محققان خواص حرارتی سوخت‌های سرمتی را که ممکن است در سیستم‌های پیشران هسته‌ای آینده مورد استفاده قرار گیرد، بررسی می کنند
| تاریخ ارسال: 1402/3/17 |
برنامه‌ریزی برای مریخ:
محققان خواص حرارتی سوخت‌های سرمتی را که ممکن است در سیستم‌های پیشران هسته‌ای آینده مورد استفاده قرار گیرد، بررسی می‌کنند.
زیستگاه ترانزیت مریخ و سیستم پیشرانه هسته‌ای که می‌تواند روزی فضانوردان را به مریخ ببرد. (عکس از ناسا)
با پرتاب Artemis I به فضا، هدف ارسال مجدد انسان به ماه، اولین گام خود را به سوی تحقق برداشت. اما نوآوری‌های مادی بسیاری هنوز برای تبدیل این اهداف به واقعیت موردنیاز است. همانطور که در شماره جدید ACerS Bulletin دسامبر ۲۰۲۲ به تفصیل شرح داده شده است، مواد سرامیکی و شیشه‌ای نقش مهمی را برای دستیابی به این مهم ایفا می‌کنند. در آن شماره مجله، کاربردهای فراوان سرامیک و شیشه در اکتشاف و سفر فضایی، از پرتاب و بازگشت همه سفرها، جمع‌آوری داده‌ها و یادگیری در بین آن‌ها را مرور می‌کند. همچنین به برنامه‌های نوپایی اشاره می‌کند که احتمالا در ماموریت‌های آینده ظاهر خواهند شد.
فناوری‌های پیشرانه نسل بعدی یکی از حوزه‌هایی است که انتظار می‌رود سرامیک نقش مهمی در آن ایفا کند. برای تحقق ماموریت‌هایی با سرنشین به مریخ و دیگر سیارات دور، فضاپیماها باید بیشترین بهره‌وری را از سوخت به عمل بیاورند. در حالی که راه‌های متعددی برای نزدیک شدن به این هدف وجود دارد، نیرو محرکه حرارتی هسته‌ای یکی از فناوری‌های موردتوجه در رادار ناسا است. نیروی محرکه هسته‌ای از دو فرآیند اتمی شکافت و همجوشی ناشی می‌شود. NTP به طور کلی به شکافت دلالت دارد، یعنی واکنشی که در آن هسته یک اتم به دو یا چند هسته کوچکتر تقسیم می‌شود.
برای دستیابی به نیروی پیشرانه شکافت، یک "سنگ داغ" از اتم‌های اورانیوم، نوترون‌های پرانرژی را برای ایجاد گرما آزاد می‌کند. این گرما برای گرم کردن پیشرانه هیدروژنی استفاده می‌شود، که سپس از طریق یک نازل برای ایجاد رانش، خارج می‌شود.
NTP نیروی رانش بالا و کارایی دو برابر بیشتر از موشک‌های شیمیایی معمولی فراهم می‌کند. با این حال، شرایط شدید درون راکتور اعم از: بالا رفتن دما تا ۲۸۵۰ کلوین (~۴۷۰۰ درجه فارنهایت یا ۲۶۰۰ درجه سانتی‌گراد)، تشعشعات یونیزه‌کننده پرانرژی و جریان هیدروژن پیشران، نیاز به ساخت راکتورهای NTP از موادی دارد که بتوانند این شرایط را تحمل کنند.
کامپوزیت‌های سرامیک-فلز (سرمت) از جمله مواد کاندید برای راکتورهای NTP هستند. این کامپوزیت‌ها متشکل از ذرات سوخت سرامیکی مانند دی اکسید اورانیوم یا مونو نیترید اورانیوم هستند که در یک ماتریس فلزی تعبیه شده‌اند که فلز این ماتریس به دلیل نقطه ذوب بالا و سازگاری عالی با هیدروژن داغ، معمولا تنگستن است.
برای مدل‌سازی دقیق عملکرد راکتور و سوخت، محققان باید به پایگاه‌های اطلاعاتی خواص مواد حاوی مدل‌های تایید شده آزمایشگاهی دسترسی داشته باشند. اما چنین پایگاه‌های داده‌ای برای بسیاری از سرمت‌های NTP ناقص هستند یا وجود ندارند. حتی در مواردی که مدل‌ها می‌توانند ویژگی‌های مؤثر را از نظر کیفی پیش‌بینی کنند، داده‌های تجربی برای عملیات در دماهای بالاتر از ۲۰۰۰ کلوین (~ ۳۱۰۰ درجه فارنهایت یا ۱۷۰۰ درجه سانتی‌گراد) وجود ندارد.
