Nukleartechnik für die Raumfahrt

Schau mal in diesen Thread, da gibt es schon einiges zum Thema:

https://forum.raumfahrer.net/index.php?topic=4178.15

Da hast du recht, aber die Diskussion geht mir an der Fragestellung etwas vorbei.
Zum einen denke ich nicht an RTG's die sind einfach zu Leistungsschwach.
Und direkt durch Kernbrennkammer geleitetes Gas ist zwar recht gut im Verhältnis zu chemischen Triebwerken und hat auch einen hohen Schub, ist aber von der Ausströmgeschwindigkeit mindestens um den Faktor 4 schlechter als VASIMR.
Ich denke dabei eher an ein Laufwellenreaktor wegen der sehr guten Brennstoffausnutzung,
Dann vielleicht Gasturbine(n) und nachgeschaltet vielleicht eine Dampfturbine.
Die Kühlung über Strahlungskühlflächen, vielleicht
im 90° Winkel um das Schiff angeordnet, sodass sich vielleicht bei beidseitiger Abstrahlung ein Kühlfläche von fast 8x der Einzelgröße einer Kühlfläche ergibt.
Damit die Kühlflächen möglichst leicht sind, könnte man die Flächen ähnlich Blättern von Bäumen konstruieren, relativ dick am Astansatz mit Kühlflüssigkeit gefüllt und weiter an der Peripherie die Wärmeleitung über Kohlenstoffnanofassern, die haben immerhin einen spezifische Wärmeleitung von 6000W/m.
das ist so der Faktor 20!

Es wird ein kompackter Nuklearreaktor Benötigt, wie er Versuchsweise schon vor 45 Jahren in einem Flugzeug geflogen ist.(siehe Text unten) die Amerikaner haben zur gleichen Zeit ein ähnliches Projekt gehabt, habe dieses aber im gegensatz zu den Russen aber nicht bis zu dem Punkt gebracht, dass das Flugzeug vom Reaktor getrieben wird.

An-22PLO
Prototyp für ein nuklear angetriebenes Flugzeug. Dazu wurde auf Beschluss der Regierung vom 26. Oktober 1965 die Maschine mit der Werksnummer 01-07 mit einem Atomreaktor ausgerüstet. Die Abschirmung zum Schutz der Besatzung wurde in der Maschine mit der Werksnummer 01-06 erprobt. Beim Start wurden die vier 13.000 PS Triebwerke mit Kerosin betrieben, jedoch beim Flug übernahm der Reaktor mit vier mal 8900 PS die Energieversorgung der Triebwerke. Die Maschine sollte so eine Reichweite von 27.500 km erreichen. Der Reaktor traf im August 1972 in Moskau ein und schon Anfang September 1972 wurde die Maschine nach Semipalatinsk verlegt, wo die Flugerprobung begann. Insgesamt wurden 23 Flüge mit der Besatzung Samowarow, Gorbik und Worotnikow unter dem Projektnamen "Storch" durchgeführt. Trotz befriedigender Ergebnisse wurde das Projekt aus Bedenken zur Sicherheit bei Unfällen eingestellt.

Hier haben wir einiges über Nuklear Reaktoren in der Raumfahrt geschrieben: https://forum.raumfahrer.net/index.php?topic=4664.150

Interessant auch: http://qhxb.lib.tsinghua.edu.cn/myweb/english/2007/2007e3/252-260.pdf (wobei das eher über einen thermonukleare Antrieb ist.)

Hallo,

ich erstelle diesen Sammelthread, um Diskussionen zu nuklearen Energieversorgungskonzepten in der Raumfahrt zu konsolidieren.

In der irdischen Atomenergie wird ja wohl vorallem Uran 235 mit einer Halbwertszeit von ~700 millionen Jahren genutzt. Ist es technisch möglich in der Raumfahrt, bei der der Energiebedarf ja in der nächsten Zeit bei ~1MW liegen wird einen Brenntstoff mit deutlich niedrigerer Halbwertszeit zu nutzen? Vielleicht so 100Jahre?

Sprich: Funktioniert Atomstromproduktion prinzipell nur mit Isotopen mit wahnwitziger Halbwertszeit, oder sind diese nur wirtschaftlich am sinnvollsten?

