لماذا مسائل الاندفاع الحراري النووي

صواريخ كيميائية [تدفع مباشرة إلى حيز لمدة عقود، ولكن سرعاتها الأساسية - المقيدة بواسطة طاقات السندات الكيميائية - تُدرِّب متناولنا.

NPALs are not a new concept. The United States invested heavily in the 1960s and 1970s through the Nu clear Engine for Rocket Vehicle Application (NERVA) program, which built and ground-tested several reactors. However, policy shifts, cost overruns, and the winding down of the Apolsion program shelved the technology today

فالأهداف عالية، إذ أن رحلة المريخ ذهابا وإيابا تستخدم فيها المواد الكيميائية تستغرق نحو ٥٠٠-٦٠٠ يوم، مع سجل المعاملات الدولي، التي يمكن أن تهبط إلى ٤٠٠-٤٥٠ يوما، مما يخفض تعرض رواد الفضاء للإشعاع الكوني والجاذبية الصغرية، وعلاوة على ذلك، فإن القدرة على حمل المزيد من البضائع لكل عملية إطلاق يمكن أن تتيح للموائل السطحية الدائمة، ومحطات استخدام الموارد في الموقع، والأوعية في الفضاء العميق، وتبحث هذه المادة في الآفاق الصناعية الصاروخية التي يجب أن تتغلب على المحركات الواعدة التي تُ على المحركات النووية.

The Fundamentals of Nuclear Thermal Rocket Engines

كيف يعمل سجل المعاملات الوطني

ويتكون محرك NTR من مفاعل نووي، ونظام تغذية محرك للوقود، وعلامة، وهيدروجين سائل (LH2) يضخ عبر قنوات مبردة في قلب المفاعل، حيث يسخن من طاقة الإشتعال إلى غاز حرارة عالية، وتتوسع الهيدروجين الساخنة من خلال محركات صواريخ متطورة،

ToFmal ' s fuel elements are typically composed of uranium carbide (UC) or uranium dioxide ()UO2) dispersed in a refractory metal specation highestungsten or molyb

مقاييس الأداء الرئيسية

  • Specific impulse (I]sp]): 850-1000 s for hydrogen propellant, compared to ~450 s for the best chemical motors (RL10, RS-25).
  • Thrust-to- weight ratio:] 1.5-5 (التصميمات التي استخرجت من محطة إنترناتو) أقل من الصواريخ الكيميائية ولكن يكفي للتطبيقات العليا والتطبيقات المشتركة بين الكواكب.
  • Propellant mass fraction:] because of higher Isp], the same delta-v requires less propellant mass, enabling larger dry mass fractions (i.e., more payload).
  • Bimodal capability:] Some NTR designs can operate at low power to generate electricity for spacecraft systems, effectively acting as a nuclear electric propulsion (NEP) source during coast phases.

مقارنة مع التكاثر الكيميائي والكهربائي

Chemical rockets provide high momentum (~1-10 MN) but low Isp. Electric propulsion (ion pushers, Hall-effecters) offers I

وقد أجرت دراسة أجريت في عام 2021 بواسطة فريق القدرة على دراسة المريخ لتقييم بعثة مرجعية باستخدام ثلاثة محركات من طراز NTR (على كل من 25 كيلو متراً مربعاً، ] sp 900 طن من مركبات نقل المواد الكيميائية، مقارنتها بـ 400 طن من مركبات النقل الأساسية.

هندسة الجراثيم الحرارية النووية

حدود العلوم المادية في درجة الحرارة القصوى

ويتمثل التحدي الوحيد الأصعب في تطوير وقود المفاعلات والمواد الهيكلية التي تدوم فترة التشغيل عند درجة حرارة ⁇ 2500 درجة مئوية في بيئة حمراء نيوترونات عالية التدفق، وخلال برنامج إن آرفا، لا تزال عناصر الوقود تعاني من الكسر والتضخم وفقدان اليورانيوم بسبب إعادة تشجير المنتج والإجهاد الحراري.

وتشمل الاحتياجات الأساسية من المواد ما يلي:

  • High melting point and low thermal expansion] to maintain dimensional stability.
  • Excellent corrosion resistance] against hot hydrogen, which can chemically attack many ceramics.
  • Fission product retain] to prevent radioactive contamination of the propellant flow and nozzle.
  • Neutron transparency] in non-fuel structural components to avoid parasitic neutron absorption and excessive activation.

Recent advances in additive manufacturing (3D printing) of refractory metals) (tungsten, rhenium, molybdenum) and ultra-high temperature ceramics (UHTCs) like zirconium carbide and tantalum ha

معالجة المواد المخدرة وتخزينها

أما الهيدروجين السائل فهو أكثر أجهزة الدفع كفاءة بالنسبة لمركبات ثلاثية الارتحال، ولكنه يصعب التعامل معه بشكل ملحوظ، حيث أن درجة المغلي تبلغ 252.9 درجة مئوية وثديتها المنخفضة جداً (70.8 كيلوغرام/م3)، وحامض نووي (2) ، يجب أن تكون الصهاريج كبيرة ومجهزة بدرجة كبيرة للتقليل من الضغط على مفاعلات التبريد.

