Los cohetes térmicos nucleares de núcleo sólido existen desde hace tiempo y estaba pensando en usarlos como propulsión principal en mi entorno. Ahora, la mayoría de los cohetes Solid Core todavía tienen tiempos de tránsito bastante largos (algo así como 3-4 meses solo para llegar a Marte, más tiempo para llegar a otro lugar). ¿Sería seguro asumir que la tecnología ha avanzado lo suficiente como para reducir un poco los tiempos de viaje, o es este el rendimiento máximo? La razón por la que estoy investigando la energía nuclear térmica es que no quiero que naves antorcha como el Orión corran por ahí, junto con todas sus implicaciones.
El rendimiento teórico máximo de los NTR se calculó en los años 60 como ISP @ 1000. Si bien es considerablemente mejor que un motor LOX/H2 (ISP teórico @ 450), el punto de fricción principal es la temperatura en la que los metales pierden su fuerza. Hacer que su estructura de empuje se doble como un caramelo mientras está bajo empuje completo tendería a arruinar su día.
La tabla de motores de cohetes atómicos toma esto como punto de partida:
Los cohetes térmicos nucleares de núcleo sólido tienen una temperatura central nominal de 2750 K (4490 ° F).
Esto está bastante cerca del punto de fusión de muchos materiales de ingeniería comunes, por lo que puede ver que ya está operando con algunos márgenes bastante pequeños.
El alto calor necesario para un buen rendimiento también tiene otro efecto secundario negativo:
Un problema con los NTR de núcleo sólido es que si el propulsor es corrosivo, es decir, si se oxida o se reduce, calentarlo a tres mil grados lo hará más reactivo. Sin una capa protectora, el propulsor comenzará a corroer el interior del reactor, lo que provocará una verdadera emoción cuando comience a disolver las barras de combustible radiactivo. Lo que es peor, una capa protectora contra un químico oxidante es inútil contra un químico reductor, lo que dificultará su reabastecimiento de combustible en la naturaleza. Y tratar de protegerse contra ambos es una pesadilla de ingeniería. Los propulsores oxidantes incluyen oxígeno, agua y dióxido de carbono, mientras que los propulsores reductores incluyen hidrógeno, amoníaco y metano. El monóxido de carbono no lo es, ya que el átomo de carbono tiene un control mortal sobre el átomo de oxígeno.
Tenga en cuenta que el efecto oxidante/reductor es solo un problema con los NTR de núcleo sólido, no con los otros tipos. Esto se debe a que solo los NTR de núcleo sólido tienen elementos de reactor sólidos expuestos al propulsor (para calentar).
A lo largo de los años, se han propuesto varias iteraciones de NTR. Quizás el artículo más cercano a un vuelo fue " TIMBERWIND ", un núcleo nuclear de lecho de guijarros con una relación de empuje a peso superior a uno (es decir, un cohete propulsado por TIMBERWIND podría haber despegado de la Tierra). Esto utiliza materiales de carbono/carbono de alta temperatura para lidiar con el intenso calor y la radiación nuclear, así como para reducir drásticamente la masa del motor.
Un truco final que podría usarse en un NTR es un "NTR de núcleo sólido pulsado". Esto utiliza un extraño truco nuclear en el que el reactor funciona a una salida mucho más alta en pulsos, lo que permite que el combustible capture parte de la energía de los neutrones que de otro modo no se capturaría:
Amplificación de impulsos específicos: esto es realmente inteligente. Para este truco, mantiene el flujo de masa del propulsor igual que antes.
En un reactor nuclear de fisión, el 95% de la energía del reactor proviene de fragmentos de fisión, y solo el 5% proviene de neutrones rápidos. En un NTR de núcleo sólido convencional, el propulsor no está expuesto a suficientes neutrones para obtener energía medible de ellos. Toda la energía proviene de fragmentos de fisión.
Pero en modo pulso, ese 5% de energía de los neutrones podría ser mayor que el 95% de energía de los fragmentos de fisión en modo estacionario. La diferencia es que la energía del fragmento de fisión calienta el reactor y el calor del reactor da energía al propulsor. Y si el reactor se calienta demasiado se derrite. Pero la energía de los neutrones no calienta el reactor, atraviesa y calienta directamente el propulsor.
El resultado final es que, en el modo de pulso, puede hacer que el propulsor se caliente más que el reactor. Lo que significa un impulso específico mucho más alto que un NTR de núcleo sólido convencional que funciona lo suficientemente caliente como para estar justo al borde de la fusión.
La termodinámica no permitirá que la energía térmica pase de algo más frío a algo más caliente, por lo que no puede hacer que el propulsor se caliente más que el reactor. Pero en este caso estamos calentando el propulsor con energía cinética de neutrones, que tiene mucho que ver con la termodinámica.
El inconveniente, por supuesto, es que el 95% de la energía de los fragmentos de fisión aumenta al igual que la energía de los neutrones. El punto importante es que al usar pulsos puede usar un sistema de enfriamiento auxiliar para enfriar el reactor antes de que se derrita, a diferencia de un NTR convencional.
Uno tiene la sensación de que esto no es para los débiles de corazón, y cualquier error de cálculo tendrá efectos muy graves en su cohete.
Por lo tanto, es posible mejorar el rendimiento de los NTR mediante el uso de materiales de carbono/carbono livianos y resistentes a altas temperaturas, reactores nucleares de "lecho de guijarros" y modulación complicada de las salidas de neutrones. El rendimiento será principalmente en forma de ISP mucho más alto (es decir, obtiene mucho más rendimiento para la misma cantidad de masa de reacción) en lugar de un mayor empuje, pero la lectura cuidadosa de los artículos debería permitirle calcular aproximadamente dónde se encuentra el "punto óptimo". " es para cualquier propósito de la historia que desee. Un motor de alto empuje probablemente será más grande y usará más masa de reacción, mientras que un motor de ISP alto será mucho más económico en masa de reacción para un rendimiento similar en comparación con los motores de ISP bajo.
Editar para agregar:
Un comentarista señaló que no había mencionado los NTR con núcleo líquido o gaseoso. Esto es un descuido de mi parte, pero generalmente no los considero ya que la ingeniería es mucho más especulativa que con los NTR de núcleo sólido y los motores de mayor rendimiento que superarían a la tecnología NTR en el futuro. En esencia, creo que los NTR con núcleo líquido y gaseoso son callejones sin salida tecnológicos y serán superados por otras tecnologías mucho antes de que puedan perfeccionarse.
Una vez que necesita aumentar el nivel de rendimiento más allá de eso, está mirando reactores de fragmentos de fisión polvorientos o cohetes propulsados por fusión .
Los cohetes térmicos nucleares de núcleo sólido existen desde hace un tiempo.
No en realidad no.
¿Sería seguro asumir que la tecnología ha avanzado lo suficiente como para reducir un poco los tiempos de viaje, o es este el rendimiento máximo?
Lejos de ahi.
Los planes y las plataformas de prueba han existido por un tiempo, pero eso está lejos de ser cohetes reales que despeguen del suelo.
La razón por la que estoy investigando la energía nuclear térmica es que no quiero que naves antorcha como el Orión corran por ahí, junto con todas sus implicaciones.
Pero estás escribiendo ficción , y eso significa que SCNTR puede haber avanzado hasta el punto de ser útil, y las personas no se aterrorizan con la radiación ionizante fuerte.
Samuel
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