Термоядерные двигатели

Их же куча типов, термоядерных. Но вообще конечно интересно. Т.е. обсуждать в общем - бессмысленно.

А есть ли там материалы от, так сказать, отечественного производителя?

Есть здесь люди, серьёзно интересующимися идеей термоядерного ракетного двигателя, особенно профессионально причастные термояду? Если да - можно плодотворно если и не обсудить, то хотя бы обменяться материалами (в долгу не останусь:) - есть довольно полные материалы Альбукеркских конференций последних трёх лет, там было немало докладов по термоядерной тяге, но выложить их просто так проблематично из-за приличног объёма, и многое другое).

Термоядерных, конечно, немало, спору нет - с ходу не меньше десятка, по общим концепциям, а если в отдельные различия вникать, и поболе наберётся. В этом и заключается один из ключевых вопросов - какая из концепций наиболее оптимальна (причём смотреть можно по разным параметрам - например, по тяговым характеристикам или возможности наискорейшей реализации. Последнее, на мой взгляд, актуальнее). К тому же часть из существующих проектов - ахинея полная, и стоило бы отделить зёрна от плевел, домыслы не очень чистой воды от проектов, хоть чем-то подкреплённых.

Что до материалов отечественной додумки, то на Альбукеркских конфах последних лет их не было (вернее, были, но не по термояду). Но в принципе отечественный производитель существует, хотя громко и не звучит.

Есть рассекреченный отчет (сканированный) Лос-Аламосской лаборатории о DT термоядерных двигателях с лазерной инициацией - 2,5МБ текста, расчетов и графиков на http://ttsw.com/orion/LASL1970.pdf
Анализируются различные схемы – с тяговой плитой, с камерой сгорания, с магнитным бланкетом. Рассчитываются защита от нейтронов, Уи и проч.

А почему, собственно, термояд? Был любопытный проект на урановой плазме с магнитным удержанием всего этого. По физике масса интересного: оптика и термодинамика неидеальной плазмы - в связи с проблемой минимизации тепловых потоков на стенки, расчеты такого вот реактора с водород-литиевым (цезиевым) замедлителем, который одновременно стабилизирует гидродинамику (тангенциальный разрыв на границе реактор-замедлитель), свехпроводящие магниты для создания магнитного поля в условиях высоких температур, и т. д. и т. п. Не думаю, чтоб в термояде проблем было меньше.

Einar>А почему, собственно, термояд? Был любопытный проект на урановой плазме с магнитным удержанием всего этого.

Интересно, что я видел этот "проект" в амовской книге года 50-го. До сих пор не сделали. Труба, бегает УВ туда-сюда, критичность достигается на концах, на трубе обмотка и прямое преобразование в электричество. Вроде и УВ была неустойчивая, и материал на концах не выдерживал флюенса нейтронов, ударно-волновой нагрузки и температуры...

Einar>А почему, собственно, термояд? Был любопытный проект на урановой плазме с магнитным удержанием всего этого.

С.И.>ИМХО, смысл термоядерных двигателей в их относительной экологической чистоте по сравнению с двигателями деления. Особенно это касается реакции He3+D. Корабли с такими двигателями, массой от сотен до сотен тысяч тонн могли бы стартовать с поверхности Земли (воды). Стоимость доставки груза на орбиту вокруг Сатурна в последнем случае составила бы порядка $100 за 1кг.

[ 12-12-2002: Message edited by: Serg Ivanov ]

Термояд, а не плазмофазный реактор деления интересен в первую очередь именно потому, что никакой движок на делении не даст удельного импульса больше 10 000 (оценки для газофазника - с "сердцевиной" как раз из плазмы гексафторида урана - порядка 7000 в лучшем случае, см. Павельева, Демянко и др. "Ядерные ракетные двигатели"). Да и массовые характеристики так себе... А для термоядерных удельные импульсы - от ста тысяч до миллиона, да и мощность возможна повыше. Так что простым ядерным с ними не тягаться. Просто овчинка выделки не стоит. А радиоактивность тут не так уж важна - и те, и другие движки предназначены в первую очередь для дальних, межпланетных полётов, а там проблема радиоактивного выхлопа не очень-то значима, вряд ли юпитерианцы выставят нам счёт за загрязнение их жизненного пространства. Сделать же ядерный или термоядерный движок, который был бы в состоянии стартовать с поверхности Земли - дело если и возможное, то только в не очень близком будущем. Конечно, проекты некоторые появляются (например, синтеза в установке с инерционно-электростатическим удержанием, получении электроэнергии прямым преобразованием и дальнейшим нагреванием рабочего тела релятивистским электронным пучком), но они все довольно авантюрного рода.

