore a letto particellare, questa struttura ha una superficie di scambio molto più ampia di un nucleo prismatico, ma in più la tecnica dell'intreccio permette di distribuire in modo ottimale la potenza del reattore variando la spaziatura dei fili del combustibile. flusso di idrogeno. Un tale motore potrebbe raggiungere una temperatura di 3030 K e un impulso specifico di 930 s .

Moderazione dell'acqua

Da parte sua, il LeRC si sta muovendo verso lo sviluppo di un reattore a neutroni termici detto reattore di tungsteno a moderazione ad acqua ( TWMR , Tungsten-Moderated Water Reactor ). Il nucleo in alluminio è composto da un serbatoio d'acqua moderatore circondato da un riflettore in berillio e attraversato da tubi contenenti ciascuno un elemento combustibile attraverso il quale passa l'idrogeno.

L'acqua circola in un circuito chiuso: raffredda il riflettore mentre lo attraversa e viene raffreddata dall'idrogeno proveniente dal circuito di rigenerazione dell'ugello in sei scambiatori che circondano il riflettore (contrariamente a quanto suggerisce lo schema a lato).

L'elemento combustibile è un rivestimento in tungsteno arricchito da 184 W (molto più trasparente ai neutroni) contenente segmenti prismatici di cermet W-UO 2 . I segmenti sono separati da un piccolo spazio che consente la ridistribuzione del fluido tra ciascun segmento (cosa che i combustibili prismatici Cermet e NERVA non fanno). Il rivestimento è "sospeso" dal riflettore superiore (aspirazione) ed è montato in modo lasco nel suo tubo per isolare la nave dal calore e dalle vibrazioni all'elemento combustibile. L'acqua viene quindi riscaldata principalmente da neutroni e raggi gamma. Sono stati progettati e testati diversi tipi di segmenti di carburante, ritenendo come più promettenti i fogli da 0,51 mm ottenuti arrotolando la miscela W-UO 2 tra due strati di tungsteno puro per evitare perdite di carburante e saldati in un nido d'ape.

Questo tipo di reattore è super-critico . Per mantenerlo a riposo, dei tubicini interposti tra quelli del combustibile contengono un circuito di soluzione di solfato di cadmio CdSO 4 , un veleno neutronico. Per avviare il reattore, la soluzione circola attraverso uno scambiatore di ioni esaurendo la sua concentrazione di veleno. L'operazione inversa si effettua in modo più semplice e veloce reiniettando nel circuito solfato concentrato. Sono stati condotti esperimenti sui neutroni su modelli per convalidare i parametri del concetto. Il modello di riferimento 121 elementi pesa 1130 kg , può produrre 360 MW su una durata complessiva di 10 ore e espelle l'idrogeno a 2480 K .

Reattore a letto di particelle

Un modo per aumentare la temperatura e l'impulso specifico sarebbe quello di non richiedere più che il combustibile sia in una forma rigida di grandi dimensioni e quindi soggetto a notevoli sollecitazioni meccaniche. Questo è il principio del reattore a letto di particelle (detto anche letto fluido , letto di polvere o letto rotante ) in cui il combustibile si presenta sotto forma di particelle sferiche che vengono immerse nell'idrogeno da riscaldare.

I precursori

Questo principio inventato da James R. Powell è stato esplorato più o meno nello stesso periodo di NERVA dal Brookhaven National Laboratory . Le particelle di diametro compreso tra 500 e 700 µm erano composte da un nucleo di carburo di uranio UC 2 rivestito di carbonio poroso (ritenzione dei prodotti di fissione), carbonio pirolitico e uno strato anticorrosivo di carburo di zirconio ZrC. Sono stati proposti due tipi di reattore: il reattore a letto fisso FBR , in cui le particelle sono immagazzinate tra due fritte porose cilindriche, e il reattore a letto rotante RBR , che non ha una fritta interna (calda) e trattiene le particelle contro il gas . esterno (freddo) fritta mediante centrifugazione a ~ 1000 rpm.

Poiché l'RBR non ha una fritta calda, è esente dai problemi associati a questa parte e può produrre una temperatura di uscita più elevata. Inoltre, il motore può essere spurgato a fine funzionamento e poi ricaricato successivamente, questa possibilità evita un riscaldamento prolungato del motore dopo il suo spegnimento (dovuto alla decomposizione di prodotti di fissione instabili) e permette una più facile manutenzione del reattore. Le prestazioni previste erano un I sp di 1000 s e una spinta di 90 kN per una massa di 1370 kg . Molti aspetti meccanici sono rimasti irrisolti.

