El cohete de fragmentos de fisión es un diseño de motor de cohete que aprovecha directamente los productos calientes de la fisión nuclear para generar empuje , en lugar de utilizar un fluido separado como masa de trabajo . El diseño puede, en teoría, producir un impulso específico muy alto sin dejar de estar dentro de las capacidades de las tecnologías actuales.
En los cohetes térmicos nucleares tradicionales y diseños relacionados, la energía nuclear se genera en algún tipo de reactor y se utiliza para calentar un fluido de trabajo para generar empuje. Esto limita los diseños a temperaturas que permiten que el reactor permanezca completo, aunque un diseño inteligente puede aumentar esta temperatura crítica a decenas de miles de grados. La eficiencia de un motor de cohete está estrechamente relacionada con la temperatura del fluido de trabajo agotado y, en el caso de los motores de núcleo de gas más avanzados , corresponde a un impulso específico de aproximadamente 7000 s.
La temperatura de un reactor convencional es la temperatura media del combustible, que en su gran mayoría no reacciona en ningún momento. Los átomos que se encuentran en fisión están a una temperatura de millones de grados, que luego se esparce por el combustible circundante, lo que da como resultado una temperatura total de unos pocos miles.
Al disponer físicamente el combustible en capas o partículas muy finas, los fragmentos de una reacción nuclear pueden escapar de la superficie. Como estarán ionizados debido a la alta energía de la reacción, se los puede manipular magnéticamente y canalizar para generar empuje. Sin embargo, aún quedan numerosos desafíos tecnológicos por resolver.
Un diseño del Laboratorio Nacional de Ingeniería de Idaho y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore [1] utiliza combustible colocado en la superficie de una serie de fibras de carbono muy delgadas , dispuestas radialmente en ruedas. Las ruedas normalmente son subcríticas . Varias de estas ruedas se apilaron en un eje común para producir un solo cilindro grande. Se hizo girar todo el cilindro de modo que algunas fibras siempre estuvieran en un núcleo de reactor donde el moderador circundante hacía que las fibras se volvieran críticas. Los fragmentos de fisión en la superficie de las fibras se liberarían y se canalizarían para el empuje. Luego, la fibra gira fuera de la zona de reacción para enfriarse, evitando la fusión.
La eficiencia del sistema es sorprendente; con los materiales existentes es posible obtener impulsos específicos de más de 100.000 s. Se trata de un rendimiento elevado, aunque el peso del núcleo del reactor y de otros elementos haría que el rendimiento general del sistema de fisión-fragmento fuera menor. No obstante, el sistema ofrece el tipo de niveles de rendimiento que harían posible una misión precursora interestelar.
Una propuesta de diseño más reciente de Rodney L. Clark y Robert B. Sheldon aumenta teóricamente la eficiencia y disminuye la complejidad de un cohete de fragmentos de fisión al mismo tiempo que la propuesta de rueda de fibra giratoria. [2] Su diseño utiliza nanopartículas de combustible fisionable (o incluso combustible que se desintegrará radiactivamente de forma natural) de menos de 100 nm de diámetro. Las nanopartículas se mantienen en una cámara de vacío sujeta a un campo magnético axial (que actúa como un espejo magnético ) y un campo eléctrico externo . A medida que las nanopartículas se ionizan cuando se produce la fisión, el polvo queda suspendido dentro de la cámara. La superficie increíblemente alta de las partículas hace que el enfriamiento radiativo sea sencillo. El campo magnético axial es demasiado débil para afectar los movimientos de las partículas de polvo, pero lo suficientemente fuerte como para canalizar los fragmentos en un haz que se puede desacelerar para obtener energía, permitir que se emita para generar empuje o una combinación de ambos.
