Question:
Pour un vaisseau spatial nucléaire hypothétique de haute puissance, où va la chaleur perdue?
Anthony X
2015-11-04 09:49:18 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Il semble que tous les concepts de propulsion nucléaire extraient l'énergie de fission sous forme de chaleur et convertissent d'une manière ou d'une autre une partie de cette chaleur en énergie sous la forme souhaitée, par exemple électrique (par exemple pour alimenter un propulseur ionique). Cela revient toujours à créer de la chaleur dans une partie du système et à rejeter la chaleur résiduelle ailleurs. Par exemple: en utilisant un fluide de travail qui est chauffé, peut-être évacué par une turbine, refroidi et renvoyé vers la source de chaleur. Lorsque la turbine (par exemple) extrait l'énergie mécanique du fluide de travail, l'énergie thermique équivalente est éliminée. Néanmoins, il reste encore beaucoup de chaleur perdue à dissiper quelque part.

Ma question est la suivante: dans les concepts de puissance supérieure, comment toute cette chaleur perdue est-elle évacuée du vaisseau spatial? Dans le vide de l'espace, il ne peut sortir que par rayonnement. Cela ne nécessiterait-il donc pas une très large gamme de radiateurs? Cela n’ajouterait-il pas une masse significative à l’engin spatial, affectant l’efficacité globale de la masse?

Question secondaire: la pression de rayonnement de la chaleur «perdue» pour un moteur électrique à propulsion nucléaire serait-elle suffisante pour apporter une contribution valable à la poussée des engins spatiaux?

$ \ sigma T ^ 4 $ est votre ami. Des températures plus élevées conduisent à une chaleur rayonnée beaucoup plus élevée de la même surface.
Visitez [le site] (http://www.projectrho.com/public_html/rocket/realdesigns.php) avec des exemples réalistes (plus ou moins) d'engins spatiaux interplanétaires. Trouvez certains de ceux qui utilisent l'énergie nucléaire - "Gasdynamic Mirror", la version francisdrakex de Hermes, HOPE / FFRE, Stuhlinger Ion Rocket - leur caractéristique commune est la zone de radiateur ridicule.
En fait, les FFRE n'extraient pas principalement l'énergie de fission sous forme de chaleur - c'est leur principal argument de vente. Pourtant, environ 20% de leur puissance de fission globale doit être rayonnée sous forme de chaleur. (cc @SF.)
@DeerHunter Les radiateurs thermiques réalistes et fonctionnant à long terme ne peuvent pas avoir une température beaucoup plus élevée qu'environ 2000K, ce qui peut être une limite sérieuse si nous parlons du refroidissement d'un réacteur nucléaire réaliste fonctionnant à long terme.
@peterh - d'accord, et je dirais que même des températures de fluide de travail supérieures à 600K sont malsaines (selon le choix de l'alliage).
Les engins spatiaux nucléaires de grande puissance ont tendance à être des conceptions thermiques nucléaires (c'est-à-dire qu'ils sont utilisés pour chauffer un propulseur qui est ensuite expulsé). Les moteurs ioniques nécessitent de l'ordre de 100 kW, ce que je ne considérerais pas comme «haute puissance» dans ce contexte. Voir l'ISS pour les radiateurs qui peuvent rejeter 100 kW.
Deux réponses:
Brian Lynch
2015-11-04 11:31:01 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Comme vous l'avez dit, le rayonnement est la seule méthode pour éliminer la chaleur excessive d'un vaisseau spatial conventionnel sous vide. Il est important de concevoir un vaisseau spatial pour qu'il rayonne la chaleur de manière appropriée et, oui, cela ajoute de la masse au système de contrôle thermique global. La meilleure façon de réduire cette masse est d’essayer de s’assurer que le vaisseau spatial n’a pas besoin d’émettre autant de chaleur. Par exemple, la chaleur est souhaitable pour maintenir l'électronique, le propulseur ou d'autres composants dans les plages de température requises, profitant ainsi d'une source nucléaire pour fournir cette chaleur en fait un actif au lieu de déchets (ou au moins une partie).

D'un autre côté, si vous parlez d'un moteur de fusée thermique nucléaire, la majeure partie de la chaleur générée par la source nucléaire est éjectée avec l'échappement. (Voir les commentaires de Deer Hunter ci-dessous.)

Pour votre question secondaire: l'utilisation de la pression de rayonnement thermique pour la poussée a définitivement été envisagée (consultez propulsion photonique nucléaire). De plus, ce type d’effet a déjà été observé comme une perturbation sur les engins spatiaux (voir l’effet Pioneer).

Pas assez. La chaleur peut être évacuée avec le propulseur - l'hydrogène liquide.
Voulez-vous dire avec l'échappement? Ou voulez-vous dire que l'hydrogène liquide est froid et absorbe donc la chaleur? Ce dernier déplace simplement la chaleur ailleurs - ce qui est une autre solution mais ne supprime pas la chaleur (similaire aux matériaux à changement de phase).
L'échappement. Le refroidissement devient un problème après l'arrêt du réacteur - la chaleur résiduelle de désintégration doit être éliminée, et la plupart des conceptions que j'ai lues mettent l'accent sur le maintien de l'écoulement de LH2 pour refroidir le cœur même si une impulsion spécifique diminue considérablement.
Maintenant, je suis plus confus. De quel moteur parlez-vous? "Reactor" et "decay" suggèrent que vous parlez d'une source d'alimentation RTG, "garder LH2 coulant pour refroidir le noyau" sonne comme un système _closed_ - qui, comme je l'ai mentionné, ne peut pas éliminer la chaleur. Faites-vous référence à la méthode consistant à enrouler les conduites de propulseur autour de la buse du moteur pour le contrôle thermique?
https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_Thermal_Rocket
Ah ok, merci! La question semble se référer au nucléaire-électrique pour la propulsion ionique, mais il est vrai que ce type de moteur de fusée pourrait être refroidi par l'échappement (et il dit "tous les concepts de propulsion nucléaire").
La question concerne toute propulsion à propulsion nucléaire (NEP ainsi que NTR, et autres), et ce serait bien si votre réponse clarifiait ce que vous entendez par conception efficace: "La meilleure façon de réduire cette masse est d'essayer de garantir la le vaisseau spatial n'a pas besoin de rayonner autant de chaleur. "
J'ai dit «entièrement nucléaire» parce que chaque description que j'ai jamais vue d'un système à combustible nucléaire commence par la chaleur générée par la désintégration ou la fission. Le cœur de ma question concerne les lecteurs ioniques de haute puissance, qui nécessitent beaucoup de kWe, ce qui signifie qu'une grande quantité de chaleur résiduelle est produite par la centrale électrique.
Patrick Tibbits
2019-02-13 12:51:21 UTC
view on stackexchange narkive permalink

À des niveaux de puissance plus élevés, le radiateur représente 70% de la masse de la centrale électrique.

Source de l'image https://books.google.com.mx/books?id=fmIrAAAAYAAJ&printsec=frontcover&hl= es-419 # v = onepage&q&f = false

enter image description here

Ce chiffre 15 est-il valable pour les centrales électriques à la surface de la Terre ou pour les engins spatiaux dans le système solaire?
La figure provient d'un article sur les réacteurs nucléaires pour la propulsion spatiale. Vous pouvez consulter le lien vers le livre pour vous en assurer.


ⓘ
Ce Q&R a été automatiquement traduit de la langue anglaise.Le contenu original est disponible sur stackexchange, que nous remercions pour la licence cc by-sa 3.0 sous laquelle il est distribué.
Loading...