Hallo,

die HWZ hat bei der Kernspaltung keinen grossen Einfluss. Prinzipiell geht es hier um die Verfuegbarkeit: U235 ist das einzige natuerlich vorkommende Isotop (wenn man mal von extrem geringen Spuren von 239Pu usw absieht), das sich zur Kernspaltung nutzen laesst (besser gesagt mit dem man eine Kettenreaktion erzeugen kann, spalten laesst sich fast alles). Genutzt werden koennen weiterhin auch 239Pu, 241Pu und 233U. Diese muessen aber aus anderen Isotopen erbruetet werden, die Plutoniumisotope aus 238U, das 233 aus 232Th. Genutzt werden diese auch schon, ein Teil der Energieproduktion eines normalen Leistungsreaktors kommt auch von 239Pu, das dort als Nebenprodukt erzeugt und teilweise wieder gespalten wird bzw aus gebrauchten Brennelementen extrahiert und als MOX wieder zum Einsatz kommen kann.

Aus Sicherheitsgruenden duerfte aber eine Loesung auf Basis von 235U die beste Loesung sein, da es durch die hohe HWZ die geringste Aktivitaet all diese Isotope aufweist und so vor dem Flug bzw. bei einem potentiellen Startunfall am einfachsten zu Handhaben ist.

HWZ:

233U - 1.592e5 a
235U - 7.038e8 a
239Pu - 2.411e4 a
241Pu - 14.1 a

Siehe auch: Fissionable Materials (engl)

Technischer Post zur Zusammenführung der Threads "Radioaktive Raumfahrt" und "Nukleare Energieversorgung".

Falls es jemanden interessiert, hier ne Info zum Laufwellenreaktor:
http://de.wikipedia.org/wiki/Laufwellen-Reaktor

Bei min.60 Jahren Nutzungsdauer kann man schon ganz schön oft zwischen Erde und Mars hin und her Pendeln. nimmt man 2x39 Tage mit VASIMR Triebwerken mit jeweils 14 Tagen in den Parkorbits um die Erde oder den Mars reicht das für ca. 410 Flüge, das ist dann so ähnlich wie mit der Bundesbahn, die benutzen auch uralte Züge mit Klimageräten ...
Na ja, Schwamm über die schweißnaßen  stellen.

Hrüße an alle; Klakow

Naja,

diese 39-VASIMR-Tage sind PR-Zahlen mit einer ganzen Reihe Annahmen. Wie ein Betrieb mal wirklich aussähe, kann ehrlich noch niemand sagen. Außerdem ändert sich die Orbitkonstellation zwischen Erde und Mars ständig.

Das mit der "Travelling Wave" ist erst mal nur ein Konzept. Wo siehst du die Vorteile zu "normalen" Reaktoren?

Wie ich weiter oben schon geschrieben habe brauchen wir nicht das Rad wieder neu zu erfinden. Es gab schon in den 60ern Versuche mit Reaktoren in Flugzeugen, und bei en Russen wurde er sogar zum Antrieb genutzt.

Es ist eine politische Entscheidung, bzw eine Umweltschutzfrage ob es einen Reakto im Orbit geben wird.

Die erste praktikabele Anwendung ist ein LEO GSO Schlepper, mit einem Sehr großen, oder einem Cluster aus extrem vielen Ionentriebwerken. Aber genau hier zeigt sich die gefahr eines solchen Systems, fällt das System auf dem Rückweg aus, werden hochradioaktieve Brennelemente in der Atmosphäre Verglühen.

Auf der Erde setzt man in Kernkraftwerken auf mehrfachredundante Systeme, im all können diese zwar einen ausfall kompensieren, eine nicht unwahrscheinkiche Kollision trifft aber alle Systeme

Das mit der "Travelling Wave" ist erst mal nur ein Konzept. Wo siehst du die Vorteile zu "normalen" Reaktoren?

Der Hauptvorteil ist, das man ca 60 Jahre, also die ganze Lebensdauer (die hier genannt wurde) ohne Austausch von Brennelementen auskommen kann. Das erspart einem komplizierte Austauscharbeiten im Orbit. Das unterscheidet den TWR von klassischen Reaktoren. Allerdings haben alle existenten und theoretischen Reaktoren derzeit ein Problem: Um die 39 Tage Reisezeit zu erreichen, haben sie schlichtweg zu geringe Leistungsdichten: Sie sind allesamt zu schwer

mfg websquid

Hallo websquid,

das mit den 60 Jahren ist wohl in der Anwendung eher theoretischer Natur. Immerhin müsste man dann auch "Brennstoff" für diese Dauer mitnehmen, also Masse. Daher sehe ich keinen echten Vorteil dieses Designs.

