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Cohete termal nuclear

Cohete termal nuclear

Un cohete térmico nuclear ( NTR ) es un tipo de cohete térmico donde el calor de una reacción nuclear, a menudo de fisión nuclear, reemplaza la energía química de los propulsores en un cohete químico. En un NTR, un fluido de trabajo, generalmente hidrógeno líquido, se calienta a una temperatura alta en un reactor nuclear y luego se expande a través de una boquilla de cohete para crear empuje. La fuente de calor nuclear externa teóricamente permite una velocidad de escape efectiva más alta y se espera que duplique o triplique la capacidad de carga útil en comparación con los propulsores químicos que almacenan energía internamente.

Los NTR se han propuesto como tecnología de propulsión de naves espaciales, y las primeras pruebas en tierra se realizaron en 1955. Estados Unidos mantuvo un programa de desarrollo de NTR hasta 1973, cuando se cerró para centrarse en el desarrollo del transbordador espacial. Aunque se han construido y probado más de diez reactores de potencia variable, a partir de 2019, no ha volado ningún cohete térmico nuclear.

Las aplicaciones de energía nuclear en el espacio que han volado incluyen los satélites de la serie SNAP-10A y TOPAZ de fisión eléctricos y los generadores termoeléctricos de radioisótopos.

Mientras que todas las primeras aplicaciones para la propulsión de cohetes térmicos nucleares utilizaron todos los procesos de fisión, la investigación en la década de 2010 se ha movido hacia enfoques de fusión. El proyecto Direct Fusion Drive en el Laboratorio de Física de Plasma de Princeton es un ejemplo de ello, aunque "la fusión positiva a la energía se ha mantenido esquiva". En 2019, el Congreso de los Estados Unidos aprobó US $ 125 millones en fondos de desarrollo para cohetes de propulsión nuclear térmica.

Tipos de combustible nuclear

Un cohete térmico nuclear puede clasificarse según el tipo de reactor, que va desde un reactor sólido relativamente simple hasta un reactor de núcleo de gas mucho más difícil de construir pero teóricamente más eficiente. Al igual que con todos los diseños de cohetes térmicos, el impulso específico producido es proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura a la que se calienta el fluido de trabajo (masa de reacción). Para extraer la máxima eficiencia, la temperatura debe ser lo más alta posible. Para un diseño dado, la temperatura que puede alcanzarse generalmente está determinada por los materiales elegidos para las estructuras del reactor, el combustible nuclear y el revestimiento del combustible. La erosión también es una preocupación, especialmente la pérdida de combustible y las emisiones asociadas de radiactividad.

Núcleo sólido

Los reactores nucleares de núcleo sólido han sido alimentados por compuestos de uranio que existen en fase sólida en las condiciones encontradas y se someten a fisión nuclear para liberar energía. Los reactores de vuelo deben ser livianos y capaces de tolerar temperaturas extremadamente altas, ya que el único refrigerante disponible es el fluido de trabajo / propelente. Un motor de núcleo sólido nuclear es el diseño más simple de construir y es el concepto utilizado en todos los NTR probados.

El rendimiento de un reactor de núcleo sólido está limitado en última instancia por las propiedades del material, incluido el punto de fusión, de los materiales utilizados en el combustible nuclear y el recipiente a presión del reactor. Las reacciones nucleares pueden crear temperaturas mucho más altas de lo que la mayoría de los materiales pueden soportar, lo que significa que gran parte del potencial del reactor no se puede realizar. Además, dado que el propelente proporciona enfriamiento, solo todo el calor de descomposición restante después de la parada del reactor debe irradiarse al espacio, un proceso lento que expondrá las barras de combustible a un estrés por temperatura extrema. Durante el funcionamiento, las temperaturas en las superficies de la barra de combustible varían desde los 22 K del propulsor admitido hasta los 3000 K en el extremo del escape. Teniendo lugar sobre la longitud de 1.3 m de una barra de combustible, esto seguramente causará grietas en el revestimiento si los coeficientes de expansión no coinciden con precisión en todos los componentes del reactor.

Usando hidrógeno como propulsor, un diseño de núcleo sólido típicamente entregaría impulsos específicos (Isp) del orden de 850 a 1000 segundos, que es aproximadamente el doble que los diseños de hidrógeno-oxígeno líquido, como el motor principal del transbordador espacial. También se han propuesto otros propulsores, como amoníaco, agua o LOX, pero estos propulsores proporcionarían una velocidad de escape y un rendimiento reducidos a un costo de combustible marginalmente reducido. Otra marca más a favor del hidrógeno es que a bajas presiones comienza a disociarse a aproximadamente 1500 K, y a altas presiones alrededor de 3000 K. Esto disminuye la masa de las especies de escape, aumentando Isp.

