核电火箭 (英語:nuclear electric rocket ),更恰当地说是“核电推进 ”(英語:nuclear electric propulsion, NEP ),是一种航天器 推进系统,其中来自核反应堆 的热能 被转化为电能,用于驱动离子推进器 或其他航天器推进 的技术[ 1] [ 2] [ 3] [ 4] [ 5] [ 6] [ 7] [ 8] 。核电火箭这一术语有点不符,因为从技术上讲,推进系统的“火箭 ”部分完全是非核的,也可以由太阳能电池板 驱动。这与核热火箭 直接利用反应堆热量向工作流体添加能量,然后将其从火箭喷嘴中排出形成明显的不同。
概念概述
核电火箭的关键要素是
紧凑型反应堆芯
发电机
紧凑的废热排放系统,例如热导管
电力调节和分配系统
电动航天器推进
历史
美国宇航局
2001年,安全实惠型裂变发动机 正在研制中,经测试的30千瓦核热源旨在开发一座使用布雷顿循环 燃气轮机发电的400千瓦热反应堆,废热排放则利用低质量热导管 技术来实现,坚固的设计确保了它的安全性。
普罗米修斯项目 是美国宇航局在21世纪初对核能航天器的一项研究。
千瓦级 是美国宇航局 最新的反应堆开发项目,但仅用于地表用途。
俄罗斯
参见特姆核发动机
特姆项目启动于2009年,目标是为火星发动机提供动力;
2016年3月-接收到第一批核燃料;
2018年10月-据俄新社报道,俄罗斯表示,已经完成了水滴型散热系统的初步测试[ 9] 。
概念
组合球床反应堆的燃气轮机
热源将来自一种用接近正常气压的高密度流量气态氮 冷却的球床反应堆 ,通过已很成熟的燃气轮机 技术来实现发电。核燃料 是包裹在低硼 石墨 球中,直径可能为5-10厘米的高浓缩铀 ,石墨还会缓和核反应中的中子 。
这种反应堆可被设计成本质安全 堆,当它受热时,石墨膨胀,分离燃料并降低反应堆的临界状态,此特性可将操作控制简化为单台阀门对涡轮进行节流。当反应堆关闭时,它会加热,但产生的能量会减少;当反应堆打开时,它会冷却,但反应会变得更加活跃,产生出更多的能量。
石墨封装简化了加料和废物处理,石墨机械强度高,耐高温,降低了包括核裂变产物 在内的放射性元素意外释放的风险。由于这种类型的反应堆可产生高功率,且不需要重型铸件来容纳高压,因此非常适合为航天器提供动力。
新型电力推进概念
现已提出了多种与高功率核能发电系统组合使用的电力推进技术,包括可变比冲磁等离子体火箭 、DS4G ,和脉冲感应推力器 (PIT)。脉冲感应推力器和可变比冲磁等离子体火箭在飞行中的功率利用、比冲 和推力间的平衡能力是独一无二的。脉冲感应推力器还有另外一种优点,就是不需要调节电源。
发电
短期内已提出的若干热电方案:朗肯循环 、布雷顿循环 和斯特林循环发电机,均需经过伴有一定能量损失的中间机械环节。此外,更为奇特的技术还有:热电材料(包括基于石墨烯 的热电转换[ 10] [ 11] [ 12] )、热释电纳米发电 、热电光伏、热离子转换器 和磁流体动力 型热电材料。
太空中其他类型的核能概念
放射性同位素热能发电机 、放射性同位素加热器 、放射性同位素压电发电机 和放射性同位素火箭 都利用静态放射源(通常是钚-238 )的热量提供低水平的电力或直接推进动力。其他概念包括核热火箭 、裂变碎片火箭、核脉冲推进 以及可能的核聚变火箭 ,如果核聚变 技术在不久的将来得到发展的话。
另请参阅
参考文献
^ David Buden (2011), “太空核裂变电力系统:第3册:太空核推进和动力” (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 )
^ Joseph A. Angelo & David Buden (1985), “太空核动力“ (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 )
^ NASA/JPL/MSFC/UAH 第12届高级太空推进研讨会(2001年)“安全实惠型裂变发动机(安全)测试系列” (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 ))
^ NASA (2010), 小型裂变电力系统可行性研究最终报告 (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 )
^ 帕特里克·麦克卢尔和大卫·波斯顿(2013年), 国防和太空用小型核反应堆的设计和试验 (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 )
^ Mohamed S. El-Genk & Jean-Michel P. Tournier (2011), 液态金属和水热管在太空反应堆动力系统中的应用 (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 )
^ 美国原子能委员会(1969年) 斯纳普型太空核反应堆 (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 )
^ Space.com (2013年5月17日), 电动太空飞船如何让美国宇航局飞往火星 (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 )
^ RT. 俄罗斯“试验”太空核发动机的关键部件,以彻底完成远程任务的变革 . rt.com. [2018年11月15日] . (原始内容存档 于2020年11月25日).
^ 技术评论,2012年3月5日: 石墨烯电池将环境热量转化为电流 (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 )
^ 科学报告, 2012年8月22日: 用于近场热能转换的石墨烯基光伏电池 (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 )
^ MIT News, Oct. 7, 2011: 石墨烯对光表现出不寻常的热电反应 (页面存档备份 ,存于互联网档案馆 )