A causa dell'importante rapporto superficie/volume delle particelle, i sistemi FBR e RBR erano noti per operare un eccellente trasferimento di calore con l'idrogeno e affermavano di essere in grado di raggiungere temperature da 3000 a 3750 K e un I sp da 1000 a 1300 s . Essendo la zona di scambio molto corta, tale sistema ha un'elevata densità di energia che gli consente una configurazione più compatta rispetto a NERVA e quindi ottenendo un miglior rapporto peso/spinta.

Gli studi su questi sistemi non erano molto avanzati quando furono interrotti nel 1973 insieme ad altri programmi di propulsione nucleare.

Timberwind

Il concetto è stato tirato fuori dagli schemi per il progetto Timberwind , avviato in segreto nel 1988 per le esigenze delle " guerre stellari " di Ronald Reagan , poi riciclato nella propulsione nucleare spaziale termica (STNP) nel 1991 e infine riorientato verso l'esplorazione marziana. Clinton amministrazione prima di essere abbandonata nel 1993. Come parte Timberwind, il sistema di propulsione denominato PBR ( Particle reattore a letto ) è destinato per l'ultima fase di missili intercettazione e doveva combinare forte spinta e grande impulso specifico.

Il PBR era costituito da un nucleo di 19 o 37 piccoli elementi prismatici esagonali contenenti ciascuno un letto di particelle fisso circondato da un moderatore. L'idrogeno viene convogliato nel moderatore verso gli elementi che entra attraverso la fritta esterna (fritta fredda), passa attraverso il letto di particelle ed esce riscaldato dalla fritta interna (fritta calda) prima di essere diretto all'uscita del reattore. e l'ugello.

I test effettuati sono rimasti elementari ma promettenti e hanno permesso di prevedere un motore di 500 kg di massa sviluppando 1000 MW di potenza e 200 kN di spinta.

La fattibilità del PBR era però lungi dall'essere dimostrata a causa della corrosione delle particelle (in questo caso penalizzante il rapporto superficie/volume), del disegno della fritta calda, della geometria o della porosità della fritta fredda che deve consentire la distribuzione del flusso di idrogeno per omogeneizzare e massimizzare la temperatura di uscita, e la comparsa di punti caldi dovuti all'instabilità del flusso laminare o all'ostruzione dei pori della fritta che possono provocare la fusione del combustibile locale.

Negli anni '90, l' Università del New Mexico ha studiato una variazione del concetto di FBR, il letto di palla di cannone del reattore ( PeBR , Pellet Bed Reactor ). Ha un'architettura identica all'FBR, tranne per il fatto che le particelle sono racchiuse a centinaia in sfere di grafite di circa 1 cm di diametro, a loro volta protette da un film di ZrC. Sono quindi le superparticelle più grandi che vengono immagazzinate tra le fritte. Un tale reattore avrebbe una potenza di 1000 MW , espellerebbe idrogeno a 3000 K e avrebbe un I sp di circa 1000 s .

Nel 2004, l'uso di 178m2 Hf combustibile , un isomero di afnio 178 ottenuto mediante bombardamento di protoni tantalio o particelle alfa su 176 Yb obiettivo , è stato proposto ; ciò permetterebbe di aumentare ulteriormente la densità energetica, con la proprietà di emettere solo raggi γ . Resta da acquisire il controllo di questa reazione nucleare.

Falena

Dopo la fine del programma Timberwind, Powell, Maise e Paniagua hanno fondato la società Plus Ultra Technology Inc. e si sono proposti di migliorare il concetto svincolato da obiettivi militari che implicavano una forte spinta. Negli anni 2000 hanno poi proposto varie modifiche che hanno permesso di ridurre le dimensioni e la potenza del propulsore mantenendo la densità energetica di ~ 30 MW/l per soddisfare le esigenze di missione più immediate.