Las primeras publicaciones tenían dudas sobre las aplicaciones espaciales para motores nucleares. En 1947, un reactor nuclear completo era tan pesado que los motores térmicos nucleares de núcleo sólido serían completamente incapaces de lograr una relación de empuje a peso de 1: 1, que es necesaria para superar la gravedad de la Tierra en el lanzamiento. Durante los siguientes veinticinco años, los diseños de cohetes térmicos nucleares de EE. UU. Finalmente alcanzaron relaciones de empuje a peso de aproximadamente 7: 1. Esta sigue siendo una relación empuje / peso mucho más baja que la que se puede lograr con los cohetes químicos, que tienen relaciones empuje / peso del orden de 70: 1. Combinado con los grandes tanques necesarios para el almacenamiento de hidrógeno líquido, esto significa que los motores térmicos nucleares de núcleo sólido son los más adecuados para su uso en órbitas fuera del pozo de gravedad de la Tierra, sin mencionar que evitan la contaminación radiactiva que resultaría del uso atmosférico.

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Reactor de lecho de partículas .

Una forma de aumentar la temperatura de trabajo del reactor es cambiar los elementos de combustible nuclear. Esta es la base del reactor de lecho de partículas, que es alimentado por una serie de elementos (típicamente esféricos) que "flotan" dentro del fluido de trabajo de hidrógeno. Hacer girar todo el motor podría evitar que el elemento combustible se expulse de la boquilla. Se cree que este diseño es posible aumentar el impulso específico a aproximadamente 1000 segundos (9.8 kN · s / kg) a costa de una mayor complejidad. Tal diseño podría compartir elementos de diseño con un reactor de lecho de guijarros, varios de los cuales actualmente están generando electricidad. Desde 1987 hasta 1991, la Oficina SDI financió el Proyecto Timberwind, un cohete térmico nuclear no rotativo basado en tecnología de lecho de partículas. El proyecto fue cancelado antes de la prueba.

Cohete termal nuclear pulsado

El cohete térmico nuclear pulsado (que no debe confundirse con la propulsión de pulso nuclear, que es un método hipotético de propulsión de naves espaciales que utiliza explosiones nucleares para el empuje), es un tipo de cohete térmico nuclear sólido para la amplificación del impulso y el impulso específico ( I sp). En este concepto, el NTR de fisión sólida convencional puede funcionar tanto en modo estacionario como en modo pulsado, como un reactor TRIGA. Debido a que el tiempo de residencia del propelente en la cámara es corto, se puede lograr una amplificación importante de energía pulsando el núcleo nuclear, lo que puede aumentar el empuje al aumentar el flujo de masa del propelente. Sin embargo, la característica más interesante es la capacidad de obtener temperaturas muy altas del propulsor (más altas que el combustible) y luego una alta amplificación de la velocidad de escape. Esto se debe a que, en contraste con el NTR sólido estacionario convencional, el propelente se calienta por el intenso flujo de neutrones de la pulsación, que se transporta directamente del combustible al propelente como energía cinética. Pulsando el núcleo es posible obtener un propulsor más caliente que el combustible. Sin embargo, y en claro contraste con los cohetes térmicos nucleares clásicos (incluidos los cohetes nucleares líquidos y gaseosos), la energía térmica de la descomposición de las hijas de fisión no es deseada.

Se pueden obtener hipotéticamente temperaturas de propulsor instantáneas muy altas pulsando el núcleo nuclear sólido, solo limitado por el rápido enfriamiento radiativo después de la pulsación.

Núcleo líquido

Los motores nucleares de núcleo líquido son alimentados por compuestos de elementos fisionables en fase líquida. Se propone un motor de núcleo líquido para operar a temperaturas superiores al punto de fusión del combustible nuclear sólido y el revestimiento, con la temperatura máxima de funcionamiento del motor determinada en su lugar por el recipiente a presión del reactor y el material reflector de neutrones. Se esperaría que las temperaturas de operación más altas brinden un rendimiento de impulso específico del orden de 1300 a 1500 segundos (12.8–14.8 kN · s / kg).

Un reactor de núcleo líquido sería extremadamente difícil de construir con la tecnología actual. Una cuestión importante es que el tiempo de reacción del combustible nuclear es mucho más largo que el tiempo de calentamiento del fluido de trabajo. Si el combustible nuclear y el fluido de trabajo no están físicamente separados, esto significa que el combustible debe quedar atrapado dentro del motor mientras se permite que el fluido de trabajo salga fácilmente a través de la boquilla. Una posible solución es rotar la mezcla de combustible / fluido a velocidades muy altas para forzar el combustible de mayor densidad al exterior, pero esto expondría el recipiente a presión del reactor a la temperatura máxima de operación al tiempo que agrega masa, complejidad y partes móviles.

