Para una hipotética nave espacial nuclear de alta potencia, ¿adónde va el calor residual?

Parece que todos los conceptos de propulsión nuclear extraen la energía de fisión en forma de calor y, de algún modo, convierten una parte de ese calor en energía en la forma deseada, como eléctrica (por ejemplo, para impulsar un propulsor de iones). Siempre equivale a generar calor en una parte del sistema y descargar el calor residual en otra parte. Por ejemplo: usar un fluido de trabajo que se calienta, quizás se descarga a través de una turbina, se enfría y se envía de regreso a la fuente de calor. A medida que la turbina (por ejemplo) extrae energía mecánica del fluido de trabajo, se elimina la energía térmica equivalente. Sin embargo, todavía queda mucho calor residual por disipar en alguna parte.

Mi pregunta es: en los conceptos de mayor potencia, ¿cómo se elimina todo ese calor residual de la nave espacial? En el vacío del espacio, solo puede salir por radiación. Entonces, ¿eso no requeriría una gran variedad de radiadores? ¿No agregaría eso una cantidad significativa de masa a la nave espacial, lo que afectaría la eficiencia de masa general?

Como pregunta secundaria: ¿sería suficiente la presión de radiación del calor "residual" para un motor eléctrico de propulsión nuclear para hacer una contribución valiosa al empuje de la nave espacial?

σ T 4 es tu amigo. Las temperaturas más altas conducen a un calor radiado mucho mayor desde la misma superficie.
Visite el sitio con ejemplos realistas (más o menos) de naves espaciales interplanetarias. Encuentre algunos de los que usan energía nuclear - "Gasdynamic Mirror", la versión de francisdrakex de Hermes, HOPE/FFRE, Stuhlinger Ion Rocket - su característica común es el ridículo área del radiador.
Los FFRE en realidad no extraen principalmente la energía de fisión como calor, ese es su punto central de venta. Aún así, alrededor del 20% de su poder de fisión total debe irradiarse en forma de calor. (cc @SF.)
@DeerHunter Los radiadores de calor que funcionan a largo plazo y realistas no pueden tener una temperatura mucho mayor de alrededor de 2000 K, lo que puede ser un límite serio si estamos hablando del enfriamiento de un reactor nuclear que funciona a largo plazo.
@peterh: estuvo de acuerdo, y diría que incluso las temperaturas de fluido de trabajo superiores a 600K no son saludables (dependiendo de la elección de la aleación).
Las naves espaciales nucleares de alta potencia tienden a ser diseños térmicos nucleares (es decir, se utilizan para calentar el propulsor que luego se expulsa). Los motores de iones requieren del orden de 100 kW, lo que no consideraría 'alta potencia' en este contexto. Consulte el ISS para radiadores que pueden rechazar 100 kW.

Respuestas (2)

Como dijiste, la radiación es el único método para eliminar el exceso de calor de una nave espacial convencional en el vacío. Es importante diseñar una nave espacial para que irradie calor adecuadamente y sí, agrega masa al sistema de control térmico general. La mejor manera de reducir esa masa es tratar de asegurarse de que la nave espacial no necesite irradiar tanto calor. Por ejemplo, el calor es deseable para mantener la electrónica, el propulsor u otros componentes dentro de los rangos de temperatura requeridos, por lo que aprovechar una fuente nuclear para proporcionar ese calor lo convierte en un activo en lugar de un desperdicio (o al menos en parte).

Por otro lado, si está hablando de un motor de cohete térmico nuclear, la mayor parte del calor generado por la fuente nuclear se expulsa junto con el escape. (Vea los comentarios de Deer Hunter a continuación).

Para su pregunta secundaria: definitivamente se ha considerado el uso de presión de radiación de calor para el empuje (consulte la propulsión fotónica nuclear ). Además, ese tipo de efecto ya se ha observado como una perturbación en las naves espaciales (ver el efecto Pioneer ).

No exactamente. El calor se puede eliminar con el propulsor: hidrógeno líquido.
te refieres con el escape? ¿O quiere decir que el hidrógeno líquido está frío, por lo que absorbe calor? Este último simplemente está moviendo el calor a otro lugar, que es otra solución pero no elimina el calor (similar a los materiales de cambio de fase).
el escape El enfriamiento se convierte en un problema después del apagado del reactor: se debe eliminar el calor de descomposición residual, y la mayoría de los diseños que he leído enfatizan mantener el flujo de LH2 para enfriar el núcleo, incluso si el impulso específico cae drásticamente.
Ahora estoy más confundido. ¿De qué motor estás hablando? "Reactor" y "decaimiento" sugieren que está hablando de una fuente de energía RTG, "mantener el flujo de LH2 para enfriar el núcleo" suena como un sistema cerrado que, como mencioné, no puede eliminar el calor. ¿Se refiere al método de envolver líneas de propulsor alrededor de la boquilla del motor para el control térmico?
Ah vale, gracias! La pregunta parece referirse a la propulsión de iones de nuclear a eléctrica, pero es cierto que ese tipo de motor de cohete podría enfriarse por el escape (y él dice " todos los conceptos de propulsión nuclear").
La pregunta es sobre toda la propulsión de propulsión nuclear (NEP, así como NTR y otras), y sería bueno que su respuesta aclarara lo que quiere decir con diseño eficiente: "La mejor manera de reducir esa masa es tratar de garantizar la la nave espacial no necesita irradiar tanto calor".
Dije "totalmente nuclear" porque todas las descripciones que he visto de un sistema de combustible nuclear comienzan con el calor generado por la descomposición o la fisión. El núcleo de mi pregunta se refiere a las unidades de iones de alta potencia, donde se requieren muchos kWe, y eso significa que la planta de energía produce mucho calor residual.

A niveles de potencia más altos, el radiador comprende el 70% de la masa de la planta de energía.

Fuente de la imagen https://books.google.com.mx/books?id=fmIrAAAAYAAJ&printsec=frontcover&hl=es-419#v=onepage&q&f=false

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¿Esta figura 15 es válida para plantas de energía en la superficie de la Tierra o para naves espaciales en el sistema solar?
La figura es de un artículo sobre reactores nucleares para propulsión espacial. Puede consultar el enlace al libro para asegurarse.
Para una hipotética nave espacial nuclear de alta potencia, ¿adónde va el calor residual?
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