وبالإضافة إلى ذلك، تحتاج بعثات المريخ الطويلة الأمد إلى تخزين الوقود لمدة أشهر، بل سنوات. Zero boil-off (ZBO) أجهزة التبريد ] يجري تطويرها لإبقاء خزانات ] الصهاريج الباردة دون فتحات، وقد تم اختبارها بنجاح على أجهزة الاستنشاق بكميات أصغر، ولكن يلزم توسيعها إلى قنوات مفاعلات كبيرة.

درع الإشعاع والسلامة

إن عملية الاتجار غير المشروع تنطوي على مزيج من الأشعة السريعة والنيوترونات وأشعة غاما النسيجية من الجوهر ومن المواد الهيكلية المنشطة، وبالنسبة للبعثات المكتظة، فإن الحماية الإشعاعية ضرورية، والنهج التقليدي هو تحديد موقع المفاعل في نهاية فترة طويلة أو خلف درع ظل مصنوع من خدود الليثيوم أو التنغستن، ولكن هذا يضيف الكتلة والتعقيد.

كما يتطلب المناولة الأرضية والتجمع تصميما دقيقا للتحمية، ويجب أن يكون المفاعل دون حرجية أثناء الإطلاق لمنع حدوث حرجة عرضية في حادث موثوق به (مثل الانفجار، وازدهار المياه، والتأثير)، ويتم ذلك إما باستخدام لب اليورانيوم المنخفض التخصيب (اليورانيوم المنخفض التخصيب) (الإثراء 20٪ من اليورانيوم-235) أو بإدراج عناصر سمية من نوع النيترون والز تُزال فقط بعد المركبة الفضائية.

وقد درست دراسة أجريت في عام 2020 من الأكاديميات الوطنية للعلوم والهندسة والطب ] حالة السلامة للدفع النووي، وخلصت إلى أن خطر وقوع حادث إطلاق يسبب إطلاق إشعاعي كبير منخفض للغاية إذا استخدمت تصميمات الأمان الحديثة، ومع ذلك، فإن التصور العام والموافقة التنظيمية لا تزالان تشكلان عقبات كبيرة.

التحديات التنظيمية والسياساتية

(د) في الولايات المتحدة، يشترط قانون [FLT:] National Environmental Policy Act (NEPA) بياناً عن الأثر البيئي لأي إطلاق نووي.() وتشرف [الهيئة التنظيمية النووية] على تصميم المفاعلات والتصديق على السلامة (الإنكليزية والفرنسية)().

ويستخدم برنامج " دراكو " إطارا تعاونيا بين الوكالة الدانمركية للتنمية الزراعية، ووكالة ناسا، ووزارة الطاقة لتبسيط الموافقات، وكان من المعالم الرئيسية مذكرة البيت الأبيض بشأن التبريد النووي الفضائي () التي أوضحت أدوار كل وكالة، ووجّهت وضع إطار موحد للسلامة، مما يمكن أن يمهد الطريق أمام عمليات إطلاق الملوثات النووية الروتينية في أوائل الثلاثينات.

مراقبة المفاعلات ومعاملات المفاعلات

ويجب أن تكون مفاعلات أجهزة التحكم الوطنية قادرة على البدء السريع، والهدر، والتوقف، وخلافا لمفاعلات الطاقة الأرضية، يجب أن يعالج نظام الرقابة عمليات الدمج الكبيرة في عملية الإنشاءات وأن يستجيب للاختلالات المحتملة مثل فشل الضخ أو طبول التحكم المعلق، وللب المفاعل معامِل حرارة سلبي في التفاعل (مثل حرارة الوقود، وانخفاض القدرة على التفاعل)، مما يوفر آلية للتداول الذاتي، ولكن التحليل المعقد.

وقد استخدم العمل الأخير في مختبر إيداهو الوطني (INL) نماذج متعددة الفيزياء عالية القيمة لتحفيز مفاتن بدء تشغيل المفاعلات غير المقطعية، وهذه النماذج تُعدّ أطباء آليين نيوترون، وميكانيكيين حراريين، وميكانيين هيكليين، وقد ثبتت صحتها ضد بيانات المقياس المحفوظي للنيتروفونات.