Un diseño alternativo de núcleo líquido es el cohete nuclear de agua salada. En este diseño, el agua es el fluido de trabajo y también sirve como moderador de neutrones. El combustible nuclear no se retiene, lo que simplifica drásticamente el diseño. Sin embargo, el cohete descargaría cantidades masivas de desechos extremadamente radiactivos y solo podría ser operado de manera segura fuera de la atmósfera de la Tierra y tal vez incluso completamente fuera de la magnetosfera de la Tierra.

Núcleo de gas

La clasificación final de la fisión es el motor de núcleo de gas. Esta es una modificación del diseño de núcleo líquido que utiliza la circulación rápida del fluido para crear una bolsa toroidal de combustible de uranio gaseoso en el medio del reactor, rodeado de hidrógeno. En este caso, el combustible no toca la pared del reactor, por lo que las temperaturas podrían alcanzar varias decenas de miles de grados, lo que permitiría impulsos específicos de 3000 a 5000 segundos (30 a 50 kN · s / kg). En este diseño básico, el "ciclo abierto", las pérdidas de combustible nuclear serían difíciles de controlar, lo que ha llevado a estudios del "ciclo cerrado" o del motor de la bombilla nuclear, donde el combustible nuclear gaseoso está contenido en un súper alto -contenedor de cuarzo de temperatura, sobre el cual fluye el hidrógeno. El motor de ciclo cerrado en realidad tiene mucho más en común con el diseño de núcleo sólido, pero esta vez está limitado por la temperatura crítica del cuarzo en lugar del combustible y el revestimiento. Aunque es menos eficiente que el diseño de ciclo abierto, se espera que el diseño de ciclo cerrado produzca un impulso específico de aproximadamente 1500–2000 segundos (15–20 kN · s / kg).

Diseños de fisión de núcleo sólido en la práctica

Unión Soviética y Rusia

El RD-0410 soviético pasó por una serie de pruebas en el sitio de prueba nuclear cerca de Semipalatinsk.

En octubre de 2018, el Centro de Investigación Keldysh de Rusia confirmó una prueba exitosa en tierra de radiadores de calor residual para un motor espacial nuclear, así como pruebas previas de barras de combustible y motores de iones.

Estados Unidos

El desarrollo de NTR de núcleo sólido comenzó en 1955 bajo la Comisión de Energía Atómica (AEC) como Proyecto Rover, y se extendió hasta 1973. El trabajo en un reactor adecuado se realizó en el Laboratorio Nacional de Los Alamos y el Área 25 en el sitio de prueba de Nevada. De este proyecto surgieron cuatro diseños básicos: KIWI, Phoebus, Pewee y el horno nuclear. Se probaron veinte motores individuales, con un total de más de 17 horas de funcionamiento del motor.

Cuando se formó la NASA en 1958, se le dio autoridad sobre todos los aspectos no nucleares del programa Rover. Para permitir la cooperación con la AEC y mantener la información clasificada en compartimentos, se formó la Oficina de Propulsión Nuclear Espacial (SNPO) al mismo tiempo. El programa NERVA de 1961 tenía la intención de conducir a la entrada de motores de cohetes térmicos nucleares en la exploración espacial. A diferencia del trabajo de AEC, que tenía la intención de estudiar el diseño del reactor en sí, el objetivo de NERVA era producir un motor real que pudiera desplegarse en misiones espaciales. El diseño de base NERVA de empuje de 75,000 lbf (334 kN) se basó en la serie KIWI B4.

Los motores probados incluyeron Kiwi, Phoebus, NRX / EST, NRX / XE, Pewee, Pewee 2 y el horno nuclear. Progresivamente, las densidades de potencia más altas culminaron en el Pewee. Las pruebas del diseño mejorado de Pewee 2 se cancelaron en 1970 a favor del horno nuclear de menor costo (NF-1), y el programa de cohetes nucleares de EE. UU. Terminó oficialmente en la primavera de 1973. Durante este programa, el NERVA acumuló más de 2 horas de tiempo de ejecución, incluidos 28 minutos a plena potencia. La SNPO consideró que NERVA era el último reactor de desarrollo tecnológico requerido para proceder a los prototipos de vuelo.

