Cohete eléctrico nuclear

Un cohete eléctrico nuclear (más propiamente propulsión eléctrica nuclear) es un tipo de sistema de propulsión de una nave espacial donde la energía térmica de un reactor nuclear se convierte en energía eléctrica, que es utilizado para impulsar un propulsor de iones u otra tecnología de propulsión eléctrica de naves espaciales. La terminología del cohete nuclear eléctrico es ligeramente inconsistente, ya que técnicamente el "cohete" parte del sistema de propulsión no es nuclear y también podría ser impulsado por paneles solares. Esto contrasta con un cohete térmico nuclear, que utiliza directamente el calor del reactor para agregar energía a un fluido de trabajo, que luego se expulsa por la tobera del cohete.

Resumen conceptual

Los elementos clave de NEP son:

1. Un núcleo de reactor compacto
2. Un generador eléctrico
3. Un sistema de rechazo de calor compacto como tubos de calor
4. Sistema eléctrico de acondicionamiento y distribución
5. Propulsión de naves espaciales eléctricas

Historia

Estados Unidos

Un artículo de 1963 de Myron Levoy propuso un diseño de motor híbrido nuclear-eléctrico, que habría podido funcionar tanto en modo de ciclo abierto como un motor térmico nuclear durante las fases de la misión que requieren un alto empuje, así como en ciclo cerrado. modo como un motor nuclear-eléctrico con bajo empuje, pero alta eficiencia durante las fases restantes de la misión. La aplicación propuesta de este diseño de motor fue para una misión rápida de ida y vuelta tripulada por humanos a Marte.

En 2001, se estaba desarrollando el motor de fisión seguro y asequible, con una fuente de calor nuclear probada de 30 kW que tenía como objetivo conducir al desarrollo de un reactor térmico de 400 kW con turbinas de gas de ciclo Brayton para producir energía eléctrica. El rechazo del calor residual estaba destinado a lograrse utilizando tecnología de tubería de calor de baja masa. La seguridad estaba destinada a ser garantizada por un diseño resistente.

El Proyecto Prometeo fue un estudio de la NASA de principios de la década de 2000 sobre naves espaciales eléctricas nucleares.

Kilopower es el último programa de desarrollo de reactores de la NASA, pero está destinado únicamente para uso en la superficie.

Rusia

El proyecto TEM comenzó en 2009 con el objetivo de impulsar un motor de Marte.

Marzo de 2016: se recibe el primer lote de combustible nuclear

Conceptos

Reactor de lecho de guijarros combinado con turbina de gas

Un reactor de lecho de guijarros que usa refrigerante de nitrógeno gaseoso de alto flujo másico cerca de presiones atmosféricas normales es una posible fuente de calor. La generación de energía podría lograrse con tecnología de turbinas de gas, que está bien desarrollada. El combustible nuclear sería uranio altamente enriquecido encapsulado en bolas de grafito con bajo contenido de boro, probablemente de 5 a 10 cm de diámetro. El grafito también moderaría los neutrones de la reacción nuclear.

Este estilo de reactor se puede diseñar para que sea intrínsecamente seguro. A medida que se calienta, el grafito se expande, separando el combustible y reduciendo la criticidad del reactor. Esta propiedad puede simplificar los controles operativos a una sola válvula que estrangula la turbina. Cuando está cerrado, el reactor se calienta, pero produce menos energía. Cuando está abierto, el reactor se enfría, pero se vuelve más crítico y produce más energía.

La encapsulación de grafito simplifica el reabastecimiento de combustible y el manejo de desechos. El grafito es mecánicamente fuerte y resiste altas temperaturas. Esto reduce el riesgo de una liberación no planificada de elementos radiactivos, incluidos los productos de fisión. Dado que este estilo de reactor produce alta potencia sin piezas fundidas pesadas para contener altas presiones, es muy adecuado para impulsar naves espaciales.

Nuevos conceptos de propulsión eléctrica

Se ha propuesto una variedad de tecnologías de propulsión eléctrica para su uso con sistemas de generación eléctrica nuclear de alta potencia, incluidos VASIMR, DS4G y propulsores inductivos pulsados (PIT). PIT y VASIMR son únicos en su capacidad de intercambiar entre uso de energía, impulso específico (una medida de eficiencia, ver impulso específico) y empuje en vuelo. PIT tiene la ventaja adicional de no necesitar potencia condicionada.

Generación eléctrica

Se han propuesto varios esquemas de calor a electricidad. A corto plazo, los generadores de ciclo Rankine, ciclo Brayton y ciclo Stirling pasan por una fase mecánica intermedia, con las correspondientes pérdidas de energía. También se han propuesto tecnologías más exóticas: materiales termoeléctricos de tipo termoeléctrico (incluida la conversión de energía térmica basada en grafeno), piroeléctrico, termofotovoltaico, termoiónico y magnetohidrodinámico.

Otros tipos de conceptos de energía nuclear en el espacio

Los generadores termoeléctricos de radioisótopos, las unidades de calefacción de radioisótopos, los generadores piezoeléctricos de radioisótopos y el cohete de radioisótopos utilizan el calor de una fuente radiactiva estática (generalmente plutonio-238) para un bajo nivel de potencia de propulsión eléctrica o directa. Otros conceptos incluyen el cohete térmico nuclear, el cohete de fragmentos de fisión, la propulsión de pulsos nucleares y la posibilidad de un cohete de fusión, suponiendo que la tecnología de fusión nuclear se desarrolle en algún momento en un futuro cercano.