Con velocidades de escape de entre el 3% y el 5% de la velocidad de la luz y eficiencias de hasta el 90%, el cohete debería ser capaz de alcanzar una I sp de más de 1.000.000 de segundos. Al inyectar más gas neutro en el escape de los fragmentos de fisión, similar a una configuración de postcombustión , el calentamiento y la interacción resultantes pueden dar como resultado un empuje más alto y ajustable y un impulso específico. Para diseños realistas, algunos cálculos estiman empujes en el rango de 4,5 kN a alrededor de 32.000 segundos de I sp [3] o incluso 40 kN a 5.000 segundos de I sp [4] .
En 1987, Ronen y Leibson [5] [6] publicaron un estudio sobre las aplicaciones del 242m Am (un isótopo del americio ) como combustible nuclear en los reactores nucleares espaciales , destacando su sección transversal térmica y densidad energética extremadamente altas . Los sistemas nucleares alimentados por 242m Am requieren menos combustible en un factor de 2 a 100 en comparación con los combustibles nucleares convencionales .
En 1988, George Chapline [7], del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore , propuso un cohete de fragmentos de fisión que utiliza 242m Am, al sugerir una propulsión basada en el calentamiento directo de un gas propulsor mediante fragmentos de fisión generados por un material fisible. Ronen et al. [8] demostraron que el 242m Am puede mantener una fisión nuclear sostenida en forma de una película metálica extremadamente fina, de menos de un micrómetro de espesor. El 242m Am requiere solo el 1% de la masa de 235 U o 239 Pu para alcanzar su estado crítico. El grupo de Ronen en la Universidad Ben-Gurion del Néguev demostró además que el combustible nuclear basado en 242m Am podría acelerar el transporte de vehículos espaciales de la Tierra a Marte en tan solo dos semanas. [9]
El potencial del 242m Am como combustible nuclear proviene del hecho de que tiene la sección transversal de fisión térmica más alta (miles de barns ), aproximadamente 10 veces la siguiente sección transversal más alta entre todos los isótopos conocidos. El 242m Am es fisible y tiene una masa crítica baja , comparable a la del 239 Pu . [10] [11] Tiene una sección transversal muy alta para la fisión y se destruye relativamente rápido en un reactor nuclear. Otro informe afirma que el 242m Am puede sostener una reacción en cadena incluso como una película delgada, y podría usarse para un nuevo tipo de cohete nuclear . [8] [12] [13] [14]
Dado que la sección transversal de absorción térmica de 242m Am es muy alta, la mejor manera de obtener 242m Am es mediante la captura de neutrones rápidos o epitermales en Americio-241 irradiado en un reactor rápido . Sin embargo, los reactores de neutrones rápidos no están fácilmente disponibles. Se proporcionó un análisis detallado de la producción de 242m Am en los PWR existentes en. [15] La resistencia a la proliferación de 242m Am fue informada por un estudio de 2008 del Instituto de Tecnología de Karlsruhe . [16]
En 2000, Carlo Rubbia , del CERN, amplió aún más el trabajo de Ronen [6] y Chapline [7] sobre cohetes de fragmentos de fisión que utilizan 242m Am como combustible. [17] El proyecto 242 [18], basado en el diseño de Rubbia, estudió un concepto de NTR calentado por fragmentos de fisión de película delgada basado en 242m Am [19] mediante el uso de la conversión directa de la energía cinética de los fragmentos de fisión en un aumento de la entalpía de un gas propulsor. El proyecto 242 estudió la aplicación de este sistema de propulsión a una misión tripulada a Marte. [20] Los resultados preliminares fueron muy satisfactorios y se ha observado que un sistema de propulsión con estas características podría hacer viable la misión. Otro estudio se centró en la producción de 242m Am en reactores nucleares térmicos convencionales. [21]
El 9 de enero de 2023, la NASA anunció la financiación del estudio de un "motor de cohete con núcleo de aerogel y fragmentos de fisión", en el que las partículas de combustible fisible se integrarán en una matriz de aerogel de densidad ultrabaja para lograr un ensamblaje de masa crítica. La matriz de aerogel (y un campo magnético fuerte) permitiría que los fragmentos de fisión escapen del núcleo, al tiempo que aumentaría la pérdida de calor conductivo y radiativo de las partículas de combustible individuales. [22]