Leistung von Arbeitsflüssigkeiten für nukleare thermische Raketen

Nachdem ich eine Ankündigung gelesen hatte, dass die NASA die NTR-Forschung (nukleare thermische Rakete) wieder aufgenommen hatte, fragte ich mich, wie ein Arbeitsfluid ausgewählt werden würde.

Der Klarheit halber ist das Arbeitsmedium das Gas, das vom Kernreaktor erhitzt wird, und das radioaktive Material im Reaktor ist der Brennstoff.

Wasserstoff ist das Fluid, das in den meisten Artikeln zu diesem Thema behandelt wird . Dies liegt an dem (auf dieser Seite oft diskutierten ) Vorteil, dass leichte Hochgeschwindigkeits-Verbrennungsprodukte aus der Raketendüse beschleunigt werden.

Wie hoch wären die Wirkungsgrade für andere Gase bei gleichem Gesamtenergieeintrag?

Ich bin besonders neugierig auf den Vergleich von H2, Argon, N2 und O2.

Liegt Wasserstoff nicht normalerweise in Form von H2 vor (dh nicht einatomig)? Argon (und He, Xe usw.) wäre einatomig.
@mikeharris richtig. Ich werde das beheben
WAHR. Hygrogen in den Tanks wäre H<sub>2</sub>. Wird es jedoch ausreichend erhitzt (z. B. >3000 Kelvin), löst es sich auf. Was in einem Motor vielleicht nicht so wünschenswert ist.
Zweiatomige Wasserstoffteilchen haben eine Masse von etwa zwei Protonen. Monoatomisches Helium ist zwei Protonen plus zwei Neutronen, also etwa doppelt so schwer.
Die Verwendung von O2 ist keine gute Wahl, da es viele Teile des Kernreaktors oxidieren wird, die nicht oxidiert werden sollten. Es können Edelgase, Wasserstoff oder Stickstoff verwendet werden, aber nicht sehr reaktive Gase wie Sauerstoff oder Chlor.
Kann ein Reaktor nicht aus bereits oxidierter Keramik hergestellt werden?

Antworten (1)

Die Relation ist ganz einfach.

Die Energie, die in eine Treibmitteleinheit injiziert wird, bevor es verdampft und für seine Verdampfung aufgewendet wird, ist winzig im Vergleich zu der Energie, die dem Treibmittel als Gas zugeführt wird; und für Gase mit ähnlichem Druck und ähnlicher Temperatur variiert die Anzahl der Teilchen pro Volumeneinheit nur sehr wenig. Als Ergebnis ist eine Annäherung, die davon ausgeht, dass jedes Treibmittelpartikel, egal um welches Treibmittel es sich handelt, ungefähr die gleiche Energiemenge aus dem Reaktorkern erhält, ziemlich genau. Nehmen wir also die Gleichungen für kinetische Energie und spezifischen Impuls als Funktion der Abgasgeschwindigkeit:

E = 1 2 m v 2 ich s p = v g 0 v = 2 E m ich s p = 2 E m g 0 2

g 0 ist eine Konstante. Wir gehen davon aus, dass jedes Teilchen ungefähr die gleiche Energiemenge erhält. Deshalb,

ich s p ∝ m − 1 / 2

wo m ist die Masse eines Partikels des Treibmittels.

Wenn ich s p für einatomigen Wasserstoff (nicht wirklich machbar, aber nur um die Basislinie festzulegen) war 1 (von einer Einheit, es ist nicht ganz wichtig, was), dann:

  • Einer H 2 Partikel wiegt etwa 2u, 1 / 2 = 0,7
  • Ein Heliumatom ist etwa 4u, 1 / 4 = 0,5
  • Ein Lithiumatom ist etwa 7u, 1 / 4 = 0,37
  • Einer H 2 Ö Partikel ist etwa 18u, 1 / 18 = 0,23
  • Zink wurde in einer der Fragen auf dieser Seite vorgeschlagen. Einer Z n Atom ist etwa 65u, 1 / 65 = 0,12
  • Wenn Sie aus irgendeinem perversen Grund Xenon, 131u, verwenden wollten, 1 / 131 = 0,08

Wie Sie sehen, lässt Wasserstoff die Konkurrenz im Dreck. Helium ist etwas vergleichbar, aber es gibt keine großen Vorteile gegenüber Wasserstoff, und für alle wasserstoffreichen Verbindungen (z. B. Methan) gehen die Einsparungen größtenteils in der Masse des Bindungsatoms verloren, was die Gesamtleistung ruiniert.

Bearbeiten: Hinzufügen anderer Gase, nach denen Sie fragen: EIN r : 0,16; N 2 : 0,19; Ö 2 : 0,18. Wasserstoff ist mehr als dreimal besser als der beste von ihnen (Stickstoff).

Wird nicht ein Teil der Energie in den Bindungen zwischen Atomen der zweiatomigen (und höheren) Gase gebunden, wodurch die Gesamtgeschwindigkeit verringert wird?
@ OrangePeel52: Ja, vorausgesetzt, Sie erhöhen die Temperatur genug, um sie aufzubrechen, was riskant ist (extrem ätzend). Aber die Bindungsenergien sind viel niedriger als die Energie des NTR; Sie sind mit chemischen Motoren vergleichbar, und ein ausreichend kleiner Bruchteil der von mir verwendeten Annäherung gilt. Egal, das resultierende einatomige Gas wird Partikel von der Hälfte der Masse von zweiatomigen haben und weiter beschleunigt wird Verluste aufgrund der Trennung schnell ausgleichen.
Gibt es überhaupt um dieses Problem? Wird es weniger ein Problem für energiereichere Thermalraketen wie VASIMR?
VASIMR verwendet eine magnetische Abschirmung – man könnte sagen, dass seine gesamten „Rohrleitungen“ aus Magnetfeldern bestehen; An keiner Stelle kommt das Treibmittel mit dem Motor in Berührung. Dies erfordert natürlich ionisiertes Treibmittel.
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