در یک مطالعه اخیر، محققان دانشگاه علم و فناوری Missouri و مرکز پرواز فضایی مارشال ناسا، از جمله Bill Fahrenholtz وGreg Hilmas ، همکاران ACerS، ویژگی‌های حرارتی دمای بالا سرمت مولیبدن تنگستن-هافنیوم نیترید (MoW-HfN) را در دمای بالا مشخص کردند. نیترید هافنیوم یک ماده جانشین غیر رادیواکتیو برای مونونیترید اورانیوم است. این دو نیترید از نظر شیمیایی و ساختاری مشابه هستند و بنابراین اجازه می‌دهد تا آزمایش‌ها بدون انتشار پرتوهای یونیزه پرانرژی انجام شود.
محققان از روش فلاش لیزری، آنالیز گرماسنجی افتراقی و دیلاتومتری میله فشاری به ترتیب برای اندازه گیری نفوذ حرارتی، ظرفیت گرمایی ویژه و ضریب انبساط حرارتی MoW-HfN استفاده کردند. آن‌ها از این مقادیر برای محاسبه رسانایی حرارتی سرمت استفاده کردند.
بر اساس آزمایش‌ها، مقادیر نفوذ از حدود ۰.۱۸ سانتی‌متر مربع بر ثانیه در دمای ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد تا ۰.۱۵ سانتی‌متر مربع بر ثانیه در دمای ۱۸۰۰ درجه سانتی‌گراد متغیر بود. ضریب انبساط حرارتی تا ۱۶۰۰ درجه سانتی‌گراد اندازه‌گیری شد، که مقادیری بین ۶.۰ و ۹.۰ میکرومتر بر متر ارائه می‌دهد. اندازه گیری ظرفیت گرمایی ویژه به دمای کمتر از ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد محدود شد، اما با مدل قانون مخلوط (ROM) تایید شد. بنابراین، هنگام محاسبه هدایت حرارتی سرمت برای دماهای بالاتر از ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد، مقادیر نیمه تجربی در نظر گرفته می‌شوند زیرا مدل ROM برای برون‌یابی ظرفیت گرمایی ویژه استفاده شده است. پس از آزمایش‌ها، محققان مقادیر خواص مختلف را با مقادیر محاسبه‌شده توسط مدل‌ها با ویژگی مختلف مقایسه کردند تا مشخص کنند کدام مدل‌ها به بهترین شکل سیستم را توصیف می‌کند. همانطور که در بالا ذکر شد، مدل ROM در محاسبه ظرفیت گرمایی عملکرد مناسبی از خود نشان داد. به همین صورت، مدل Bruggemann ، که مبتنی بر این ایده است که یک کامپوزیت را می‌توان با ایجاد تغییرات کوچک در ماده به صورت تدریجی ساخت، مطابقت معقولی با هدایت حرارتی محاسبه شده نشان داد.
فناوری‌های پیشرانه نسل بعدی یکی از حوزه‌هایی است که انتظار می‌رود سرامیک نقش مهمی در آن ایفا کند. برای تحقق ماموریت‌هایی با سرنشین به مریخ و دیگر سیارات دور، فضاپیماها باید بیشترین بهره‌وری را از سوخت به عمل بیاورند. در حالی که راه‌های متعددی برای نزدیک شدن به این هدف وجود دارد، نیرو محرکه حرارتی هسته‌ای یکی از فناوری‌های موردتوجه در رادار ناسا است. نیروی محرکه هسته‌ای از دو فرآیند اتمی شکافت و همجوشی ناشی می‌شود. NTP به طور کلی به شکافت دلالت دارد، یعنی واکنشی که در آن هسته یک اتم به دو یا چند هسته کوچکتر تقسیم می‌شود.
برای دستیابی به نیروی پیشرانه شکافت، یک "سنگ داغ" از اتم‌های اورانیوم، نوترون‌های پرانرژی را برای ایجاد گرما آزاد می‌کند. این گرما برای گرم کردن پیشرانه هیدروژنی استفاده می‌شود، که سپس از طریق یک نازل برای ایجاد رانش، خارج می‌شود.
NTP نیروی رانش بالا و کارایی دو برابر بیشتر از موشک‌های شیمیایی معمولی فراهم می‌کند. با این حال، شرایط شدید درون راکتور اعم از: بالا رفتن دما تا ۲۸۵۰ کلوین (~۴۷۰۰ درجه فارنهایت یا ۲۶۰۰ درجه سانتی‌گراد)، تشعشعات یونیزه‌کننده پرانرژی و جریان هیدروژن پیشران، نیاز به ساخت راکتورهای NTP از موادی دارد که بتوانند این شرایط را تحمل کنند.
