Reactor de fisión gaseosa - Gaseous fission reactor

Un reactor nuclear de gas (o alimentado con gas reactor o reactor núcleo vapor ) es una propuesta de tipo de reactor nuclear en el que el combustible nuclear estaría en un estado gaseoso en vez de líquido o sólido. En este tipo de reactor, los únicos materiales limitadores de 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 magnética, electrostática o electrodinámicamente de modo que no toque (ni derrita) las paredes del reactor. Un beneficio potencial del concepto de núcleo del reactor gaseoso es que, en lugar de depender de los ciclos de conversión tradicionales de Rankine o Brayton , es posible extraer electricidad de forma magnetohidrodinámica o con una simple conversión electrostática directa de las partículas cargadas.

Teoría de operación

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 de tetrafluoruro de uranio (UF ₄ ) con algo de helio ( ⁴ He) agregado para aumentar la conductividad eléctrica, el núcleo de vapor también puede tener pequeñas gotas de UF ₄ en él. Tiene aplicaciones tanto terrestres como espaciales. Dado que el concepto de espacio no tiene por qué ser necesariamente económico en el sentido tradicional, permite que el enriquecimiento supere lo que sería aceptable para un sistema terrestre. También permite una relación más alta de UF _{4 con respecto} al 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 1.500 K y una temperatura de salida de 2.500 K y una relación de UF ₄ a helio de aproximadamente 20% a 60%. Se cree que la temperatura de salida podría elevarse a la del rango de 8.000 K a 15.000 K, donde el escape sería un gas de electrones sin equilibrio generado por fisión, lo que sería de mucha más importancia para el diseño de un cohete. Se puede encontrar una versión terrestre del diagrama de flujo del VCR 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

⁴ Puede usarse 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 la conductividad eléctrica , la velocidad al cuadrado y el campo magnético al cuadrado σv²B². Por lo tanto, la extracción de entalpía es muy sensible a las condiciones del fluido de entrada-salida del MHD. El reactor de núcleo de vapor proporciona un que la mayoría de los fluidos con potencial para una conductividad y velocidades de conducto adecuadas en equilibrio térmico. Considerando el producto v² × B², es evidente que un fluido de trabajo ligero debería dominar las propiedades térmicas y la fracción de UF ₄ debería ser pequeña. La mejora adicional de la conductividad eléctrica podría ser necesarios a partir de la ionización térmica de materiales de siembra adecuados y de la ionización en desequilibrio por fragmentos de fisión y otras radiaciones ionizantes producidas por el proceso de fisión ".

Astronave

La variante de la nave espacial del reactor de fisión gaseoso se llama cohete del reactor de núcleo de gas . Hay dos enfoques: el ciclo abierto y el 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 propulsor se contaminará con combustible y productos de fisión, y aunque el problema puede mitigarse modificando la hidrodinámica dentro del reactor, el diseño del cohete se vuelve 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 funcione realmente 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 como mucho triplemente ionizado 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 uranio serían impracticablemente grandes; la mayoría de estos diseños se han centrado en los ciclos del combustible que no dependen de retener el 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 la Isp del cohete .

Producción de energía

Para fines de producción de energía, se podría usar un contenedor ubicado dentro de un solenoide. El contenedor está lleno de hexafluoruro de uranio gaseoso , donde el uranio se enriquece, 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 UF ₆ 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 a un nivel de eficiencia de aproximadamente el 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.

Ver también

• Cohete reactor de núcleo de gas
• Propulsión de naves espaciales

Referencias

• Brown, LC (2001). Reactor de fisión de conversión de energía directa: Informe anual para el período del 15 de agosto de 2000 al 30 de septiembre de 2001
• Knight, T. (fecha desconocida) Shield Design for a Space Based Vapor Core Reactor [en línea] disponible en archive.org

enlaces externos

• "Resumen de sistemas nucleares no clásicos" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 15 de octubre de 2004 . Consultado el 28 de octubre de 2005 .