核分裂片ロケット

核分裂片ロケットは、別の流体を作動質量として使用するのとは対照的に、高温の核分裂生成物を直接推力として利用するロケットエンジン設計です。この設計は、理論的には、現在の技術の能力の範囲内で 非常に高い比推力を生み出すことができます。

従来の核熱ロケットおよび関連設計では、核エネルギーは何らかの形の原子炉で生成され、推力を生成するために作動流体を加熱するために使用されます。これにより、設計は原子炉が完全な状態を保てる温度に制限されますが、巧妙な設計により、この臨界温度を数万度まで上昇させることができます。ロケット エンジンの効率は、排出された作動流体の温度に大きく関係しており、最先端のガスコア エンジンの場合、約 7000 秒の 比推力に相当します。

従来の原子炉設計の温度は燃料の平均温度であり、その大部分は特定の瞬間には反応しません。核分裂中の原子は数百万度の温度であり、それが周囲の燃料に拡散して、全体の温度は数千度になります。

燃料を物理的に非常に薄い層または粒子に配置することで、核反応の破片を表面から逃がすことができます。破片は反応の高エネルギーによりイオン化されるため、磁気的に処理して誘導し、推進力を生み出すことができます。しかし、依然として多くの技術的課題が残っています。

アイダホ国立工学研究所とローレンス・リバモア国立研究所^[1]による設計では、 多数の極薄炭素繊維の表面に燃料を置き、その上に放射状に輪状に並べる。輪は通常、臨界状態ではない。このような輪を複数、共通のシャフトに積み重ねて、1 つの大きな円筒を作った。円筒全体を回転させ、一部の繊維が常に原子炉の炉心内に留まるようにし、周囲の減速材が繊維を臨界状態にする。繊維の表面にある核分裂片は分離して、推力として導かれる。その後、繊維は反応ゾーンから回転して出て冷却し、溶融を回避する。

このシステムの効率は驚くべきもので、既存の材料を使用して 100,000 秒を超える比推力を実現できます。これは高性能ですが、原子炉コアやその他の要素の重量により、核分裂片システムの全体的な性能は低下します。それでも、このシステムは、星間前駆ミッションを可能にするような性能レベルを提供します。

ロドニー・L・クラークとロバート・B・シェルドンによる新しい設計提案は、回転するファイバーホイールの提案よりも、理論的には核分裂片ロケットの効率を高め、複雑さを軽減します。^[2]彼らの設計では、直径100nm未満の核分裂性燃料（または自然に放射性崩壊する燃料）のナノ粒子を使用します。ナノ粒子は、軸方向の 磁場（磁気ミラーとして機能）と外部電場にさらされた真空チャンバー内に保持されます。ナノ粒子は核分裂の発生時にイオン化すると、ダストがチャンバー内に浮遊します。粒子の表面積が非常に大きいため、放射冷却が簡単になります。軸方向の磁場はダスト粒子の動きに影響を与えるには弱すぎますが、破片をビームに導くには十分強力です。ビームを減速して電力を得たり、放射して推力を得たり、またはその両方を行ったりすることができます。

排気速度が光速の 3% - 5% で効率が最大 90% の場合、ロケットは1,000,000 秒を超えるI _{sp を}達成できるはずです。さらに、アフターバーナーに似た中性ガスを核分裂生成物の排気ガスに注入すると、加熱と相互作用によって、より高い推力と比推力が得られます。現実的な設計では、いくつかの計算では、約 32,000 秒I _spで 4.5 kN の範囲の推力、^[3]または 5,000 秒I _spで 40 kN の範囲の推力が推定されています。^[4]

1987年、ロネンとライブソン^{[5] [6]は、 242m} Am（アメリシウムの同位体）を宇宙原子炉の核燃料として応用する研究を発表し、その非常に高い熱断面積とエネルギー密度に注目しました^。242m Amで動く原子力システムは、従来の核燃料と比較して2分の1から100分の1の燃料しか必要としません。

^242m Amを使用した核分裂片ロケットは、1988 年にローレンス リバモア国立研究所のジョージ チャップライン^{[7]によって提案されました。チャップラインは、核分裂性物質によって生成された核分裂片による推進ガスの直接加熱に基づく推進を提案しました。ロネンら[8]は、 242m Amが}1 マイクロメートル未満の極薄金属膜として持続的な核分裂を維持できることを実証しています。242m Amが臨界状態に達するには、²³⁵ U または²³⁹ Puの質量のわずか 1% しか必要ありません。ネゲブのベングリオン大学のロネンのグループはさらに、 ^242m Amに基づく核燃料で宇宙船を地球から火星までわずか 2 週間で加速できることを示しました。^[9]

^242m Am の核燃料としての可能性は、その熱核分裂断面積が最も高い（数千バーン）という事実から来ており、これは既知の同位体の中で次に高い断面積の約 10 倍である。242m Am は核分裂性があり^、臨界質量は低く、 ²³⁹ Puに匹敵する。^{[10] [11]核分裂}断面積が非常に高く、原子炉内で比較的速く破壊される。別の報告では、^242m Am は薄膜であっても連鎖反応を維持でき、新しいタイプの核ロケットに使用できる可能性があると主張している。^{[8] [12] [13] [14]}

^242m Amの熱吸収断面積は非常に大きいため、 ^242m Amを得る最良の方法は、高速炉で照射されたアメリシウム241の高速中性子または熱外中性子を捕獲することです。しかし、高速中性子炉は容易には利用できません。既存のPWRでの^242m Am製造の詳細な分析はで提供されています。^{[15] 242m} Amの核拡散抵抗性は、カールスルーエ工科大学の2008年の研究で報告されました。^[16]

2000年、CERNのカルロ・ルビアは、ロネン^[6]とチャップライン^{[7]による242m}アミリアンペアを燃料とする核分裂片ロケットの研究をさらに発展させた。 ^[17]ルビアの設計に基づくプロジェクト242 ^{[18]は、核分裂片の運動エネルギーを推進ガスのエンタルピー増加に直接変換することを利用した242m}アミリアンペアベースの薄膜核分裂片加熱NTR ^[19]の概念を研究した。プロジェクト242は、この推進システムを火星への有人ミッションに適用することを研究した。^[20]予備的な結果は非常に満足のいくものであり、これらの特性を持つ推進システムによってミッションが実現可能であることが確認されている。別の研究では、従来の熱原子炉での^242mアミリアンペアの生成に焦点を当てた。^[21]

2023年1月9日、NASAは「エアロゲルコア核分裂破片ロケットエンジン」の研究に資金を提供すると発表した。このエンジンでは、核分裂性燃料粒子を超低密度エアロゲルマトリックスに埋め込み、臨界質量アセンブリを実現する。エアロゲルマトリックス（および強力な磁場）により、核分裂破片がコアから脱出できるようになり、個々の燃料粒子からの伝導熱と放射熱の損失が増加する。^[22]

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