Was ein Ofen im Nuklearreaktor mit Atom-Raumschiffen zu tun hat

Bisher fliegen wir mit chemischen Raketentriebwerken ins und im All. Ähnlich wie beim Verbrennungsmotor wird der Schub durch Verbrennen des Treibstoffs erzielt. Das funktioniert zwar, ist aber nicht sehr effizient. Daher dauert ein Flug zum Mars auch zwischen 6 oder 9 Monate: Für mehr Geschwindigkeit reicht der Treibstoff nicht.

NTP, Nuclear Thermal Propulsion, soll dieses Problem lösen. Dabei erzeugt ein Atomreaktor Hitze, mit der Wasserstoff auf ultra-heiße Temperaturen gebracht wird. Der wird dann durch eine Düse ausgestoßen, was für den Schub sorgt. Das ist weit effizienter als ein chemischer Raketenantrieb und könnte so die Flugzeit zum Mars und anderen Planeten deutlich reduzieren. Positiver Nebeneffekt: Weniger Flugzeit heißt weniger Belastung der Menschen an Bord und geringere Missionskosten.

Die Mischung aus Weltraum, radioaktiver Strahlung und hoher Hitze sorgt aber für Herausforderungen bei NTP: Wie soll man auf der Erde die Belastungen testen, denen Komponenten davon dann im Weltraum ausgesetzt sind? Die Antwort darauf ist INSET.

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Ein Ofen für den Reaktor

INSET steht für In-Pile Steady-State Extreme Temperature Testbed. Es wurde im Rahmen eines anderen Projekts entwickelt, um nuklearen Brennstoff für NTP-Triebwerke zu testen.

Im Grunde handelt es sich bei INSET um einen Hochleistungsofen, der nicht nur neben einem Atomreaktor, sondern auch in einem Atomreaktor betrieben werden kann. Der kompakte Ofen kann in jedem Forschungsreaktor eingesetzt werden, der eine Öffnung mit einem Durchmesser von mindestens 20 Zentimetern hat.

INSET kann innerhalb von 5 Minuten Materialen von Raumtemperatur auf 2.200 Grad Celsius aufheizen. Außerdem ist es so gebaut, dass es nach einer Bestrahlung im Reaktor schnell und sicher gehandhabt werden kann.

Eine Schutzschicht für den Brennstoff

Das Ziel war herauszufinden, wie der nukleare Brennstoff im Raumschiff-Reaktor vor den harschen Bedingungen eines Atomtriebwerks geschützt werden kann. Dazu wurden 4 Proben von verschiedenen Brennstoffen mit einer Zirconiumcarbid-Schicht behandelt. Das Material kommt auch auf der Erde zur Beschichtung von Brennstoff-Elementen in Atomreaktoren zum Einsatz, weil es fast überhaupt nicht mit Neutronen interagiert.

Die Proben befanden sich 2 Tage in INSET, das wiederum im Forschungs-Atomreaktor der Ohio State Universität eingesetzt wurde. In dieser Zeit erzeugte der Ofen wiederholt Temperaturzyklen bis zu 2.200 Grad Celsius, während der Versuchsreaktor die radioaktive Strahlung für das Experiment bereitstellte.

Einzigartiges INSET

Während der 2 Tage wurden ständig Daten aufgezeichnet. Die weitere Analyse der Brennstoffe wird noch im Frühling stattfinden. Dann wissen die Forscher, wie gut die Zirconiumcarbid-Schicht schafft, nuklearen Brennstoff unter den Betriebsbedingungen eines NTP-Triebwerks zu schützen.

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INSET wird schon jetzt als Erfolg gefeiert. Es sei das einzige Gerät dieser Art, das kostengünstige Experimente von Materialen, bei extremen Temperaturen, innerhalb und außerhalb eines Atomreaktors ermöglicht.

INSET sei ein Meilenstein für diese Art von Forschung, sagt Brandon Wilson. Er gehört zu den Forschern, die am Oak Ridge National Laboratory die Beschichtung für die Brennstoffe testen: „Es ist ein entscheidender Schritt, um die NTP-Technologie für die Zukunft der bemannten Raumfahrt voranzubringen.“