用于模擬太空核反應(yīng)堆的實驗回路

使用核反應(yīng)產(chǎn)生的熱量作為燃料的核熱推進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 正在為使這些進步更可行的研究做出貢獻。他在美國核學(xué)會的出版物Fusion Science and Technology 上發(fā)表了初步設(shè)計模擬的結(jié)果。

為了更好地研究核熱推進，Searight 模擬了一個稱為氫測試回路的小規(guī)模實驗室實驗。該裝置模擬了一個反應(yīng)堆在太空中的運行，在那里流動的氫氣穿過核心并推動火箭——溫度高達近 2200 華氏度。Searight 使用連接管詳細圖紙中的尺寸開發(fā)了模擬，這些組件構(gòu)成了氫氣流過的大部分測試回路。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)對于將我們的火箭送入太空至關(guān)重要，”Searight 說。“我們很高興能與美國宇航局太空核推進項目的主要反應(yīng)堆承包商之一合作，該項目正在尋求在十年內(nèi)生產(chǎn)示范核熱推進發(fā)動機。”

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)計了一個外徑約為 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，并通過與加熱元件相鄰的測試部分循環(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，但有必要在測試部分的正上方包括一個加熱元件，以防止加熱減少。從建模軟件收集的數(shù)據(jù)表明，通過測試部分的氫氣流平穩(wěn)均勻，減少了通過回路的熱量分布不均，這可能會危及裝置的安全性和使用壽命。結(jié)果分析還證實，不銹鋼可以更方便、更經(jīng)濟地建造回路。

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

通過進一步的研究，Searight 的初步工作可以擴大對材料的測試，有朝一日可以實施這些材料，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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