Fakir>Термояд, а не плазмофазный реактор деления интересен в первую очередь именно потому, что никакой движок на делении не даст удельного импульса больше 10 000 (оценки для газофазника - с "сердцевиной" как раз из плазмы гексафторида урана - порядка 7000 в лучшем случае, см. Павельева, Демянко и др. "Ядерные ракетные двигатели"). Да и массовые характеристики так себе... А для термоядерных удельные импульсы - от ста тысяч до миллиона, да и мощность возможна повыше.

Ну почему же? Для ядерных импульсных двигателей деления Уи теоретический тоже до 1000000сек. А тяга вообще... Почитайте про "Орион".

Хочу вкратце изложить последние свои результаты по оценке параметров импульсного ТЯ привода традиционного (типа "Дедал") и термоядерного антинейтринного.

Вкратце - в расчетах производилась ЛТС имплозия DT мишени массой 0,1г до плотности 1,5 г/см3, а внешнюю оболочку LiD до плотности 3 г/см3 . Ударная волна ТЯ горения DT "поджигает" в рассматриваемом варианте D Li-7 . При этом вещество в ударной волне горения имеет температуру не менее 400 кэВ (зч при DT имеют энергию 4.2 Мэв, 14 Мэв нейтроны, в основном, будут покидать зону реакции.) При 400-500 кэВ сечение реакции DLi-7 имеет максимум. Все сечения брались из базы EXFOR.
Cлучай антинейтринного двигателя отличается наличием поляризованной криогенной мишени LiD и "поджигом" от DT реакции D+Li-7 -> Li-8 + p -> 2He-4 + beta + ~v (tau полураспада =0,83 c) со средней энергией антинейтрино 6,5 МэВ. При полностью поляризованной LiD мишени (ядерная поляризация , в основном, сохраняется в реакции), антинейтрино (как и бета частицы, только в противоположном направлении) будут иметь угловую асимметрию до 0,33 из-за нарушения четности в слабых взаимодействиях. Рассматривались различные массы внешней DLi оболочки от 0.1 ло 1000 г. Максимальный идеальный УИ антинейтринного двигателя составляет 8795 с для анизотропии антинейтрино 0,33 и средней энергии антинейтрино 6.5 МэВ. "Полезный" импульс продуктов ТЯ для случая разгонной плиты оценивался через геометрию в 0.3 от полного импульса продуктов. Оценки показали, что максимально достижимое значение отношения импульса антинейтрино к "полезному" импульсу продуктов ТЯ составляет около 7.5%. Ниже представлены графики соответствующих результатов.








Здесь мои графики лучше видны.

Импульсные движки типа "Ориона" - штука более чем авантюрная по многим причинам, это было видно и при её разработке, потому и не пошла. Вполне возможно, что этот проект изначально был просто методом выбивания денег. Да и тяговый к.п.д. у подобных систем очень низкий - какой телесный угол перекроет тяговая плита? Явно небольшой, так что слоновья доля энергии отправится в пространство, не создав никакой тяги (магнитное удержание там вроде как не предусматривалось). К тому же энергосодержание термоядерного топлива (дейтерия, дейтериево-тритиевой или дейтериево-гелий-3-ей пары) на единицу массы на порядок-два больше, чем у делящегося топлива. Так что, уважаемый земляк, на "Орион" равняться вряд ли стоит.

Импульсные движки типа "Ориона" - штука более чем авантюрная по многим причинам, это было видно и при её разработке, потому и не пошла. Вполне возможно, что этот проект изначально был просто методом выбивания денег. Да и тяговый к.п.д. у подобных систем очень низкий - какой телесный угол перекроет тяговая плита? Явно небольшой, так что слоновья доля энергии отправится в пространство, не создав никакой тяги (магнитное удержание там вроде как не предусматривалось). К тому же энергосодержание термоядерного топлива (дейтерия, дейтериево-тритиевой или дейтериево-гелий-3-ей пары) на единицу массы на порядок-два больше, чем у делящегося топлива. Так что, уважаемый земляк, на "Орион" равняться вряд ли стоит.

