Reactor de fisión gaseosa

Un reactor nuclear de gas (o reactor alimentado con gas o reactor de núcleo de vapor) es un tipo propuesto de reactor nuclear en el que el combustible nuclear estaría en estado gaseoso en lugar de líquido o sólido. En este tipo de reactor, los únicos materiales que limitan la temperatura serían las paredes del reactor. Los reactores convencionales tienen limitaciones más estrictas porque el núcleo se derretiría si la temperatura del combustible aumentara demasiado. También puede ser posible confinar el combustible de fisión gaseoso de forma magnética, electrostática o electrodinámica para que no toque (ni derrita) las paredes del reactor. Un beneficio potencial del concepto del núcleo del reactor gaseoso es que, en lugar de depender de los ciclos de conversión tradicionales de Rankine o Brayton, puede ser posible extraer electricidad magnetohidrodinámicamente, o con una simple conversión electrostática directa de las partículas cargadas.

Teoría de funcionamiento

El reactor de núcleo de vapor (VCR), también llamado reactor de núcleo de gas (GCR), se ha estudiado durante algún tiempo. Tendría un núcleo de gas o vapor compuesto por tetrafluoruro de uranio (UF₄) con algo de helio (⁴He) añadido para aumentar la conductividad eléctrica, el núcleo de vapor también puede tener diminutas gotas de UF₄ en él. Tiene aplicaciones tanto terrestres como espaciales. Dado que el concepto espacial no necesariamente tiene que ser económico en el sentido tradicional, permite que el enriquecimiento exceda lo que sería aceptable para un sistema terrestre. También permite una relación más alta de UF₄ a helio, que en la versión terrestre se mantendría lo suficientemente alta como para garantizar la criticidad a fin de aumentar la eficiencia de la conversión directa. La versión terrestre está diseñada para una temperatura de entrada del núcleo de vapor de aproximadamente 1500 K y una temperatura de salida de 2500 K y una relación UF₄ a helio de alrededor del 20 % al 60 %. Se cree que la temperatura de salida podría elevarse al rango de 8000 K a 15 000 K donde el escape sería un gas de electrones fuera del equilibrio generado por fisión, que sería de mucha más importancia para el diseño de un cohete. Una versión terrestre del esquema de flujo del VCR se puede encontrar en la referencia 2 y en el resumen de sistemas nucleares no clásicos en el segundo enlace externo. El concepto basado en el espacio se cortaría al final del canal MHD.

Razonamiento para la adición de He-4

⁴Se puede utilizar para aumentar la capacidad del diseño para extraer energía y ser controlado. Algunas frases de Anghaie et al. arroja luz sobre el razonamiento:

"La densidad de potencia en el conducto MHD es proporcional al producto de conductividad eléctrica, velocidad cuadrada y campo magnético cuadrado σv2 B2. Por lo tanto, la extracción enthalpy es muy sensible a las condiciones del fluido de salida de entrada MHD. El reactor de núcleo de vapor proporciona un fluido más caliente que la mayoría con potencial para una conductividad de equilibrio térmico adecuada y velocidades de conducto. Considerando el producto v2 × B2, es evidente que un fluido de trabajo ligero debe dominar las propiedades térmicas y la UF₄ la fracción debe ser pequeña. Es posible que se necesite un aumento adicional de la conductividad eléctrica a partir de la ionización térmica de materiales de semillas adecuados y de la ionización no equilibrio por fragmentos de fisión y otras radiaciones ionizantes producidas por el proceso de fisión".

Nave espacial

La variante de nave espacial del reactor de fisión gaseosa se llama cohete del reactor de núcleo de gas. Hay dos enfoques: el ciclo abierto y cerrado. En el ciclo abierto, el propulsor, probablemente hidrógeno, se alimenta al reactor, se calienta por la reacción nuclear en el reactor y sale por el otro extremo. Desafortunadamente, el combustible y los productos de fisión contaminarán el propelente y, aunque el problema se puede mitigar diseñando la hidrodinámica dentro del reactor, hace que el diseño del cohete sea completamente inadecuado para su uso en la atmósfera.

Se podría intentar sortear el problema confinando magnéticamente el combustible de fisión, de manera similar al combustible de fusión en un tokamak. Desafortunadamente, no es probable que esta disposición realmente funcione para contener el combustible, ya que la relación entre la ionización y el momento de las partículas no es favorable. Mientras que un tokamak generalmente funcionaría para contener deuterio o tritio ionizado individualmente con una masa de dos o tres daltons, el vapor de uranio estaría triplicado como máximo con una masa de 235 dalton (unidad). Dado que la fuerza impartida por un campo magnético es proporcional a la carga de la partícula, y la aceleración es proporcional a la fuerza dividida por la masa de la partícula, los imanes necesarios para contener gas de uranio serían poco prácticos; la mayoría de estos diseños se han centrado en ciclos de combustible que no dependen de la retención del combustible en el reactor.

En el ciclo cerrado, la reacción está completamente protegida del propulsor. La reacción está contenida en un recipiente de cuarzo y el propulsor simplemente fluye fuera de él, calentándose de manera indirecta. El ciclo cerrado evita la contaminación porque el propulsor no puede ingresar al reactor en sí, pero la solución conlleva una penalización significativa para el Isp del cohete.

Producción de energía

Para fines de producción de energía, se podría usar un contenedor ubicado dentro de un solenoide. El contenedor se llena con hexafluoruro de uranio gaseoso, donde se enriquece el uranio, hasta un nivel justo por debajo de la criticidad. Posteriormente, el hexafluoruro de uranio se comprime por medios externos, iniciando así una reacción nuclear en cadena y una gran cantidad de calor, que a su vez provoca una expansión del hexafluoruro de uranio. Dado que el UF₆ está contenido dentro del recipiente, no puede escapar y, por lo tanto, se comprime en otro lugar. El resultado es una onda de plasma que se mueve en el contenedor y el solenoide convierte parte de su energía en electricidad con un nivel de eficiencia de alrededor del 20%. Además, el contenedor debe enfriarse y se puede extraer energía del refrigerante pasándolo a través de un intercambiador de calor y un sistema de turbina como en una central térmica ordinaria.

Sin embargo, existen enormes problemas de corrosión durante esta disposición, ya que el hexafluoruro de uranio es químicamente muy reactivo.