Loading article…
ガス炉心型原子炉、およびそれと非常に密接に関連する蒸気炉心型原子炉は、核燃料が液体や固体ではなく気体状態である原子炉の一種として提案されている。このタイプの原子炉では、温度を制限する唯一の材料は原子炉壁であり、壁を適切に冷却することで、原子炉ははるかに高い温度で運転できる。従来の原子炉は、燃料温度が高くなりすぎると炉心が溶融してしまうため、より厳しい制限がある。
このコンセプトには、原子力発電と先進ロケットエンジンという2つの用途が提案されている。前者の場合、この設計の利点は、部分的に電離したガスの高速流を直接生成できることである。これは、磁気流体力学発電機（MHD）の動力源として使用でき、ランキンサイクルを使用し効率が約35%に達する従来の液体冷却原子炉の約2倍の効率で動作することができる。設計の複雑さと、費用対効果の高いMHD装置の設計の失敗により、このコンセプトは1980年代初頭までに放棄された。ロケット用途の場合、高エネルギーの排気はノズルを通して膨張し、推力を発生させる。非常に高いエネルギー含有量のため、ガス炉心原子炉ロケットは、最高の液体ロケット推進剤や、固体または液体炉心を使用する代替原子力設計よりもはるかに高い性能を発揮する。
情報源によっては、この基本的な概念はガス燃料原子炉、ガス核融合炉、気体核分裂炉など、さまざまな名称で呼ばれることがある。関連する「蒸気」設計は、初期燃料がガスではなく、部分的または完全にエアロゾル液滴の形である点のみが異なる。
蒸気炉心型原子炉（VCR）、別名ガス炉心型原子炉（GCR）は、以前から研究されてきた。この原子炉は、電気伝導率を高めるためにヘリウム（⁴He ）を添加した四フッ化ウラン（UF₄ ）からなるガスまたは蒸気炉心を持ち、蒸気炉心には微細なUF₄液滴が含まれる場合もある。地上および宇宙の両方での応用が想定されている。宇宙空間でのコンセプトは、必ずしも従来の意味での経済性を必要としないため、地上システムで許容される濃度を超える濃縮が可能となる。また、地上バージョンでは直接転換効率を高めるために臨界を確保するのに十分な高さに保たれるUF₄とヘリウムの比率を、宇宙空間バージョンではより高く設定できる。地上バージョンは、蒸気炉心入口温度が約1500 K、出口温度2500 K、UF 4とヘリウムの比率は約 20% ～ 60%。出口温度は、8000 Kから排気ガスが核分裂によって生成された非平衡電子ガスとなる15,000 Kの 範囲は、ロケット設計にとってより重要となる。VCRの流れ図の地上版は、参考文献2および2番目の外部リンクにある非古典的核システムの概要に記載されている。宇宙ベースのコンセプトは、MHDチャネルの終端で打ち切られる。
4彼は、設計のエネルギー抽出能力を高め、制御性を向上させるために使用できる。Anghaie らによる数文は、その推論を明らかにする。
ガス核分裂炉の宇宙船型は、ガス炉ロケットと呼ばれます。これには、開放サイクルと閉鎖サイクルの2つの方式があります。開放サイクルでは、推進剤（多くの場合水素）が原子炉に供給され、原子炉内の核反応によって加熱され、反対側から排出されます。残念ながら、推進剤は燃料や核分裂生成物によって汚染されます。この問題は原子炉内の流体力学を設計することで軽減できますが、このためロケットの設計は、大気圏内での使用には全く適さなくなります。
核分裂燃料をトカマクの核融合燃料と同様の方法で磁気的に閉じ込めることで、この問題を回避しようとする試みもあるかもしれない。しかし残念ながら、イオン化と粒子運動量の比率が好ましくないため、この方法で実際に燃料を閉じ込めることは難しいだろう。トカマクは一般的に質量が2～3ダルトンの単一イオン化重水素または三重水素を閉じ込めることができるが、ウラン蒸気は最大でも質量が235ダルトンの三重イオン化にしかならない。磁場によって加えられる力は粒子の電荷に比例し、加速度は力と粒子の質量の比に比例するため、ウランガスを閉じ込めるために必要な磁石は非現実的に大きくなる。そのため、このような設計のほとんどは、原子炉内に燃料を保持することに依存しない燃料サイクルに焦点を当てている。
閉回路では、反応は推進剤から完全に遮断されます。反応は石英製の容器内で行われ、推進剤は容器の外側を流れ、間接的に加熱されます。閉回路では推進剤が原子炉内部に入り込むことがないため汚染を防ぐことができますが、ロケットの比推力には大きなデメリットがあります。
エネルギー生産の目的では、ソレノイド内部に設置された容器を使用することができます。この容器には、臨界直前のレベルまで濃縮された六フッ化ウランガスが充填されています。その後、六フッ化ウランは外部から圧縮され、核連鎖反応と大量の熱が発生し、その結果、六フッ化ウランが膨張します。六フッ化ウランは容器内に閉じ込められているため、外部に漏れ出すことができず、他の場所で圧縮されます。その結果、容器内でプラズマ波が発生し、ソレノイドはそのエネルギーの一部を約20%の効率で電気エネルギーに変換します。さらに、容器は冷却する必要があり、通常の火力発電所と同様に、冷却材を熱交換器とタービンシステムに通すことでエネルギーを取り出すことができます。
しかし、この構成では、六フッ化ウランは化学的に非常に反応性が高いため、腐食という大きな問題が生じる。