کامپوزیت‌های سرامیک-فلز (سرمت) از جمله مواد کاندید برای راکتورهای NTP هستند. این کامپوزیت‌ها متشکل از ذرات سوخت سرامیکی مانند دی اکسید اورانیوم یا مونو نیترید اورانیوم هستند که در یک ماتریس فلزی تعبیه شده‌اند که فلز این ماتریس به دلیل نقطه ذوب بالا و سازگاری عالی با هیدروژن داغ، معمولا تنگستن است.
برای مدل‌سازی دقیق عملکرد راکتور و سوخت، محققان باید به پایگاه‌های اطلاعاتی خواص مواد حاوی مدل‌های تایید شده آزمایشگاهی دسترسی داشته باشند. اما چنین پایگاه‌های داده‌ای برای بسیاری از سرمت‌های NTP ناقص هستند یا وجود ندارند. حتی در مواردی که مدل‌ها می‌توانند ویژگی‌های مؤثر را از نظر کیفی پیش‌بینی کنند، داده‌های تجربی برای عملیات در دماهای بالاتر از ۲۰۰۰ کلوین (~ ۳۱۰۰ درجه فارنهایت یا ۱۷۰۰ درجه سانتی‌گراد) وجود ندارد.
در یک مطالعه اخیر، محققان دانشگاه علم و فناوری Missouri و مرکز پرواز فضایی مارشال ناسا، از جمله Bill Fahrenholtz وGreg Hilmas ، همکاران ACerS، ویژگی‌های حرارتی دمای بالا سرمت مولیبدن تنگستن-هافنیوم نیترید (MoW-HfN) را در دمای بالا مشخص کردند. نیترید هافنیوم یک ماده جانشین غیر رادیواکتیو برای مونونیترید اورانیوم است. این دو نیترید از نظر شیمیایی و ساختاری مشابه هستند و بنابراین اجازه می‌دهد تا آزمایش‌ها بدون انتشار پرتوهای یونیزه پرانرژی انجام شود.
محققان از روش فلاش لیزری، آنالیز گرماسنجی افتراقی و دیلاتومتری میله فشاری به ترتیب برای اندازه گیری نفوذ حرارتی، ظرفیت گرمایی ویژه و ضریب انبساط حرارتی MoW-HfN استفاده کردند. آن‌ها از این مقادیر برای محاسبه رسانایی حرارتی سرمت استفاده کردند.
بر اساس آزمایش‌ها، مقادیر نفوذ از حدود ۰.۱۸ سانتی‌متر مربع بر ثانیه در دمای ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد تا ۰.۱۵ سانتی‌متر مربع بر ثانیه در دمای ۱۸۰۰ درجه سانتی‌گراد متغیر بود. ضریب انبساط حرارتی تا ۱۶۰۰ درجه سانتی‌گراد اندازه‌گیری شد، که مقادیری بین ۶.۰ و ۹.۰ میکرومتر بر متر ارائه می‌دهد. اندازه گیری ظرفیت گرمایی ویژه به دمای کمتر از ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد محدود شد، اما با مدل قانون مخلوط (ROM) تایید شد. بنابراین، هنگام محاسبه هدایت حرارتی سرمت برای دماهای بالاتر از ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد، مقادیر نیمه تجربی در نظر گرفته می‌شوند زیرا مدل ROM برای برون‌یابی ظرفیت گرمایی ویژه استفاده شده است. پس از آزمایش‌ها، محققان مقادیر خواص مختلف را با مقادیر محاسبه‌شده توسط مدل‌ها با ویژگی مختلف مقایسه کردند تا مشخص کنند کدام مدل‌ها به بهترین شکل سیستم را توصیف می‌کند. همانطور که در بالا ذکر شد، مدل ROM در محاسبه ظرفیت گرمایی عملکرد مناسبی از خود نشان داد. به همین صورت، مدل Bruggemann ، که مبتنی بر این ایده است که یک کامپوزیت را می‌توان با ایجاد تغییرات کوچک در ماده به صورت تدریجی ساخت، مطابقت معقولی با هدایت حرارتی محاسبه شده نشان داد.
میکروگراف میکروسکوپ الکترونی روبشی (چپ) و نقشه آنالیز عنصری (راست) نمونه MoW-HfN ذرات نیترید هافنیوم (آبی) توسط ماتریس مولیبدن (سبز) و تنگستن (صورتی) احاطه شده است. (Mudd و همکاران، مجله انجمن سرامیک آمریکا).
Journal of the American Ceramic Society, “Thermal properties of HfN-MoW surrogate cermet fuel for nuclear thermal propulsion” (DOI: ۱۰.۱۱۱۱/jace.۱۸۸۷۰).
منبع:
ترجمه: مهندس علی زرگر، دانشگاه صنعتی شریف