Thử nghiệm mô phỏng vòng lặp hydro tên lửa đẩy hạt nhân vũ trụ

Động cơ đẩy nhiệt hạt nhân, sử dụng nhiệt lượng từ các phản ứng hạt nhân làm nhiên liệu, có thể được sử dụng trong những chuyến bay vào vũ trụ, trong tương lai gần là những sứ mệnh khám phá sao Hỏa.

Cấu trúc thiết kế động cơ đẩy nhiệt hạt nhân sử dụng hydro

Sơ đồ đơn giản động cơ tên lửa nhiệt hạt nhân

Động cơ tên lửa đẩy nhiệt hạt nhân ( NTR ) là động cơ sử dụng nhiệt từ lò phản ứng hạt nhân, thường phân hạch hạt nhân thay thế năng lượng hóa học của nhiên liệu hóa thạch. Trong NTR, chất lỏng hoạt động (hydro lỏng) được đốt nóng đến nhiệt độ cao trong lò phản ứng hạt nhân và sau đó phun ra qua ống phụt tên lửa tạo lực đẩy.

Những vật liệu sử dụng phải có khả năng chịu nhiệt cao và sự bắn phá thường xuyên của những hạt năng lượng cao.

Will Searight, nghiên cứu sinh TS kỹ thuật hạt nhân thuộc Đại học bang Pennsylvania đã mô phỏng một thử nghiệm trong phòng thí nghiệm quy mô nhỏ, được gọi là vòng thử nghiệm hydro.

Sơ đồ nghiên cứu thử nghiệm động cơ tên lửa đẩy hạt nhân

Thiết lập mô phỏng hoạt động của một lò phản ứng trong không gian, dòng hydro đi qua lõi và đẩy tên lửa với nhiệt độ lên tới gần 2.200 độ F. Searight đã phát triển mô phỏng bằng việc sử dụng những kích thước từ bản vẽ chi tiết của các ống dẫn khí, những thành phần chính tạo nên phần lớn vòng thử nghiệm, hydro chảy qua. 

Theo phân tích của Searight, cần hiểu rất rõ hoạt động các chi tiết của USNC hoạt động thế nào trong môi trường hydro nóng, đây là kiến thức có ý nghĩa quan trọng đưa tên lửa lên vũ trụ. USNC là một trong những nhà thầu lò phản ứng cho dự án động cơ đẩy hạt nhân trong không gian của NASA, đang nỗ lực chế tạo nguyên mẫu động cơ đẩy nhiệt hạt nhân thử nghiệm trong vòng một thập kỷ.

PGS Winfrey, chủ nhiệm chương trình đại học về kỹ thuật hạt nhân đã tư vấn cho Searight sử dụng Ansys Fluent, một phần mềm mô hình hóa thiết kế một vòng lặp mô phỏng từ một ống thép không gỉ có đường kính ngoài khoảng 2 inch. Trong mô hình, vòng lặp kết nối với một máy bơm hydro và tuần hoàn hydro nóng qua phần thử nghiệm liền kề với bộ phận gia nhiệt.

Searight nhận thấy, dù có thể nung nóng hydro đồng đều đến 2.200 độ F, cần phải đặt một bộ phận gia nhiệt ngay trên khu vực thử nghiệm để ngăn chặn sự giảm nhiệt.

Dữ liệu thu thập được từ phần mềm mô hình hóa cho thấy, dòng khí hydro chạy qua khu vực thử nghiệm đồng đều và mượt mà, giảm được sự phân bố nhiệt không đều qua vòng lặp, có thể đe dọa sự an toàn và tuổi thọ của thiết bị. Phân tích kết quả cũng chứng minh được, sử dụng thép không gỉ xây dựng vòng lặp thuận tiện và tiết kiệm chi phí hơn.

Nghiên cứu này đã phát triển một khả năng độc đáo mô phỏng môi trường hoạt động khắc nghiệt với lò phản ứng hạt nhân tại Penn State. 

Công trình nghiên cứu sơ bộ của Searight có thể cho phép tiến hành những nghiên cứu sâu, mở rộng thử nghiệm những vật liệu, trong tương lai có thể được ứng dụng để chế tạo động cơ nhiệt hạt nhân, cho phép thực hiện các chuyến du hành thám hiểm vũ trụ xa hơn, nhanh hơn, hiệu quả hơn trong tương lai.