Varios otros motores de núcleo sólido también se han estudiado hasta cierto punto. El Small Nuclear Rocket Engine, o SNRE, fue diseñado en el Laboratorio Nacional de Los Alamos (LANL) para uso en la etapa superior, tanto en lanzadores sin tripulación como en el transbordador espacial. Presentaba una boquilla dividida que podía girarse hacia un lado, lo que le permitía ocupar menos espacio en el compartimento de carga del transbordador. El diseño proporcionó 73 kN de empuje y funcionó a un impulso específico de 875 segundos (8,58 kN · s / kg), y se planeó aumentar esto a 975 segundos, logrando una fracción de masa de aproximadamente 0,74, en comparación con 0,86 para el SSME , uno de los mejores motores convencionales.

Un diseño relacionado que vio algo de trabajo, pero nunca llegó a la etapa de prototipo, fue Dumbo. Dumbo era similar a KIWI / NERVA en concepto, pero utilizaba técnicas de construcción más avanzadas para reducir el peso del reactor. El reactor Dumbo constaba de varios tubos grandes en forma de barril que a su vez estaban construidos con placas apiladas de material corrugado. Las corrugaciones se alinearon de modo que la pila resultante tuviera canales que corrían desde adentro hacia afuera. Algunos de estos canales se llenaron con combustible de uranio, otros con un moderador, y algunos se dejaron abiertos como un canal de gas. Se bombeaba hidrógeno en el medio del tubo y el combustible lo calentaba a medida que viajaba a través de los canales a medida que avanzaba hacia el exterior. El sistema resultante era más ligero que un diseño convencional para cualquier cantidad particular de combustible.

Entre 1987 y 1991 se estudió un diseño de motor avanzado bajo el Proyecto Timberwind, bajo la Iniciativa de Defensa Estratégica, que luego se expandió a un diseño más grande en el programa de Propulsión Nuclear Térmica Espacial (STNP). Los avances en metales de alta temperatura, modelado por computadora e ingeniería nuclear en general resultaron en un rendimiento dramáticamente mejorado. Mientras se proyectaba que el motor NERVA pesaría aproximadamente 6,803 kg, el STNP final ofreció un poco más de 1/3 del empuje de un motor de solo 1,650 kg al mejorar el Isp a entre 930 y 1000 segundos.

En 2019, un proyecto de ley de apropiación aprobado por el Congreso de EE. UU. Incluyó US $ 125 millones en fondos para la investigación de propulsión nuclear térmica, incluida la planificación de una misión de demostración de vuelo para 2024.

Disparos de prueba

KIWI fue el primero en ser despedido, comenzando en julio de 1959 con KIWI 1. El reactor no estaba destinado al vuelo y lleva el nombre del pájaro no volador. El núcleo era simplemente una pila de placas de óxido de uranio sin recubrir sobre las cuales se vertía el hidrógeno. Se generó una salida térmica de 70 MW a una temperatura de escape de 2683 K. Dos pruebas adicionales del concepto básico, A1 y A3, agregaron recubrimientos a las placas para probar los conceptos de la barra de combustible.

La serie KIWI B fue alimentada por pequeñas esferas de dióxido de uranio (UO2) incrustadas en una matriz de grafito de bajo boro y recubiertas con carburo de niobio. Diecinueve agujeros corrían a lo largo de los paquetes, a través de los cuales fluía el hidrógeno líquido. En los disparos iniciales, el inmenso calor y la vibración agrietaron los haces de combustible. Los materiales de grafito utilizados en la construcción del reactor eran resistentes a altas temperaturas, pero se erosionaron bajo la corriente de hidrógeno sobrecalentado, un agente reductor. La especie de combustible se cambió luego a carburo de uranio, con el último motor en funcionamiento en 1964. Los problemas de erosión y agrietamiento del haz de combustible mejoraron pero nunca se resolvieron por completo, a pesar del prometedor trabajo de materiales en el Laboratorio Nacional de Argonne.

NERVA NRX (Nuclear Rocket Experimental), comenzó a probar en septiembre de 1964. El motor final de esta serie fue el XE, diseñado con hardware representativo de vuelo y disparado a una cámara de baja presión para simular un vacío. SNPO disparó NERVA NRX / XE veintiocho veces en marzo de 1968. La serie generó 1100 MW, y muchas de las pruebas concluyeron solo cuando el banco de pruebas se quedó sin propelente de hidrógeno. NERVA NRX / XE produjo el empuje de referencia de 75,000 lbf (334 kN) que Marshall requería en los planes de misión de Marte. El último disparo de NRX perdió 17 kilogramos (38 lb) de combustible nuclear en 2 horas de prueba, lo que SNPO consideró suficiente para las misiones espaciales.

