Thermo-hydraulische analyse van nucleaire ruimtevaart
De voortstuwing van raketten voor bemande ruimtereizen voorbij de maan draait om brandstofefficiëntie. Hoe minder brandstof voor een missie de ruimte in hoeft, hoe minder lanceringen vereist zijn om een ruimteschip startklaar te maken. Hoewel chemische raketten voorlopig de standaard blijven om te ontsnappen aan de zwaartekracht van de aarde, wordt nucleaire voortstuwing gezien als een van de primaire kandidaten voor lange ruimtereizen door de hoge brandstofefficiëntie.
Nucleaire voortstuwing maakt het mogelijk om reistijden aanzienlijk te verkorten. Een traditionele reis naar Mars van circa negen maanden kan bijvoorbeeld worden teruggebracht tot drie à vier maanden. Dit heeft een belangrijk bijkomend voordeel: een kortere blootstelling van astronauten aan schadelijke kosmische straling.
Een van de bekendste methodes van nucleaire voorstuwing is Nuclear Thermal Propulsion (NTP) op basis van waterstof. Hierbij genereert een reactorkern thermische energie, waar een gas zoals waterstof doorheen wordt gepompt. Dit gas warmt in de fractie van een seconde op en wordt met veel kracht uit de achterkant van de raket gestoten, wat stuwkracht levert. Deze technologie is in de jaren ‘50 en ‘60 al uitgebreid onderzocht in de Verenigde Staten, onder andere binnen het NERVA-programma. Hierbij zijn experimentele reactoren ontwikkeld, waaronder de zogenoemde XE-reactoren. Alle tests waren echter op de grond: geen van de reactoren heeft destijds de ruimte gezien.
NRG PALLAS werkt momenteel aan een thermo-hydraulische analyse van de XE-2 reactor, een van de laatste ontworpen NTP-reactoren binnen het NERVA-programma. De analyse wordt uitgevoerd in onze eigen thermo-hydraulische code SPECTRA. Het doel is om aan te tonen dat de code in staat is exotische reactoren onder extreme condities te modelleren.
De omstandigheden binnen een NTP-systeem zijn uitzonderlijk. De temperaturen variëren van circa -250 °C bij de brandstoftank (vloeibaar waterstof) tot ruim 2000 °C bij het verlaten van de reactorkern. Daarnaast vervult waterstof een dubbele rol: het fungeert zowel als koelmiddel als drijfgas (propellant). Het koelmiddel circuleert dus niet in een gesloten circuit zoals in conventionele kernreactoren, maar verlaat het systeem (open circuit). Door ervaring op te doen met dit soort systemen, stelt NRG PALLAS zich in staat opdrachten uit te voeren binnen de nucleaire ruimtevaart.