الآفاق المستقبلية والتكنولوجيات التمكينية

مفاهيم الوقود المتقدمة

ويجري حاليا وضع ثلاثة نماذج للوقود:

  • Cermet fuel:] Uranium dioxide (UO]2]) particles embedded in a tungstenmel. Cermets offer high thermal conductivity, strength, and fission product retain. NASA’s CE
  • Graphite composite fuel:] UC particles in graphite specid with a protective silicon carbide (SiC) coating. Similar to NERVA designs but with improved coating processes to reduce corrosion.
  • TRISO fuel:] Tri-structural isotropic particles traditionally used for high-temperature gas reactors on Earth. TRISO-based NTR fuel is being explored by the ]MIT Nuclear Reactor Laboratory for its robustness and ability to contain fision products.

ولكل نوع من أنواع الوقود مقايضة في درجة حرارة التشغيل، والاحتفاظ بمنتجات الانشطار، وقابلية التصنيع، والعامل الحالي في المرحلة الأولى من برنامج العمل المتعلق بمكافحة التصحر في المحيط الأطلسي هو وقود منقوص بسبب خصائصه الحرارية والميكانيكية العليا، رغم أن التركيبات الغرافيتية لا تزال قادرة على المنافسة في التطبيقات ذات الصدر المنخفض والعمر الطويل.

تصميمات المفاعلات الابتكارية

وفيما عدا سجل المعاملات الدولي الأساسي التقليدي، فإن عدة تغييرات توفر مزايا:

  • Particle bed reactor (PBR): ] Fuel particles are liquidized or fixed in a bed, allowing high heat transfer rates. PBRs can achieve very high momentum-to- weight ratios but introduce complex flow control.
  • Nu clear thermal turbo-pump:] Integrates a turbopump driven by a secondary cycle or by a separate small reactor, improving I]sp by reducing pump losses.
  • Nu clear thermal / chemical hybrid:] Uses an NTR for high-delta-v burns and a storable chemical motor for landing. This is the structure preferred for NASA’s Human Landing System studies.

ومن المرجح أن تكون مظاهرة DARPA ' s DRACO ' ' مجرد استعراض عام متين، ولكن برامج المتابعة يمكن أن تستكشف هذه التشكيلات المبتكرة.

المواد وعمليات التصنيع

() إن التصنيع الإضافة هو تصميم مكون أساسي من مكونات NTR. Electron beam powder fusion] (EB-PBF) من التنغستن قد أنتج قنوات مبردة معقدة تقلل من انخفاض الضغط وتحسن نقل الحرارة.

Another key material advancement is ]silicon carbide ceramicmelce composites (CMC-SiC), which are lighter than superalloys and can withstand temperatures over 2000 °C. although originally developed for gas turbine shrouds, CMC-SiC is being being being for studied NTR nozzle cooling liners and.

تكامل المركبات الفضائية الطويلة الأمد

ومحرك NTR ليس مجرد مفاعل - بل هو نظام الدفع الذي يجب أن يدمج مع نظم حرارة المركبات الفضائية وكهرباءها وهيكلها ونظم الملاحة، وتشمل تحديات التكامل الرئيسية ما يلي:

  • Thermal management:] The reactor and nozzle radiate heat; radiators and thermal shields must protect sensitive instruments and crew modules.
  • ]Power supply:] During burns, the motor’s own turbopump generates some power; during coast, solar panels or a separate nuclear power source are needed. Bimodal NTR designs could provide both propulsion and electricity.
  • Structural dynamics:] The long boom separating the reactor from the crew creates a flexible structure; control systems must manage bending modes during momentum.
  • Mission structure:] Most Mars mission concepts use a split strategy-cargo and crew each have dedicated NTR stages. Cargo may depart first (advantage of synodic periods), and crew follows on a faster trajectory.

الاستنتاج: الطريق إلى الأمام

ولم تعد محركات الصواريخ الحرارية النووية مفهوماً لا جدوى منه - فهي في طور التطوير النشط مع اختبارات الطيران على الأفق، كما أن العقبات الهندسية هائلة، ولكن التقدم في علوم المواد، والتصنيع الإضافي، والتصميم على مستوى النظم يحول تصميمات قديمة من طراز NERVA-era إلى دفع للمركبات الفضائية قابلة للاستمرار، كما أن السلامة والمشهد التنظيمي يزدهران، مع ظهور أطر واضحة من الشراكات الحكومية.

وفي العقد القادم، ستتحقق شركة DRACO - شأنها شأن شركة DRACO - من تكنولوجيا NTR في المدار، وإذا نجحت، فإن أول بعثة عاملة في المريخ تعمل بالطاقة النووية يمكن أن تبدأ في الثلاثينات، مما سيشكل تحولا ملموسا في استكشاف الفضاء، ويحول رحلة إلى المريخ من بصمة كيميائية عالية الخطورة إلى رحلة بحرية مستدامة ذات قدرة نووية، ويجعل السفر عبر الزمن، ويرسل المثقوبين بأدوات، ويرسلون إليها.

For further reading, see the NASA Space Nuclear Propulsion page], ]DARPA DRACO program, and the Idaho National Laboratory’s nuclear propulsion research.]