La famiglia di motori progettata, denominata MITEE ( Miniature reacTor EnginE , pronunciato come potente ), presenta le seguenti differenze rispetto a PBR:

gli elementi di combustibile esagonali sono infatti reattori elementari con il loro ugello individuale e involucro pressurizzato;
il letto e le fritte sono composti da avvolgimenti di lamiere forate e stampate simili a ravioli pretagliati (i fori assicurano il flusso radiale mentre le tranciature servono a collegare le forature degli strati successivi); la fritta fredda è metallo berillio , il letto è molibdeno e la fritta calda è tungsteno -184;
le fritte calde e fredde sono seminate con materiale fissile;
il materiale fissile è composto da particelle o fibre di UC 2 o UO 2 comprese nei fogli;
l'insieme di 19 o 37 elementi di azionamento è circondato da uno strato di elementi esagonali nel riflettore di neutroni;
il sistema consente il funzionamento bimodale .

La miniaturizzazione è limitata dalla criticità del reattore, raggiungendo così una configurazione minima di 50 kg e sviluppando 100 MW.

Questo tipo di motore è quindi ideale per missioni di piccola massa che richiedono un grande delta-V , come sonde spaziali veloci (capaci di raggiungere ed esplorare i pianeti esterni in anni anziché decenni) o per missioni di intervento su oggetti vicini alla Terra .

Reattore a bassa pressione

All'inizio degli anni '90, l' INEL ha presentato un nuovo concetto: il reattore a bassa pressione ( LPNTR , Low Pressure NTR ). Composto da un cuore sferico cavo di 1 m di diametro in berilio forato con 120 canali conici contenenti ciascuno un letto di particelle, l'idrogeno vi circola da un'entrata interna verso l'esterno della sfera, ad una pressione di circa 1 bar . Questo funzionamento a bassa pressione permette il fenomeno della dissociazione /ricombinazione dell'idrogeno che fa aumentare la temperatura tra 3200 K e 3600 K , e l'impulso specifico fino a 1300 s, praticamente il massimo teorico per motori a nucleo solido.

Il concetto ha il pregio di una grande semplicità: l'assenza di turbomacchine (la pressione del serbatoio è sufficiente per alimentare il reattore) e di barre di comando (la criticità è raggiunta dalla presenza di idrogeno nel reattore) fanno sì che il motore accendino. Un sistema di propulsione composto da un gruppo di 7 piccoli reattori, oltre ad essere più affidabile, eliminerebbe i cardani di orientamento della spinta.

Tuttavia, il concetto è tutt'altro che maturo ovviamente a causa del problema dei nuclei del letto di particelle, ma oltre a comprendere il fenomeno della dissociazione/ricombinazione dell'idrogeno, il controllo del flusso in assenza di pompe, il controllo della reattività senza barre di controllo e la progettazione di un ugello efficiente, per non parlare della necessità di un ambiente di prova depressurizzato.

Reattore a frammenti di fissione

Durante le loro ricerche sui laser pompati da radiazioni nucleari , i laboratori Sandia hanno avuto l'idea di applicare la loro tecnica di riscaldamento diretto a gas alla propulsione spaziale. Il concetto è indicato come foglio del reattore o frammenti di fissione del reattore ( reattore FOIL o reattore assistito a frammenti di fissione )

Il suo principio si basa sulla fissione dell'UO 2 in un film su un substrato. Lo strato di combustibile è sufficientemente sottile (da 1 a 2 µm ) per consentire ai frammenti di fissione di fuoriuscire e riscaldare direttamente il propellente. È quindi possibile ottenere idrogeno ad una temperatura fino a 1000 K superiore a quella dei materiali del nucleo.

Il reattore è composto da più di 100 moduli elementari di 4 m di lunghezza per 36 cm di diametro, ciascuno con il proprio ugello, questi moduli sono montati in un pesante riflettore CD 4 a metano con 4 m di diametro interno e 75 cm di diametro . Ogni modulo è costituito da tubi porosi concentrici in berillio rivestiti con 2 µm di carburante. I tubi concentrici separano alternativamente zone anulari sottili (3 mm , aspirazione) e larghe (5 cm , scarico). L'idrogeno viene iniettato negli anelli sottili, passa attraverso i tubi porosi agli anelli larghi e fuoriesce riscaldato attraverso l'ugello.

Con una temperatura dell'idrogeno proiettata di 3400 K , l'impulso specifico sarebbe di 990 s . Il sistema è altamente ridondante e ha una bassa densità di energia, che gli conferisce un'ottima affidabilità. Al contrario, rifiuta metà dei suoi prodotti di fissione e si affida all'ipotetica capacità tecnologica di depositare un rivestimento combustibile su un substrato poroso.

