用于模拟太空核反应堆的实验回路

使用核反应产生的热量作为燃料的核热推进有朝一日可以用于载人航天，甚至可能用于火星任务。然而，它的发展带来了挑战。所使用的材料必须能够定期承受高温和高能粒子的轰击。

宾夕法尼亚州立大学核工程博士生 Will Searight 正在为使这些进步更加可行的研究做出贡献。他在美国核学会的出版物Fusion Science and Technology上发表了初步设计模拟的结果。

为了更好地研究核热推进，Searight 模拟了一个称为氢测试回路的小规模实验室实验。该装置模拟了反应堆在太空中的运行，流动的氢气穿过核心并推动火箭——温度高达近 2200 华氏度。Searight 使用来自拉管详细图纸的尺寸开发了模拟，拉管是构成氢气流经的大部分测试回路的组件。行业合作伙伴 Ultra Safe Nuclear Corporation (USNC) 提供了图纸。

“了解 USNC 的组件在热氢环境中的行为对于将我们的火箭带入太空至关重要，”Searight 说。“我们很高兴能与美国宇航局太空核推进项目的主要反应堆承包商之一合作，该项目正在寻求在十年内生产出示范核热推进发动机。”

在核工程副教授兼本科项目主席 Leigh Winfrey 的建议下，Searight 使用建模软件 Ansys Fluent 设计了一个外径约为 2 英寸的不锈钢管的模拟回路。在模型中，回路连接到氢泵，并使热氢循环通过与加热元件相邻的测试部分。

Searight 发现，虽然可以将氢气持续加热到 2,200 华氏度，但有必要在测试部分的正上方安装一个加热元件，以防止加热减少。从建模软件收集的数据表明，通过测试部分的氢气流平稳且均匀，减少了可能危及装置安全性和使用寿命的回路中热量分布不均。对结果的分析还证实，不锈钢可以更方便、更经济地建造回路。

“我们很高兴在宾夕法尼亚州立大学开发独特的极端环境模拟能力方面迈出了第一步，”温弗瑞说。“这项初步工作将使我们能够进行可能对太空探索的未来产生重大影响的研究。”

随着进一步的研究，Searight 的初步工作可以扩大对材料的测试，这些材料有朝一日可以实施，以使用反应堆燃料火箭创造更快、更高效的太空旅行。

最近，Searight 获得了 ANS 的 George P. Shultz 和 James W. Behrens 研究生奖学金。Searight 将使用该奖项来支持他未来在测试循环方面的工作。这笔 3,000 美元的奖学金旨在表彰 2 月去世的核不扩散倡导者和总统自由勋章获得者舒尔茨，以及曾在国家安全部门担任过多个职位的 ANS 董事会成员贝伦斯。

NASA 小企业创新研究合同支持这项工作。