铀在1450K熔化,在4500K沸腾。因此,它可以作为一种密度液体在4200K。我们以这种液芯核热火箭为基地,在这种火箭上,一层裂变燃料被离心效应用在鼓的墙壁上。墙壁有10%的反光和90%的透明。
反射部分持有中子调节器以保持临界性。这将由受保护的银镜保护。它吸收小于 250 nm 的波长,反射率为 98% 的波长更长。
我们期望反光部分的中子调节器,加上高度浓缩的铀燃料,仍然能管理临界性。旋转的液体应均匀地分布热量,并创建一个稍微均匀的 4200K 表面,作为黑体发射器。
透明部分为多层熔融石英。它对于4200K 黑体发射器辐射的波长非常透明,这意味着它不会通过吸收通过光来加热太多。
我们不能让熔融的铀接触鼓壁。我们需要一个低导热气层来将燃料从墙壁上分离,并像一个空气垫,使旋转的燃料能够坐上。霓虹灯是完美的。在核灯泡反应堆设计中,它被提及为在石英墙和裂变燃料之间放置的理想之选。热霓虹灯气体和铀燃料之间的密度差足以防止混合,低导热性(与高气体速度相结合)可减少通过传导传递的传热。我们可能的目标是让霓虹灯进入1000K的核心,并在2000K退出。
由于镜子不完美,燃料和墙壁之间仍有一些能量的转移;大约1.8%的反应堆发射的光被吸收为墙壁中的热量。另外0.7%的中子和伽马射线进入调节器。因此,我们需要一个主动冷却解决方案,将冷却液通过氦气和石英层之间。可以使用氦气。它拥有所有简单气体中最高热容量之一,是惰性的,甚至比石英更透明。
氦和银可以生存1000K的温度,这将设置我们的氦气温度限制。
热交换器可以将霓虹灯吸收的热量转移到较冷的氦环上。氦首先通过涡轮膨胀。它以1000K的累积热量辐射。然后由涡轮驱动的轴进行压缩。
如果我们假设反应堆的功率密度水平与这种液体核心火箭(1 MW/kg)相似,其输出的2.5%变成废热,那么它可以充当功率密度为980千瓦/千克的黑体发射器。消除废热需要 1 mm 厚的碳纤维散热器,其运行时间为 1400K。加上这些散热器的重量,我们得到676千瓦/千克。
一个很好的适合可能是钛蓝宝石激光。它将吸收 400 至650 纳米之间的长范围。
这是4200K发射器的18.5%。如果我们使用衍射光栅来过滤掉这些波长,并包括由于内部光学器件造成的一些损耗,那么每公斤反应堆发射器的有用波长为125千瓦。
晶体可在高达45万的温度下工作,效率为40%。对Ti:Al2O3晶体温度灵敏度的其他实验揭示了即使在50万时,拉光作用,并提到效率降低10%。我们将使用 36% 的数字使激光在安全方面。根据这个闪泵实验和这个晶体数据库的数据,我们知道它可以很容易地处理1.88兆瓦/千克。激光本身的质量贡献可以忽略不计。
任何被吸收但未转化为激光的波长都变成了废热。在 450K 温度下,我们仍可以使用 HDPE 塑料面板的较低密度获得 4.6 kW/kg 的废热管理解决方案。
将所有组件放在一起,并应用 15% 的惩罚只是为了保守,我们获得 2.2 kW/kg 的总功率密度。
19,000:
如果我们想变热,我们必须去裂变气体。气芯"灯泡"核反应堆将是我们的模式。
闭式循环"灯泡"设计使铀加热到非常高的温度气体。这种气体以紫外线的形式辐射了大部分能量。正如美国宇航局的参考设计所描述的那样,火箭发动机的紫外线会被氢推进剂流中播种的小钨颗粒吸收。4600 MW 的功率从石英管持有的 8333K 气体中释放,发动机总质量为 32 吨。
我们想用铀气作为光源。更具体地说,我们希望最大限度地利用波长在 120 到 190 nm 之间释放的能量。需要 19,000K。它是触手可及的,如这里所示
与火箭发动机不同,我们不能让氢推进剂吸收废热并通过喷嘴释放。美国宇航局的参考设计围绕减少废热,以消除对散热器的需要,但我们需要他们。与参考设计相比,由于温度较高,我们的输出量是 27 倍,但随后我们必须添加额外散热器的质量。
在最初的设计中,大约15%的反应堆的输出会因为废热而损失。预计所有剩余的产量由推进剂吸收。我们将在石英管和反应堆壁之间使用气,而不是推进剂。气体太薄,不能吸收所有的辐射,所以为了防止它全部被气体壁吸收,我们将使用镜子。
抛光的紫外级铝可以处理紫外线辐射。它通过激光介质反射回石英管,以回收成热。就像黑体泵送的Nd:YAG激光器一样,我们可以创造一种情况,即泵送光使多次通过拉西介质,直到最大分数被吸收。