Cuore liquido

Un miglioramento significativo può essere ottenuto miscelando il materiale fissile con il fluido propellente e attivando la reazione nucleare all'interno del fluido stesso. Questo è il principio del reattore a nucleo liquido che può funzionare a temperature superiori a quella della fusione del combustibile. In questo caso il limite è imposto dalla temperatura che può sopportare il confinamento del nocciolo (tipicamente un materiale riflettente i neutroni) attivamente raffreddato dalla circolazione del fluido dal giacimento al nocciolo.

La difficoltà progettuale risiede nel fatto che la reazione nucleare potrebbe protrarsi per molto più tempo della durata della presenza del fluido nel nocciolo, rendendo il principio base estremamente costoso nell'uranio. Il sistema dovrebbe essere in grado di trattenere il carburante nel nocciolo lasciando fuoriuscire l'idrogeno all'ugello.

Camera anulare

Il Brookhaven National Laboratory ha studiato il concetto di camera anulare del reattore o LARS ( Liquid Annular Reactor System ) in cui il combustibile liquefatto viene centrifugato in tamburi alloggiati in cavità cilindriche del materiale moderatore raffreddato. Lo strato esterno di combustibile è solidificato perché a contatto con il tamburo refrigerato, mentre lo strato interno è liquido e rotante. L'idrogeno scorre longitudinalmente al centro del tamburo ed è quindi essenzialmente riscaldato per irraggiamento, per migliorare il trasferimento di calore, viene seminato con particelle opacizzanti.

A causa dell'altissima temperatura di fusione del combustibile (da 3000 a 5000 K ), e della dissociazione dell'idrogeno, l' Isp atteso è compreso tra 1600 e 2000 s . Un motore di 110 cm di diametro composto da 7 camere da 30 cm peserebbe 3 t e svilupperebbe 300 MW di potenza e 20 kN di spinta.

Questo sistema in cui il combustibile non è confinato consente il rilascio di prodotti di fissione gassosi, che offre una migliore sicurezza post-operativa. Non si esclude, invece, l'eventuale perdita di carburante, tanto più che non è stata valutata la sua stabilità in fase di accelerazione del veicolo. Rimangono molti altri punti da convalidare per stabilire la fattibilità del concetto.

Reattore con nucleo di goccioline

Il reattore droplet core o DCNR ( Droplet Core Nuclear Rocket ) studiato presso l'Innovative Nuclear Space Power & Propulsion Institute dell'Università della Florida si basa su un circuito di uranio liquido proiettato sotto forma di goccioline nel reattore e poi recuperato mediante centrifugazione. lasciando il reattore. Deriva dagli studi di un reattore a nocciolo colloidale (basato su particelle solide) e di un reattore liquido rotante (simile al reattore a camera anulare, ma dove l'uranio liquido è attraversato dall'idrogeno).

L'uranio viene liquefatto a 2000 K e vaporizzato in goccioline da 2 a 20 µm all'ingresso del reattore. L'idrogeno viene iniettato attraverso le pareti del reattore, garantendone così il raffreddamento e proteggendolo dal contatto con le gocce di combustibile. Verso l'uscita del reattore, l'idrogeno viene iniettato tangenzialmente, imprimendo così un movimento vorticoso alla nube di goccioline. L'uranio viene poi deportato per forza centrifuga verso le pareti del reattore dove un film di litio -6 soffoca la reazione, scioglie il combustibile e lo estrae dal reattore prima del collo dell'ugello. Un separatore recupera l'uranio e lo restituisce al suo circuito.

Il carburante sotto forma di goccioline offre il vantaggio di un enorme rapporto superficie/volume (circa 10 6 m 2 / m 3 ). La metà del trasferimento di calore all'idrogeno verrebbe effettuato direttamente dall'energia cinetica dei frammenti di fissione. Il fluido raggiungerebbe così i 6000 K e la I sp 2000 s .

La dinamica dei diversi fluidi e dei materiali utilizzati rappresentano le principali difficoltà progettuali da superare, per cui lo sforzo di sviluppo richiesto è simile a quello richiesto per i sistemi core a gas, pur avendo prestazioni inferiori.

