كتب أنواع الوقود النووي

يمكن تصنيف الصواريخ النووية الحرارية حسب نوع المفاعل، وتتراوح ابتداءً من مفاعل صلب بسيط نسبيًا إلى مفاعل ذات قلب غازي صعب البناء لكنه أكثر كفاءة نظريًا. كما هو الحال في جميع تصاميم الصواريخ الحرارية، يتناسب الاندفاع النوعي الناتج مع مربع درجة الحرارة التي يجري تسخين مائع التشغيل (كتلة التفاعل) فيها. يجب أن تكون درجة الحرارة أعلى ما يمكن للحصول على أعلى درجة من الكفاءة. بالنسبة لتصميم مُعطى، تُحدد درجة الحرارة التي يمكن الوصول إليها عادةً من خلال المواد المُختارة لهياكل المفاعل، والوقود النووي، وتغليف الوقود. يُعتبر التآكل أيضًا شيء مقلق، وخاصة ضياع الوقود وما يرتبط به من الإصدارات الإشعاعية.

القلب الصلب

يجري تغذية المفاعلات النووية ذات القلب الصلب بالوقود عن طريق مركبات اليورانيوم الموجودة في الحالة الصلبة تحت الظروف التي تواجهها، والتي تخضع للانشطار النووي لإطلاق الطاقة. يجب أن تكون مفاعلات الطيران خفيفة الوزن، وقادرة على تحمل درجات حرارة عالية جدًا، لأنّ سائل التبريد الوحيد المتاح هو مائع التشغيل/المادة الدافعة. المحرك النووي ذات القلب الصلب هو أبسط تصميم يمكن إنشاؤه، وهو المفهوم الذي يُستخدم في كل الصواريخ النووية الحرارية المُختبرة.

أداء المفاعل ذات القلب الصلب مقيد في النهاية بخصائص المواد، بما في ذلك نقطة انصهار المواد المُستخدمة في الوقود النووي، ووعاء الضغط في المفاعل. يُمكن للتفاعلات النووية إنتاج درجات حرارة أعلى بكثير مما يمكن أن تصمد أمامها معظم المواد في العادة، وهذا يعني أنه لا يمكن الوصول إلى العديد من إمكانيات المفاعل. بالإضافة إلى ذلك، مع توفير التبريد من خلال المادة الدافعة، يجب أن تشع كل حرارة الاضمحلال التي تبقى بعد إغلاق المفاعل إلى الفضاء، وهي عملية بطيئة تُعرِّض قضبان الوقود إلى ضغط درجة الحرارة العالية. أثناء التشغيل، تتراوح درجات الحرارة عند أسطح قضبان الوقود بين 22 كلفن للمادة الدافعة المُستخدمة وحتى 3000 كلفن عند نهاية العادم. يحدث هذا على طول 1.3 متر من قضيب الوقود، ومن المؤكد أنه سيقود إلى تشقق التغليف إن لم تكن معاملات التمدد متطابقة بشكل دقيق لكل مكونات المفاعل.

عند استخدام الهيدروجين بمثابة مادة دافعة، يعطي تصميم القلب الصلب في العادة اندفاعات نوعية تبلغ 850 إلى 1000 ثانية، وهو ما يعادل ضعفي الاندفاعات النوعية التي تعطيها  التصاميم التي تستخدم الهيدروجين-الأوكسجين السائل، كما في المحرك الرئيسي لمكوك الفضاء. اقتُرحت مواد دافعة أخرى مثل الأمونيا، والماء أو الأوكسجين السائل، إلّا أنّ هذه المواد الدافعة ستوفر سرعة عادم وأداء مُخفّضين بتكلفة وقود مُخفضة لا تُذكر. توجد ميزة أخرى تصب في صالح الهيدروجين، وهي أنه يبدأ بالتفكك في الضغوط المنخفضة عند درجة حرارة نحو 1500 كلفن، وفي الضغوط العالية عند درجة حرارة نحو 3000 كلفن. يقلل هذا من كتلة أنواع العادم، ويزيد الاندفاع النوعي.

كانت المنشورات الأولى في ما يخص التطبيقات الفضائية للمحركات النووية مريبةً. في عام 1947، كان المفاعل النووي الكامل ثقيلًا جدًا لدرجة أنّ المحركات النووية الحرارية ذات القلب الصلب لن تقدر على تحقيق نسبة قوة الدفع إلى الوزن بشكل كلي والتي تبلغ 1:1، وهي ضرورية للتغلب على جاذبية الأرض عند الانطلاق. وصلت تصميمات الصواريخ النووية الحرارية للولايات المتحدة على مدى السنوات الخمس والعشرين التالية إلى نسب قوة الدفع إلى الوزن بلغت بشكل تقريبي 7:1. ما زالت هذه النسبة أقل بكثير من قدرة الصواريخ الكيميائية، والتي تتميز بنسب قوة الدفع إلى الوزن تبلغ 70:1. بالإضافة إلى الخزانات الكبيرة الضرورية لتخزين الهيدروجين السائل، وهذا يعني أنّ المحركات النووية الحرارية ذات القلب الصلب هي الأكثر مناسبة للاستخدام في مدار خارج بئر جاذبية الأرض، ناهيك عن تجنب التلوث الإشعاعي الذي قد ينتج عن استخدامها في الغلاف الجوي.

من طرائق زيادة درجة حرارة عمل المفاعل تغيير عناصر الوقود النووي. هذه الطريقة هي أساس المفاعل ذي الطبقة الجسيمية، والذي يُزوَّد بالوقود عن طريق عدد من العناصر (الكروية عادةً) التي «تطفو» في مائع التشغيل المتمثل بالهدروجين. قد يمنع دوران المحرك بكامله قذف عناصر الوقود خارج الفوهة. يُعتقد أنّ هذا التصميم قادر على زيادة الاندفاع النوعي إلى نحو 1000 ثانية (9.8 كيلو نيوتن في الثانية/كيلوغرام) على حساب التعقيد المتزايد. يمكن لهذا التصميم مشاركة عناصر التصميم مع المفاعل ذو الطبقة الحصوية، إذ يولد العديد منها الكهرباء حاليًا. منذ عام 1987 وحتى عام 1991، موّل مكتب مبادرة الدفاع الاستراتيجي مشروع تيمبر ويند، وهو صاروخ نووي حراري غير دوار يعتمد على تقنية الطبقة الجسيمية. أُلغي المشروع قبل الاختبار.

صاروخ حراري نووي نابض

الصاروخ الحراري النووي النابض (يجب تجنب الخلط بينه وبين دفع النبضة النووية، والذي يُمثِّل طريقة افتراضية لدفع المركبات الفضائية التي تستخدم الانفجارات النووية بمثابة قوة دفع) نوع من الصواريخ الحرارية النووية ذات القلب الصلب المُستخدمة من أجل الدفع وتضخيم الاندفاع النوعي. حسب هذا المفهوم، تستطيع الصواريخ النووية الحرارية التقليدية ذات القلب الصلب والتي تستخدم الانشطار أن تعمل في الوضع الثابت بالإضافة إلى الوضع النابض، ويشبه إلى حد كبير مفاعل تريغا. بسبب قصر زمن المكوث للمادة الدافعة في الحجرة، يمكن تحقيق تضخيم كبير للطاقة بجعل القلب النووي ينبض، وهذا ما يمكن أن يزيد الدفع عن طريق زيادة تدفق كتلة المادة الدافعة.