原子力電気ロケット

原子力電気ロケット（正確には原子力電気推進）は、原子炉からの熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、イオンスラスタやその他の電気宇宙船推進技術を駆動するために使用される宇宙船推進システムの一種です。^[1]^[2]^[3]^[4]^[5]^[6]^[7]^[8] 原子力電気ロケットの用語は、技術的には推進システムの「ロケット」部分が非原子力であり、太陽電池パネルで駆動することもできるため、若干一貫性がありません。これは、原子炉の熱を直接使用して作動流体にエネルギーを追加し、ロケットノズルから排出される原子力熱ロケットとは対照的です。

概念概要

NEP の重要な要素は次のとおりです。

コンパクトな原子炉コア
発電機
ヒートパイプなどのコンパクトな廃熱除去システム
電力調整および配電システム
電気駆動宇宙船の推進

歴史

アメリカ合衆国

マイロン・レボイによる1963年の論文では、ハイブリッド原子力電気エンジン設計が提案された。これは、高推力を必要とするミッション段階では原子力熱エンジンとしてオープンサイクルモードで動作し、残りのミッション段階では低推力だが高効率の原子力電気エンジンとしてクローズドサイクルモードで動作することができるものであった。このエンジン設計の提案された用途は、火星への高速有人往復ミッションであった。^[9]

2001 年、安全で手頃な価格の核分裂エンジンが開発中であり、テスト済みの 30 kW の核熱源から、ブレイトンサイクルガスタービンで電力を生成する 400 kW の熱反応炉の開発が計画されていました。廃熱の除去は、低質量のヒートパイプ技術を使用して実現される予定でした。安全性は、堅牢な設計によって確保される予定でした。^{[引用が必要]}

プロメテウス計画は、 2000 年代初頭にNASA が実施した原子力電気宇宙船に関する研究でした。^[要出典]

キロパワーはNASAの最新の原子炉開発プログラムですが、地上での使用のみを目的としています。^[要出典]

ロシア

TEMプロジェクトは火星エンジンに動力を供給することを目的として2009年に開始されました。

2016年3月 - 最初の核燃料を受領^[要出典]

コンセプト

ガスタービンと組み合わせたペブルベッド型原子炉

常圧に近い高質量流量の窒素ガス冷却剤を使用するペブルベッド原子炉は、熱源として考えられます。発電は、十分に発達したガスタービン技術で行うことができます。核燃料は、直径 5～10 cm 程度の低ホウ素グラファイト球に封入された高濃縮ウランです。グラファイトは、核反応の中性子を減速させる役割も果たします。

このタイプの原子炉は、本質的に安全となるように設計できます。加熱するとグラファイトが膨張し、燃料が分離して原子炉の臨界状態が下がります。この特性により、タービンを絞るバルブ 1 つだけで操作制御を簡素化できます。原子炉が閉じているときは、原子炉は加熱されますが、発電量は少なくなります。原子炉が開いているときは、原子炉は冷却されますが、臨界状態が高まり、発電量は多くなります。

グラファイトでカプセル化することで、燃料補給や廃棄物処理が簡単になります。グラファイトは機械的に強く、高温にも耐えます。これにより、核分裂生成物を含む放射性元素が予期せず放出されるリスクが軽減されます。このタイプの原子炉は、高圧を封じ込めるための重い鋳物なしで高出力を生み出すため、宇宙船に電力を供給するのに適しています。^[10]

新しい電気推進コンセプト

高出力原子力発電システムで使用するために、VASIMR、DS4G、パルス誘導スラスタ（PIT）など、さまざまな電気推進技術が提案されている。PITとVASIMRは、電力使用量、比推力（効率の尺度、比推力を参照）、飛行中の推力の間でトレードオフできるという点で独特である。PITには、調整された電力を必要としないというさらなる利点がある。^[要出典]

発電

熱電変換方式は数多く提案されている。短期的には、ランキンサイクル、ブレイトンサイクル、スターリングサイクル発電機は中間の機械的段階を経るが、それに伴いエネルギー損失が生じる。より特殊な技術も提案されている：熱電（グラフェンベースの熱電力変換を含む^[11]^[12]^[13]）、焦電、熱光起電力、熱電子および磁気流体力学タイプの熱電材料。