WENN man so eine lange Lebensdauer erzielen will, ist das ein gutes Konzept - ansonsten ist es überflüssig diese Masse mitzunehmen. OB man so eine lange Lebensdauer überhaupt erzielen wollen sollte, ist eine andere Frage (diskutieren wir ja auch gerade unter "GSO-Station"). Da lautet die Antwort wohl tatsächlich eher nein

mfg websquid

das mit den 60 Jahren ist wohl in der Anwendung eher theoretischer Natur. Immerhin müsste man dann auch "Brennstoff" für diese Dauer mitnehmen, also Masse. Daher sehe ich keinen echten Vorteil dieses Designs.

Wenn man bei einem NEA Uran sammeln könnte, wäre es schon sinnvoll, denn nur der innere Kern dieses Reaktortyps braucht angereichertes Uran.
Ansonsten wäre er wohl zu sperrig...

WENN man so eine lange Lebensdauer erzielen will, ist das ein gutes Konzept - ansonsten ist es überflüssig diese Masse mitzunehmen. OB man so eine lange Lebensdauer überhaupt erzielen wollen sollte, ist eine andere Frage (diskutieren wir ja auch gerade unter "GSO-Station"). Da lautet die Antwort wohl tatsächlich eher nein

Genau... Wenn vorher die Lebenserhaltungssysteme und die Hülle zusammenbrechen hat man nichts von so einem Reaktor... Wie wären 10 Jahre geplante Laufzeit?

Liebe Raumfahrtfreunde,

der Hauptvorteil ist das in chemischen Treibstoffen halt sehr viel weniger Energie drin steckt als in Kernbrennstoff. Im wesentlichen will man ja dem Treibstoff eine möglichst hohe Ausströmgeschwindigkeit geben. Die wichtigste Frage ist dabei das Verhältnis Treibstoff ISP zur Reaktor und Triebwerksmasse.
Die Triebwerksmasse ist bei VASIMR relativ klein, der Reaktor wird aber sicher einen erheblich größeren Prozentsatz einnehmen.
Mit Reaktor meine ich nicht nicht nur den Nuklearteil sondern auch alle Teile die Notwendig sind um aus der Kernbrennenergie Strom zu erzeugen.

Allerdings fehlen mir zu vielen Punkten noch Infos,
da währen z.B. was für Magnetspulen werden derzeit beim VX200 VASIMR verwendet. --> Masse wie groß?
Wieviel an  Baugruppenmasse muss man einplanen, um die Abwärme des Turbinen-Generatorsystems bei bestimmten Temperaturen der Abstrahlflächen zu erreichen.
Gibt es dazu schon Überlegungen so was mittels C-Nanotubes zu verbessern?

bestimmten Temperaturen der Abstrahlflächen zu erreichen.
Gibt es dazu schon Überlegungen so was mittels C-Nanotubes zu verbessern?

In der Tat habe ich da mal was gelesen. Also das CNT in Computern die Kühlung revolutionieren könnten, also Wasserkühlung ohne Pumpe durch CNT...

Aber wenn du bedenkst: Ein Reaktor hat vielleicht 50% Wirkungsgrad.
Der Rest wird in Wärme umgewandelt.

Bei 100 MW, die man für die 39-Tage-Reise zum Mars bräuchte, muss man also ~50MW an Wärme abgeführt werden...

Die Reisezeit auf 39 Tage zu verkürzen ist auch grober Unfug. Da fliegt man lieber etwas länger, nimmt dafür aber ein Vielfaches an Nutzlast mit.

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Mich würd mal interessieren, warum keiner die Entsorgung von Atommüll auf stabilen Umlaufbahnen um die Sonne ins Auge fasst. Wenn man Brennstäbe wiederaufbereitet bleiben nur vergleichsweise kleine Mengen nicht wiederverwertbarer, hochradioaktiver Stoffe übrig. Im Großen und Ganzen kommen die deutschen Atomkraftwerke auf wenige Tonnen pro Jahr, wenn man die Brennstäbe konsequent aufbereitet.

RTGs in Raumsonden sind bereits so verpackt, dass die bei einem Fehlstart einer Trägerrakete nicht zerbrechen und weite Gebeite verseuchen. Könnte man den Atommüll nicht ähnlich verpacken, auf die Spitze einer Ariane setzen und für immer umweltschonend entsorgen?