Reattore ad acqua salata

Un design radicalmente diverso, proposto da Robert Zubrin e chiamato reattore ad acqua salata (con sale di plutonio o U 235 , ovviamente), utilizza l'acqua sia come propellente che come moderatore e non trattiene combustibile, il che semplifica il design. Il serbatoio e la linea del fluido devono essere realizzati con materiali e geometrie che assorbono i neutroni in modo che la reazione a catena non avvenga prima di essere immessa nella “camera di combustione”. Un tale motore potrebbe sviluppare una spinta di 13 MN per un I sp di 6.700 s . Tuttavia, la sua operazione rilascerebbe enormi quantità di materiale altamente radioattivo. Potrebbe essere usato solo al di fuori dell'atmosfera e della magnetosfera .

cuore gassoso

L'ultima classe di motori nucleotermici è il reattore con nocciolo a gas . Questa estensione del concetto di nucleo liquido consiste in una camera sferica (tipicamente di 2,4 m di diametro circondata da 46 cm di moderatore di ossido di berillio) al centro della quale viene iniettato uranio. L'idrogeno viene iniettato attraverso le pareti porose della camera, mantenendo così il combustibile in una tasca centrale dove la sua temperatura può raggiungere liberamente diverse decine di migliaia di gradi. La I sp ottenuta va da 2.500 a 6.500 s per una spinta da 20 a 400 kN a seconda della taglia del motore da 40 a 210 t , radiatore compreso (oltre alla circolazione di idrogeno propellente, si propone di raffreddare il dispositivo da un circuito aggiuntivo passante in un radiatore, appesantendo il motore ma migliorando l'impulso specifico).

Il combustibile è sotto forma di pellet che vengono vaporizzati quando arrivano nella camera, ma per l'accensione del reattore deve essere sotto forma di particelle. In modo che il 99,5% dell'energia termica irradiata dal nucleo gassoso venga assorbita dall'idrogeno, viene opacizzata dalla semina di particelle di grafite, tungsteno o uranio naturale durante la sua iniezione. La proporzione in massa delle particelle varia dal 5% nella camera al 20% nella gola dell'ugello.

Secondo questo principio basilare in ciclo aperto , la fuoriuscita di combustibile nucleare è difficile da controllare (circa l'1% della massa espulsa deriva dalla perdita di combustibile) e ne vieta l'uso in prossimità della Terra. Ciò ha portato allo studio di una configurazione del motore a ciclo chiuso oa bulbo nucleare , in cui il combustibile gassoso è confinato in tubi di quarzo ad altissima temperatura all'esterno dei quali circola l'idrogeno. Questo sistema di scambio termico è più vicino a quello del reattore a nucleo solido, tranne per il fatto che non è più limitato dalla temperatura di fusione del combustibile ma da quella del quarzo. Sebbene meno efficiente del gas a ciclo aperto, questo design raggiunge prestazioni di impulso specifiche rispettabili da 1500 a 2000 s .

Per ottenere una migliore superficie radiativa, il motore è composto da sette tubi di 25 cm di diametro per 1,80 m di lunghezza (che rappresenta 2,2 volte più superficie di un singolo tubo dello stesso volume totale). Questi tubi sono posti in sette cavità realizzate in un moderatore di neutroni / materiale riflettore.

Al fine di limitare la deposizione di combustibile (o residui di fissione) sulle pareti dei tubi, viene mantenuto in vortice utilizzando un circuito chiuso di neon . Questo neon viene iniettato tangenzialmente a livello delle pareti interne dei tubi, formando un vortice periferico contenente al centro il combustibile nucleare, quindi viene prelevato all'estremità del tubo, raffreddato, purificato per centrifugazione (per separare le tracce di carburante) e reiniettato.

Ogni tubo è attraversato da mille canali che un circuito chiuso ad idrogeno raffredda, oltre a vari altri organi e strutture, in particolare il radiatore del circuito al neon. L'idrogeno a circuito aperto (proveniente dal serbatoio e destinato agli ugelli) passa solo attraverso uno scambiatore con il circuito chiuso e i materiali moderanti prima di raggiungere i 3500 K nell'intercapedine radiante (cioè già la temperatura che avrebbe) all'uscita di un reattore a nucleo solido). Viene poi opacizzato da particelle di tungsteno, esposto alla radiazione del combustibile gassoso a 12.000 K e raggiunge quasi i 10.000 K all'altra estremità della cavità.