宇宙における他のタイプの原子力発電の概念

放射性同位元素熱電発電機、放射性同位元素ヒーターユニット、放射性同位元素圧電発電機、および放射性同位元素ロケットはすべて、静的放射性源（通常はプルトニウム 238 ）からの熱を低レベルの電気または直接的な推進力として利用します。その他の概念には、核熱ロケット、核分裂片ロケット、核パルス推進、および核融合技術が近い将来に開発されると仮定した場合の核融合ロケットの可能性などがあります。 ^[^要出典^]

参照

参考文献

^ デイビッド・ブーデン（2011）、宇宙核分裂電力システム：第3巻：宇宙核推進と電力
^ ジョセフ・A・アンジェロ＆デイビッド・ブーデン（1985年）、宇宙原子力発電
^ NASA/JPL/MSFC/UAH 第 12 回先進宇宙推進ワークショップ (2001)、安全で手頃な核分裂エンジン (SAFE) テストシリーズ
^ NASA (2010)、小型核分裂発電システム実現可能性調査最終報告書
^ パトリック・マクルーア＆デイビッド・ポストン（2013）、防衛・宇宙用途向け小型原子炉の設計と試験
^ Mohamed S. El-Genk & Jean-Michel P. Tournier (2011)、宇宙原子炉発電システムにおける液体金属ヒートパイプと水ヒートパイプの用途
^ 米国原子力委員会（1969年）、SNAP 宇宙用原子炉
^ Space.com (2013年5月17日)、電気宇宙船がNASAを火星に飛ばす方法
^ Levoy, Myron (1963 年 6 月). 「デュアル電気核エンジン」.アメリカ航空宇宙学会. 1 (6): 1298–1302. Bibcode :1963AIAAJ...1.1298L. doi :10.2514/3.1783 – 航空宇宙研究評議会経由.
^ Wang, Chunyun (2003 年 8 月 31 日)。「モジュラーペブルベッドリアクターシステム用電力変換システムの設計、分析、最適化」(PDF)。
^ テクノロジーレビュー、2012年3月5日：グラフェンバッテリーが周囲の熱を電流に変える 2015年12月8日アーカイブ、Wayback Machine
^ Scientific Reports、2012年8月22日:近接場熱エネルギー変換のためのグラフェンベースの太陽電池
^ MITニュース、2011年10月7日：グラフェンは光に対して異常な熱電応答を示す

[1] デイビッド・ブーデン（2011）、宇宙核分裂電力システム：第3巻：宇宙核推進と電力

[2] ジョセフ・A・アンジェロ＆デイビッド・ブーデン（1985年）、宇宙原子力発電

[3] NASA/JPL/MSFC/UAH 第 12 回先進宇宙推進ワークショップ (2001)、安全で手頃な核分裂エンジン (SAFE) テストシリーズ

[4] NASA (2010)、小型核分裂発電システム実現可能性調査最終報告書

[5] パトリック・マクルーア＆デイビッド・ポストン（2013）、防衛・宇宙用途向け小型原子炉の設計と試験

[6] Mohamed S. El-Genk & Jean-Michel P. Tournier (2011)、宇宙原子炉発電システムにおける液体金属ヒートパイプと水ヒートパイプの用途

[7] 米国原子力委員会（1969年）、SNAP 宇宙用原子炉

[8] Space.com (2013年5月17日)、電気宇宙船がNASAを火星に飛ばす方法

[9] Levoy, Myron (1963 年 6 月). 「デュアル電気核エンジン」.アメリカ航空宇宙学会. 1 (6): 1298–1302. Bibcode :1963AIAAJ...1.1298L. doi :10.2514/3.1783 – 航空宇宙研究評議会経由.

[10] Wang, Chunyun (2003 年 8 月 31 日)。「モジュラーペブルベッドリアクターシステム用電力変換システムの設計、分析、最適化」(PDF)。

[11] テクノロジーレビュー、2012年3月5日：グラフェンバッテリーが周囲の熱を電流に変える 2015年12月8日アーカイブ、Wayback Machine

[12] Scientific Reports、2012年8月22日:近接場熱エネルギー変換のためのグラフェンベースの太陽電池

[13] MITニュース、2011年10月7日：グラフェンは光に対して異常な熱電応答を示す