Немного про ядерный буксир⁠⁠

Часть 1.

Скриншот из видеопрезентации «Арсенала» для понимания

На прошлой неделе разошлось видеопрезентации ядерного буксира с реактором тепловой мощностью 3.8 МВт и полезной 1 МВт на ионных двигателях.

Основная проблема данных аппаратов - это система охлаждения.

Для понимания реалистичности такого аппарата сделал грубый расчёт температурного режима систем такого аппарата.


Допущения:
1. Имеется турбина (количество ступеней не в данном случае не имеет значения), работающая по циклу Брайтона, без охлаждения лопаток («холодного» газа в цикле нет) - следовательно, предельная температура газа перед турбиной не более 1300 К.
2. Система имеет один замкнутый контур (обслуживание и опасность для людей при эксплуатации исключена, а значит нет смысла усложнять конструкции и снижать надёжность).
3. КПД цикла соответсвует опубликованным данным и составляет 26%.
4. При оценке не учитывается наличие ксенона в теплоносителе из за его малой теплоёмкости относительно теплоёмкости гелия
5. Оценка ведётся для идеального варианта (без учета потерь).

Ядерный буксир состоит из следующих принципиальных элементов:
- активная зона реактора, обеспечивающая нагрев газа;
- турбина, обеспечивающая вращение компрессора и генератора;
- компрессор, который в отношении реактора можно назвать циркуляционным насосом, обеспечивающий повышение давления газа и его циркуляцию по контуру;
- панелей охладителя.

Температуру в 1300 К теплоносителя на выходе из активной зоны, кроме физической прочности неохлаждаемой турбины, косвенно подтверждает спектр свечения внешнего корпуса реактора (см. видеопрезентацию)- темно желтый соответсвует температуре примерно в 1100 С.

Для оценки температур систем ядерного буксира надо определить примерный секундный расход газа.
Расход газа через турбину можно оценить по турбовинтовым авиационным двигателям - для 1 МВТ (двигатели на 1300 - 1400 л.с.) расход воздуха около 5 кг/с. Такой расход обеспечивает приемлемые характеристики потока, и максимальные КПД для авиационных турбин, которые в данном случае принципиально не отличается от турбины реактора.

Далее оценим повышение температуры в компрессоре (циркуляционном насосе). КПД в 26% по циклу Брайтона в случае с преимущественно гелиевой смесью требует степени повышения давления в 2.2 раза и нагрева газа в 1.35 раза (см. изоэнтропическое сжатие в цикле Брайтона) в градусах Кельвина.

Для обеспечения теплосьема 3.8 МВТ мощности реактора при расходе гелия 5 кг/с необходимо нагреть его (см. формулу внутренней энергии газа и теплоемкость гелия) примерно на 250 К.

При срабатывание на турбине газ производит 1 МВТ полезной работы и обеспечивает работу компрессора. Соответсвенно (пересчёт по внутреннее энергии газа и теплоёмкости) происходит понижение температуры, при расходе 5 кг/с, примерно на 70 К для совершения полезной работы и на 270 К для обеспечения работы компрессора, всего на 340 К.

Соответсвенно получаем следующие цифры:
960 К - газ после турбины и на входе в панели охладителя;
1300 К - газ на выходе из активной зоны реактора и на входе в турбину;
1050 К - газ на входе в активную зону реактора и на выходе из компрессора;
780 К - газ на входе в компрессор (1050/1.35) и после панелей охладителя.

Для ядерного буксира наиболее важны 2 цифры: 960 К и 780 К соответсвенно на входе и выходе панелей охладителя.
Зная эти температуры можно посчитать необходимую площадь для панелей охладителя.
Для стальных панелей (коэффициент черноты 0.6, средняя температура излучения 885 К) получается энергетическая светимость 0.021 МВТ/м^2.
Для сброса 2.8 МВТ тепловой энергии турбина и реактор работают на полной мощности, а это как раз охлаждение 5 кг гелия с 960 до 780 за секунду (всего 3.8 МВТ производит реактор, 1 МВТ срабатывается на турбине, остаётся сбросить 2.8 МВТ) необходимо всего 135 м^2 панелей (см. закон Стефана-Больцьмана).
В случае если турбина работает на холостых получается необходимо сбросить 3.8 МВТ при температуре на панели охладителя 1030 К и 780 К (средняя температура излучения 935 К, излучение 0.026 МВТ/м^2) требуется 150 м^2 панелей.

При допущении, что метеоритом/трещиной может быть выведено из строя 1/3 панелей, то требуемая площадь будет 225 м^2 (хотя вероятность попадания метеорита, наверное, сопоставима с вероятностью отказа частей реактора).

С учётом погрешностей расчета, неидеальных КПД турбин, реальную требуемую площадь панелей можно оценить как 240 м^2, а это 3 секции по 40 м^2 в плане, что в принципе по геометрии (3 панели 2 x 20 м) похоже на представленный аппарат.

Для примера, в проекте JIMO (американский буксир для полетов к лагам Юпитера) в системе охлаждения использовался второй контур с низкотемпературным носителем. Средняя температура в панелях JIMO - 520 К, что влечёт за собой необходимость 420 м^2 на реактор в 1 МВТ.


Если кто проверит допущения/укажет на ошибки - буду признателен.

Будет время посчитаю про возможности освоения космоса таким буксиром.