Un reactor con núcleo de gas , y el reactor con núcleo de vapor , muy relacionado con él , es un tipo de reactor nuclear propuesto en el que el combustible nuclear estaría en estado gaseoso en lugar de líquido o sólido. En este tipo de reactor, los únicos materiales que limitarían la temperatura serían las paredes del reactor y, con un enfriamiento adecuado de las paredes, el reactor podría funcionar a temperaturas mucho más altas. Los reactores convencionales tienen limitaciones más estrictas porque el núcleo se derretiría si la temperatura del combustible aumentara demasiado.
Existen dos funciones propuestas para el concepto, para la generación eléctrica de energía nuclear y como un motor de cohete avanzado . En el primero, la ventaja del diseño es que produce directamente una corriente de alta velocidad de gas parcialmente ionizado . Esto se puede utilizar para alimentar un generador magnetohidrodinámico (MHD), que puede funcionar con eficiencias aproximadamente el doble de las de los reactores tradicionales refrigerados por líquido que utilizan el ciclo Rankine y alcanzan una eficiencia de alrededor del 35%. La complejidad del diseño y el fracaso en diseñar dispositivos MHD rentables y exitosos llevaron a que este concepto se abandonara a principios de la década de 1980. Para el papel de cohete, el escape altamente energético se expande a través de una boquilla para producir empuje. Debido al contenido de energía muy alto, un cohete con reactor de núcleo de gas tendrá un rendimiento mucho mayor que incluso los mejores propulsantes de cohetes líquidos posibles o los diseños nucleares alternativos que utilizan un núcleo sólido o líquido.
Según la fuente, este concepto básico puede conocerse como reactor alimentado con gas , reactor nuclear de gas , reactor de fisión gaseosa y variaciones de estos nombres. El diseño "de vapor" relacionado difiere únicamente en que el combustible inicial está parcial o totalmente en forma de gotitas de aerosol en lugar de gas.
El reactor de núcleo de vapor (VCR), también llamado reactor de núcleo de gas (GCR), ha sido estudiado durante algún tiempo. Tendría un núcleo de gas o vapor compuesto de tetrafluoruro de uranio (UF 4 ) con algo de helio ( 4 He) añadido para aumentar la conductividad eléctrica, el núcleo de vapor también puede tener pequeñas gotas de UF 4 en él. Tiene aplicaciones tanto terrestres como espaciales. Dado que el concepto espacial no tiene por qué ser necesariamente económico en el sentido tradicional, permite que el enriquecimiento supere lo que sería aceptable para un sistema terrestre. También permite una mayor proporción de UF 4 a helio, que en la versión terrestre se mantendría lo suficientemente alta para garantizar la criticidad con el fin de aumentar la eficiencia de la conversión directa. La versión terrestre está diseñada para una temperatura de entrada del núcleo de vapor de aproximadamente 1.500 K y una temperatura de salida de 2.500 K y una proporción de UF 4 a helio de alrededor del 20% al 60%. Se cree que la temperatura de salida podría elevarse hasta el rango de 8.000 K a 15.000 K, donde el escape sería un gas de electrones fuera de equilibrio generado por fisión, lo que sería de mucha más importancia para el diseño de un cohete. Se puede encontrar una versión terrestre del esquema de flujo del VCR en la referencia 2 y en el resumen de sistemas nucleares no clásicos en el segundo enlace externo. El concepto basado en el espacio se cortaría al final del canal MHD.
4 Puede utilizarse para aumentar la capacidad del diseño de extraer energía y ser controlado. Unas cuantas frases de Anghaie et al. arrojan luz sobre el razonamiento:
La variante de nave espacial del reactor de fisión gaseosa se llama cohete con reactor de núcleo de gas . Hay dos enfoques: el ciclo abierto y el ciclo cerrado. En el ciclo abierto, el propulsor, probablemente hidrógeno, se alimenta al reactor, se calienta por la reacción nuclear en el reactor y sale por el otro extremo. Desafortunadamente, el propulsor se contaminará con combustible y productos de fisión, y aunque el problema se puede mitigar mediante la ingeniería de la hidrodinámica dentro del reactor, hace que el diseño del cohete sea completamente inadecuado para su uso en la atmósfera.
Se podría intentar evitar el problema confinando el combustible de fisión magnéticamente, de una manera similar al combustible de fusión en un tokamak . Desafortunadamente, no es probable que este arreglo funcione realmente para contener el combustible, ya que la relación entre la ionización y el momento de la partícula no es favorable. Mientras que un tokamak generalmente funcionaría para contener deuterio o tritio ionizado simple con una masa de dos o tres daltons , el vapor de uranio estaría como máximo triplemente ionizado con una masa de 235 dalton (unidad) . Dado que la fuerza impartida por un campo magnético es proporcional a la carga de la partícula, y la aceleración es proporcional a la fuerza dividida por la masa de la partícula, los imanes necesarios para contener el gas de uranio serían impracticablemente grandes; la mayoría de estos diseños se han centrado en ciclos de combustible que no dependen de la retención del combustible en el reactor.
En el ciclo cerrado, la reacción está completamente protegida del propulsor. La reacción se lleva a cabo en un recipiente de cuarzo y el propulsor simplemente fluye fuera de él, calentándose de manera indirecta. El ciclo cerrado evita la contaminación porque el propulsor no puede entrar en el reactor, pero la solución conlleva una pérdida significativa de la Isp del cohete .
Para la producción de energía, se podría utilizar un recipiente ubicado dentro de un solenoide. El recipiente se llena con hexafluoruro de uranio gaseoso , donde el uranio se enriquece, hasta un nivel justo por debajo de la criticidad. Después, el hexafluoruro de uranio se comprime por medios externos, iniciando así una reacción nuclear en cadena y una gran cantidad de calor, que a su vez causa una expansión del hexafluoruro de uranio. Como el UF6 está contenido dentro del recipiente, no puede escapar y, por lo tanto, se comprime en otra parte. El resultado es una onda de plasma que se mueve en el recipiente, y el solenoide convierte parte de su energía en electricidad con un nivel de eficiencia de aproximadamente el 20%. Además, el recipiente debe enfriarse, y se puede extraer energía del refrigerante haciéndolo pasar a través de un intercambiador de calor y un sistema de turbina como en una planta de energía térmica común.
Sin embargo, durante esta disposición existen enormes problemas de corrosión, ya que el hexafluoruro de uranio es químicamente muy reactivo.