核電火箭
提示：此條目的主題不是核熱火箭。核電火箭（英語：nuclear electric rocket），更恰當地說是「核電推進」（英語：nuclear electric propulsion, NEP），是一種航天器推進系統，其中來自核反應堆的熱能被轉化為電能，用於驅動離子推進器或其他航天器推進的技術[1][2][3][4][5][6][7][8]。核電火箭這一術語有點不符，因為從技術上講，推進系統的「火箭」部分完全是非核的，也可以由太陽能電池板驅動。這與核熱火箭直接利用反應堆熱量向工作流體添加能量，然後將其從火箭噴嘴中排出形成明顯的不同。
概念概述
[編輯]核電火箭的關鍵要素是
- 緊湊型反應堆芯
- 發電機
- 緊湊的廢熱排放系統，例如熱導管
- 電力調節和分配系統
- 電動航天器推進
歷史
[編輯]美國宇航局
[編輯]2001年，安全實惠型裂變發動機正在研製中，經測試的30千瓦核熱源旨在開發一座使用布雷頓循環燃氣輪機發電的400千瓦熱反應堆，廢熱排放則利用低質量熱導管技術來實現，堅固的設計確保了它的安全性。
普羅米修斯項目是美國宇航局在21世紀初對核能航天器的一項研究。
俄羅斯
[編輯]參見特姆核發動機
特姆項目啟動於2009年，目標是為火星發動機提供動力；
2016年3月-接收到第一批核燃料；
2018年10月-據俄新社報道，俄羅斯表示，已經完成了水滴型散熱系統的初步測試[9]。
概念
[編輯]組合球床反應堆的燃氣輪機
[編輯]熱源將來自一種用接近正常氣壓的高密度流量氣態氮冷卻的球床反應堆，通過已很成熟的燃氣輪機技術來實現發電。核燃料是包裹在低硼石墨球中，直徑可能為5-10厘米的高濃縮鈾，石墨還會緩和核反應中的中子。
這種反應堆可被設計成本質安全堆，當它受熱時，石墨膨脹，分離燃料並降低反應堆的臨界狀態，此特性可將操作控制簡化為單台閥門對渦輪進行節流。當反應堆關閉時，它會加熱，但產生的能量會減少；當反應堆打開時，它會冷卻，但反應會變得更加活躍，產生出更多的能量。
石墨封裝簡化了加料和廢物處理，石墨機械強度高，耐高溫，降低了包括核裂變產物在內的放射性元素意外釋放的風險。由於這種類型的反應堆可產生高功率，且不需要重型鑄件來容納高壓，因此非常適合為航天器提供動力。
新型電力推進概念
[編輯]現已提出了多種與高功率核能發電系統組合使用的電力推進技術，包括可變比沖磁等離子體火箭、DS4G,和脈衝感應推力器(PIT)。脈衝感應推力器和可變比沖磁等離子體火箭在飛行中的功率利用、比沖和推力間的平衡能力是獨一無二的。脈衝感應推力器還有另外一種優點，就是不需要調節電源。
發電
[編輯]短期內已提出的若干熱電方案：朗肯循環、布雷頓循環和斯特林循環發電機，均需經過伴有一定能量損失的中間機械環節。此外，更為奇特的技術還有：熱電材料(包括基於石墨烯的熱電轉換[10][11][12])、熱釋電納米發電、熱電光伏、熱離子轉換器和磁流體動力型熱電材料。
太空中其他類型的核能概念
[編輯]放射性同位素熱能發電機、放射性同位素加熱器、放射性同位素壓電發電機和放射性同位素火箭都利用靜態放射源(通常是鈈-238)的熱量提供低水平的電力或直接推進動力。其他概念包括核熱火箭、裂變碎片火箭、核脈衝推進以及可能的核聚變火箭，如果核聚變技術在不久的將來得到發展的話。
另請參閱
[編輯]參考文獻
[編輯]- ^ David Buden (2011), 「太空核裂變電力系統：第3冊：太空核推進和動力」 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- ^ Joseph A. Angelo & David Buden (1985), 「太空核動力「 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- ^ NASA/JPL/MSFC/UAH 第12屆高級太空推進研討會（2001年）「安全實惠型裂變發動機（安全）測試系列」 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）)
- ^ NASA (2010), 小型裂變電力系統可行性研究最終報告 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- ^ 帕特里克·麥克盧爾和大衛·波斯頓(2013年), 國防和太空用小型核反應堆的設計和試驗 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- ^ Mohamed S. El-Genk & Jean-Michel P. Tournier (2011), 液態金屬和水熱管在太空反應堆動力系統中的應用 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- ^ 美國原子能委員會（1969年） 斯納普型太空核反應堆 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- ^ Space.com (2013年5月17日), 電動太空飛船如何讓美國宇航局飛往火星 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- ^ 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]. （原始內容存檔於2020年11月25日）.
- ^ 技術評論,2012年3月5日: 石墨烯電池將環境熱量轉化為電流 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- ^ 科學報告, 2012年8月22日: 用於近場熱能轉換的石墨烯基光伏電池 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
- ^ MIT News, Oct. 7, 2011: 石墨烯對光表現出不尋常的熱電反應 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
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