Partiendo de la serie KIWI, la serie Phoebus eran reactores mucho más grandes. La primera prueba 1A en junio de 1965 tuvo una duración de más de 10 minutos a 1090 MW y una temperatura de escape de 2370 K. La carrera B en febrero de 1967 mejoró esto a 1500 MW durante 30 minutos. La prueba final 2A en junio de 1968 duró más de 12 minutos a 4.000 MW, en ese momento el reactor nuclear más poderoso jamás construido.

Una versión más pequeña de KIWI, el Pewee también fue construido. Se disparó varias veces a 500 MW para probar recubrimientos hechos de carburo de circonio (en lugar de carburo de niobio), pero Pewee también aumentó la densidad de potencia del sistema. Un sistema refrigerado por agua conocido como NF-1 (para horno nuclear ) utilizó elementos de combustible de Pewee 2 para futuras pruebas de materiales que muestran un factor de reducción de 3 en la corrosión del combustible aún más. Pewee 2 nunca se probó en el stand, y se convirtió en la base de los diseños actuales de NTR que se están investigando en los Centros de Investigación Glenn y Marshall de la NASA.

El proyecto NERVA / Rover finalmente se canceló en 1972 con la liquidación general de la NASA en la era posterior a Apolo. Sin una misión humana a Marte, la necesidad de un cohete térmico nuclear no está clara. Otro problema serían las preocupaciones públicas sobre la seguridad y la contaminación radiactiva.

Prueba destructiva de Kiwi-TNT

En enero de 1965, el programa Rover de EE. UU. Modificó intencionalmente un reactor Kiwi (KIWI-TNT) para que se volviera rápido, lo que resultó en una destrucción inmediata del recipiente a presión del reactor, la boquilla y los conjuntos de combustible. Con la intención de simular el peor de los casos de una caída desde la altitud hacia el océano, como podría ocurrir en una falla de refuerzo después del lanzamiento, la liberación de radiación resultante habría causado muertes hasta 600 pies (183 metros) y lesiones hasta 2000 pies (610 metros). El reactor se colocó en un vagón de ferrocarril en el área de Jackass Flats del sitio de prueba de Nevada.

Reino Unido

A partir de enero de 2012, el grupo de propulsión del Proyecto Ícaro estaba estudiando un sistema de propulsión NTR.

La investigación actual

Los diseños actuales de cohetes térmicos nucleares de núcleo sólido están destinados a limitar en gran medida la dispersión y la ruptura de los elementos de combustible radiactivo en caso de una falla catastrófica.

A partir de 2013, se está estudiando un NTR para viajes interplanetarios desde la órbita de la Tierra a la órbita de Marte en el Centro Marshall de Vuelos Espaciales. En pruebas históricas en tierra, los NTR demostraron ser al menos dos veces más eficientes que los motores químicos más avanzados, lo que permitiría un tiempo de transferencia más rápido y una mayor capacidad de carga. La duración de vuelo más corta, estimada en 3 a 4 meses con motores NTR, en comparación con 6 a 9 meses usando motores químicos, reduciría la exposición de la tripulación a rayos cósmicos potencialmente dañinos y difíciles de proteger. Los motores NTR, como el Pewee de Project Rover, se seleccionaron en la Arquitectura de referencia de diseño de Marte (DRA). En 2017, la NASA continuó la investigación y el desarrollo de NTR, diseñando para aplicaciones espaciales con materiales aprobados por civiles, con un contrato de tres años y $ 18.8 millones.

Riesgos

Una falla de un cohete atmosférico u orbital podría dar como resultado la dispersión de material radiactivo en el medio ambiente. Una colisión con escombros orbitales, fallas en el material debido a fisión incontrolada, imperfecciones o fatiga del material, o fallas de diseño humano podrían causar una ruptura de la contención del material fisionable. Una falla tan catastrófica durante el vuelo podría liberar material radiactivo sobre la Tierra en un área amplia e impredecible. La cantidad de contaminación dependerá del tamaño del motor del cohete térmico nuclear, mientras que la zona de contaminación y su concentración dependerán del clima prevaleciente y los parámetros orbitales en el momento del reingreso.

Se considera improbable que los elementos combustibles de un reactor se distribuyan en un área amplia, ya que están compuestos de materiales como compuestos de carbono o carburos y normalmente están recubiertos con hidruro de circonio. Antes de que ocurra la criticidad, el combustible NTR de núcleo sólido no es particularmente peligroso. Una vez que el reactor se ha puesto en marcha por primera vez, se producen productos de fisión extremadamente radiactivos de corta vida, así como productos de fisión menos radiactivos pero extremadamente duraderos. Además, todas las estructuras del motor están expuestas al bombardeo directo de neutrones, lo que resulta en su activación radiactiva.