Propulsione nucleare contro propulsione chimica

Confrontare direttamente le prestazioni dei motori nucleari e chimici non è facile; il design di un razzo è il compromesso di diverse soluzioni che danno il miglior risultato complessivo. Nell'esempio seguente, uno stadio basato su un motore NERVA, versione 1961, viene confrontato con lo stadio S-IVB del razzo Saturn V che avrebbe dovuto sostituire.

Per una data spinta , il motore deve erogare una potenza definita da (dove è la velocità di espulsione, proporzionale all'impulso specifico:) . Quindi, il motore J-2 dell'S-IVB sviluppa P = 414 s * (1014 kN * 9,81) / 2 ≈ 2060 MW, questa potenza rilasciata dalla reazione chimica corrisponde a quella di un grande reattore nucleare. $T$ $P = T * V_e / 2$ $V_ {e}$ $V_e = I_ {sp} * g$

Secondo la formula precedente, un motore nucleare di spinta equivalente dovrebbe avere una potenza di 4.600 MW (assumendo che lo scambio termico sia idealmente efficiente). Nota che questo aumento di potenza è solo il risultato del più importante. Le configurazioni proposte per NERVA arrivano fino a 5 GW , che ne farebbero i reattori nucleari più potenti al mondo. Ma con tale potenza, il reattore dovrebbe avere dimensioni e massa proibitive. Poiché la spinta determina il tempo di accensione ma non influenza il delta-V ottenuto, questo confronto sarà basato su un motore NERVA con 266 kN di spinta: la potenza del reattore è quindi di 1.044 MW . $io_ {sp}$

La portata del fluido propellente per una data spinta è definita da . Per il motore J-2, = 1014 kN / (414 * 9,81) ≈ 250 kg/s . Per il motore NERVA sarebbe solo 34 kg/s . Tenendo conto del fatto che l'idrogeno è sei volte meno denso della miscela ossigeno/idrogeno utilizzata dal J-2, le portate in volume sono entrambe dell'ordine delle centinaia di litri al secondo. $T$ $d_m = T / V_e$ $d_m$

L'idea di una sostituzione standard dello stadio S-IVB prevede uno stadio NERVA delle stesse dimensioni, ovvero lo stesso volume di carburante . L'S-IVB trasporta circa 310 m 3 di carburante con un rapporto di massa LOX/LH2 di 5,5: 1, che rappresenta quindi una massa totale di carburante di 106.600 kg . Uno stadio NERVA delle stesse dimensioni (ignorando la differenza di cilindrata e lo spazio recuperato dall'assenza di separazione tra due serbatoi) trasporterebbe quindi 310 m 3 di LH2, ovvero 22.000 kg . Dividendo queste masse per la portata massica dei rispettivi motori si ottiene la durata dell'accensione di questi stadi, cioè 427 s per il J-2 dell'S-IVB (in realtà tale durata è di 500 s perché il motore non girare a tutta velocità durante i primi 100 secondi) e 650 s per uno stadio motore NERVA.

La variazione di velocità delta-V può essere calcolata dall'equazione di Tsiolkowski basata sul rapporto tra le masse iniziale e finale:

\ Delta v \ = V_e \ cdot \ ln \ frac {m_0} {m_1}

dove è la massa iniziale (con carburante) e la massa finale (o massa secca, o massa inerte, serbatoio/i vuoto/i). La massa a secco di un S-IVB è di 13.300 kg di cui 1.438 kg di motore J-2. Per una sostituzione da parte della NERVA, tenendo conto dei 6.803 kg del motore (e trascurando il risparmio di peso dovuto all'assenza di collegamento tra i serbatoi) abbiamo una massa a secco di 18.665 kg . La leggerezza del carburante NERVA compensa ampiamente il sovrappeso del motore, essendo l'intero stadio ( ) tre volte più leggero dell'S-IVB originale. ${m_0}$ ${m_1}$ ${m_0}$

Secondo l'equazione precedente (e in assenza di carico utile), la versione J-2 genererebbe una velocità di 8.930 m/s . La versione nucleare otterrebbe solo 6.115 m/s . Questo minor rendimento è dovuto ad una maggiore massa secca ma anche all'espulsione di un fluido che è certo più veloce ma meno denso. La versione nucleare della scena sembra a priori meno interessante. $\ Delta V$

