用于模擬太空核反應(yīng)堆的實(shí)驗(yàn)回路

使用核反應(yīng)產(chǎn)生的熱量作為燃料的核熱推進(jìn)有朝一日可以用于載人航天，甚至可能用于火星任務(wù)。然而，它的發(fā)展帶來(lái)了挑戰(zhàn)。所使用的材料必須能夠承受高熱量和定期高能粒子的轟擊。

賓夕法尼亞州立大學(xué)核工程博士生 Will Searight 正在為使這些進(jìn)步更可行的研究做出貢獻(xiàn)。他在美國(guó)核學(xué)會(huì)的出版物Fusion Science and Technology 上發(fā)表了初步設(shè)計(jì)模擬的結(jié)果。

為了更好地研究核熱推進(jìn)，Searight 模擬了一個(gè)稱(chēng)為氫測(cè)試回路的小規(guī)模實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)。該裝置模擬了一個(gè)反應(yīng)堆在太空中的運(yùn)行，在那里流動(dòng)的氫氣穿過(guò)核心并推動(dòng)火箭——溫度高達(dá)近 2200 華氏度。Searight 使用連接管詳細(xì)圖紙中的尺寸開(kāi)發(fā)了模擬，這些組件構(gòu)成了氫氣流過(guò)的大部分測(cè)試回路。行業(yè)合作伙伴 Ultra Safe 核公司 (USNC) 提供了圖紙。

“了解 USNC 的組件在熱氫氣環(huán)境中的表現(xiàn)對(duì)于將我們的火箭送入太空至關(guān)重要，”Searight 說(shuō)。“我們很高興能與美國(guó)宇航局太空核推進(jìn)項(xiàng)目的主要反應(yīng)堆承包商之一合作，該項(xiàng)目正在尋求在十年內(nèi)生產(chǎn)示范核熱推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)。”

在核工程副教授兼本科課程主席 Leigh Winfrey 的建議下，Searight 使用建模軟件 Ansys Fluent 設(shè)計(jì)了一個(gè)外徑約為 2 英寸的不銹鋼管的仿真回路。在模型中，回路連接到氫氣泵，并通過(guò)與加熱元件相鄰的測(cè)試部分循環(huán)熱氫氣。

Searight 發(fā)現(xiàn)，雖然可以將氫氣持續(xù)加熱到 2,200 華氏度，但有必要在測(cè)試部分的正上方包括一個(gè)加熱元件，以防止加熱減少。從建模軟件收集的數(shù)據(jù)表明，通過(guò)測(cè)試部分的氫氣流平穩(wěn)均勻，減少了通過(guò)回路的熱量分布不均，這可能會(huì)危及裝置的安全性和使用壽命。結(jié)果分析還證實(shí)，不銹鋼可以更方便、更經(jīng)濟(jì)地建造回路。

“我們很高興能夠在賓夕法尼亞州立大學(xué)為極端環(huán)境模擬開(kāi)發(fā)獨(dú)特的能力邁出第一步，”溫弗瑞說(shuō)。“這項(xiàng)初步工作將使我們能夠開(kāi)展可能對(duì)太空探索的未來(lái)產(chǎn)生重大影響的研究。”

通過(guò)進(jìn)一步的研究，Searight 的初步工作可以擴(kuò)大對(duì)材料的測(cè)試，有朝一日可以實(shí)施這些材料，以使用反應(yīng)堆燃料火箭創(chuàng)造更快、更有效的太空旅行。

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