Was ich bei den "Umweltschützern" von SPD und Grünen nicht verstehe ist warum sie gerade auch wegen der Abfallfrage gegen Kernenergie sind, dabei aber alle bisher vorgeschlagenen Endlagerlösungen als ungenügend abtun. Irgendwo müss der bereits vorhandene Atommüll doch hin?

Entsorgung im Weltraum würde auch die Nachfrage nach Stufen und Triebwerken ankurbeln, die Starteinrichtungen besser auslasten und so insgesamt zu einer Kostensenkung führen.

Einer der großen Unterschiede zwischen einem "jungfräulichen" Brennelement (z.B. RTG bei Start) und einem ausgebrannten Brennelement eines Reaktors ist ihr Inhalt. In einem ausgebrannten Element befinden sich eine Vielzahl von instabilen und hoch aktiven Spaltprodukten, die in der Umwelt u.a. von Organismen aufgenommen werden können. Dagegen ist das angereicherte Uran in einem Brennelement regelrecht harmlos. Das Eine kann man (bei einem Fehlstart) "getrost" als Schwermetall auf der Oberfläche verteilen, das Andere besser nicht.

Und was sind "sichere Umlaufbahnen"? Wer kann sagen, wie sich diese Endlager in 1000 Jahre bewegen und wo sie wieder vorbei kommen? So ähnlich hat man mal die Meere als "Fass ohne Boden" wahrgenommen, was sie offensichtlich nicht waren.

Daher gibt es schon ganz grundlegende, konzeptionelle Einwände gegen ein Endlager im All. Die Idee wird nur immer wieder von jemandem aufgegriffen und publiziert (z.B. auch mal von einem Technologie-Philosophen in Spektrum der Wissenschaft).

Es gibt Umlaufbahnen um die Sonne, die sollen für Millionen Jahre stabil sein.

Man könnte den Atommüll auch in extrem sicheren Kapseln verpacken, die auch ein Explosion und einen Widereintritt unbeschadet überstehen?

Hm, und du möchtest dein Leben darauf verwetten, oder? Ich bin definitiv nicht überzeugt...

So "sicher" wie die Castoren und der Salzstock? Wir können mit unserer Technik nicht für Jahrtausende planen, schon gar nicht zertifizieren und absicher.

Hm, und du möchtest dein Leben darauf verwetten, oder? Ich bin definitiv nicht überzeugt...

Ja. Die Chance, dass ein "Castor" von einer stabilen Umlaufbahn um die Sonne so abgelenkt wird, dass er die Erde trifft, ist wirklich verschwindend gering.

Und warum sollte man den Atommüll nicht so verpacken können, dass die Kapseln eine Startexplosion und einen Widereintritt überstehen ohne zu zerbrechen? Solch eine Technik gibt es schon.

Ich finde die Möglichkeit sollte wenigstes ernsthaft studiert werden. Es ist die einzige Möglichkeit, den Atommüll dauerhaft aus der Biosphäre zu entfernen.

Die Belastungen bei Starts (und unkontrolliertem Eintreten in die Atmosphäre) sind enorm, und wir reden über tausende Tonnen strahlendem Material, dass weit (= mit viel Beschleunigung = mit viel Schub) von der Erde entfernt werden müsste. Die Kosten wären mit Sicherheit unbezahlbar und wenn nur einer von tausend Starts fehlschlägt, haben wir eine riesige Verstrahlung unserer irdischen Biosphäre mit entsprechend heftigen Schäden und erneut immensen Kosten.

An dermaßen stabile (und schwere) Behälter, die den Atommüll sicher einschließen, was auch immer passiert, vermag ich beim besten Willen nicht zu glauben. Oder wieviel Atommüll willst du pro Raketenstart entsorgen? 10kg bei 100 Tonnen Abschirmung?

Bernd Leitenberger hat die Geschichte mit dem Atommüll mal durchgerechnet:

http://www.bernd-leitenberger.de/blog/2009/10/15/atommuellentsorgung-im-all/

Die NASA hat in den 70ern anscheinend Atommüllentsorgung mit dem Shuttle untersucht.

Er schlägt vor, den Atommüll in einer FOTON-Kapsel einzuschließen. Die scheinen sehr stabil zu sein. Solange der Atommüll bei einem Fehlstart nicht zerstäubt sondern mit der Kapsel an einem Stück ins Meer fällt, sehe ich kein Problem.