Caratteristiche dello stadio S-IVB e sue sostituzioni
in corsivo , valori di specifica; in evidenza, le scelte dimensionali del palco NERVA

Motore				D-2	NERVA
Spinta	T		kN	1.014	266
Massa motore	m M		kg	1.438	6.803
Impulso specifico	io sp		S	414	800
Potere	P	= GI sp. T / 2	MW	2.059	1.044
Flusso di massa	d m	= T / (gI sp )	kg/sec	250	34
Portata volumetrica	d v	= d m / densità	l / s	726	477
Piano				S-IVB	stessa taglia	stessa massa	SN C-5N
Massa secca	m 1		kg	13.300	18 665	42.389	10.429
Massa iniziale	m 0		kg	119.900	40 683	119.000	53.694
Massa del serbatoio	m R	= m 1 -m M	kg	11 862	11 862	35.586	3.626
Massa di carburante	m P	= m 0 - m 1	kg	106,600	22,018	77.511	43.265
Volume di carburante	V P	= m P / densità	m³	310	310	1.091	609
Tempo di combustione	t B	= m P / d m	S	427	650	2 287	1.272
Delta-V senza carico	V	= gI sp .ln (m 0 / m 1 )	SM	8 930	6 115	8.160	12.861
Delta-V con carico di 45 t			SM	4 223	2 331	4.983	4.528

Tuttavia, questa semplice analisi non tiene conto di alcuni aspetti importanti:

Il nuovo stadio pesa molto meno del vecchio, il che significa che gli stadi più bassi gli avranno dato più velocità iniziale;
I calcoli sono fatti per una sostituzione dello stesso volume, che è una cattiva ipotesi perché uno stadio è generalmente progettato tanto pesante quanto le capacità di varo degli stadi inferiori lo consentono;
Il delta-V è calcolato con un'assenza di carico utile, il che dà una scala di confronto ma non ha molto senso, soprattutto perché le prestazioni possono benissimo essere invertite in base a questo carico.

In quest'ottica, la prevista sostituzione deve quindi essere effettuata con uno stadio di massa equivalente a S-IVB, e quindi molto maggiore (a causa della differenza di densità dei combustibili). Semplicemente supponendo che il peso del serbatoio sia triplicato (quindi pesando 35.586 kg ), si ottiene una massa a secco di 42.389 kg , e per la stessa massa iniziale dell'S-IVB si possono trasportare 77.511 kg di LH2. Il nuovo vuoto è di 8.160 m/s , ancora peggiore di quello dell'S-IVB. Più aumenta il carico utile, più il rapporto tende ad 1 (la massa secca ha sempre meno importanza) e più il parametro diventa determinante. Con un carico utile di 45 t (il peso della missione Apollo 11 ), l' S-IVB e il suo sostituto sono rispettivamente di 4223 e 4983 m/s , mostrando così l'evidente vantaggio della propulsione nucleare. ${m_1}$ $\ Delta V$ ${m_0} / {m_1}$ $V_ {e}$ $\ Delta V$

Certo, l'aumento delle dimensioni del serbatoio non è privo di problemi: il veicolo deve poter essere assemblato nel VAB e poter passare sotto i 125 m di altezza delle porte dell'edificio. Improvvisamente, la configurazione RIFT ( Reactor In-Flight Test ), proposta nel 1961 e dettagliata nell'ultima colonna della tabella precedente, assunse dimensioni più modeste. Il veicolo ha aumentato il carico che poteva essere lanciato in orbita terrestre bassa da 120 a 155 t .

Rischi

Esiste una probabilità intrinseca che il razzo si guasti nell'atmosfera o in orbita, causando la dispersione dei materiali del motore e la ricaduta radioattiva . Malfunzionamenti più gravi e catastrofici con conseguente contaminazione ambientale potrebbero verificarsi a seguito dell'esplosione del lanciatore, rottura del contenimento del nucleo a causa di detriti orbitali , fissione incontrollata, affaticamento strutturale o danni al nucleo .

Riferimenti

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Specifiche del motore NERVA su astronautix.com
Caratteristiche di uno stage S-IVB (SV) su astronautix.com
Caratteristiche dello stadio nucleare SN C-5N su astronautix.com