P.S.Кстати, спасибо за ссылку на лос-аламосский отчёт, как вы его отыскали, если не секрет?

Fakir>Импульсные движки типа "Ориона" - штука более чем авантюрная по многим причинам, это было видно и при её разработке, потому и не пошла.

Так ведь: Если что-то делать, так только то, что считается невозможным...

Вполне возможно, что этот проект изначально был просто методом выбивания денег.

Вряд ли. Скорее это была попытка разработчиков ЯО так сказать очистить свою совесть.

Да и тяговый к.п.д. у подобных систем очень низкий - какой телесный угол перекроет тяговая плита? Явно небольшой, так что слоновья доля энергии отправится в пространство, не создав никакой тяги (магнитное удержание там вроде как не предусматривалось).

Об этом я писал в топике "Новые мысли на старую тему".
А системы с магнитным удержанием никогда не смогут стартовать с Земли. Чем выводить будете - химией?

К тому же энергосодержание термоядерного топлива (дейтерия, дейтериево-тритиевой или дейтериево-гелий-3-ей пары) на единицу массы на порядок-два больше, чем у делящегося топлива.

ИМХО всего раза в четыре. Значит Уи будет больше всего раза в два.

Fakir>P.S.Кстати, спасибо за ссылку на лос-аламосский отчёт, как вы его отыскали, если не секрет?

Был такой сайт http://www.ttsw.com/Orion/orion.html

>> Так ведь: Если что-то делать, так только то, что считается невозможным...

Так-то оно конечно так, но какой интерес заниматься системой, которая даже в идеале получается не слишком симпатичной?:) Шуму много, шерсти мало - тяжеленная дурында, которую непонятно как выводить, с дикими ударными нагрузками... Значит, потребна механическая система, с подвижными частями, и не факт, что она проживёт долго. В общем, бр-р, страшновато...

>> А системы с магнитным удержанием никогда не смогут стартовать с Земли. Чем выводить будете - химией?

Первые ТЯРД, надо полагать, как раз химией и будут выводиться. Почему бы и нет? А потом, глядишь, что-нибудь другое подоспеет. Меня как раз больше всего и интересуют системы, которые можно было бы упихнуть в габариты существующих носителей - только такого рода ТЯРД имеют шанс воплотиться в летающую железку в ближайшие десяток-другой лет (в средствах выведения прорыва вроде как не намечается). А потом, может, чем чёрт не шутит, и с Земли сами взлетать смогут (одно время ведь были надежды даже на газофазниках деления взлетать), проекты такие всё же есть, хоть и зыбкие. А импульсные системы типа "Ориона" самостоятельно явно ни при какой погоде от Земли не оторвутся.


>> ИМХО всего раза в четыре. Значит Уи будет больше всего раза в два.

В четыре раза - это если считать в чистом виде выделение энергии на нуклон. Но топливо деления прогорает медленно, а, значит, коэффициент его использования будет невелик, да и продукты реакции тяжёлые - тут и набежит не меньше порядка.

Адрону:

Интересно, но нельзя ли расчётик поподробнее? Вы уверены, что оболочка из LiD под воздействием ударной волны успеет существенно прогореть, до того, как будет разбросана?

И стоит ли добавка в 7,5% массы тех доп. агрегатов, которые будут потребны для поляризации?

И УИ как-то печально маловат....

Fakir>Адрону:

Fakir>Интересно, но нельзя ли расчётик поподробнее? Вы уверены, что оболочка из LiD под воздействием ударной волны успеет существенно прогореть, до того, как будет разбросана?

Скорость ударной волны ТЯ горения в данном случае будет определяться энергией ЗЧ 400-500 кэВ (грубо, если прореагируют 10% в-ва в УВ), скорость расширения оболочки - скоростью звука в плазме. Расчетик поподробнее - вам фортрановскую прогу выложить на 6 листах? Оценки на пальцах можно посмотреть здесь Error 404 - Страница не найдена с дополнениями. Это история моей идеи антинейтринного двигателя - от реакций Li-7 + n -> Li-8 в ЯР деления с криогенной АЗ и в ТЯ реакторах на ЛТС до реакции Li-7+d-> Li8+p в реакторах на ЛТС.

Fakir>И стоит ли добавка в 7,5% массы тех доп. агрегатов, которые будут потребны для поляризации?

Понятно, что все эти оценки и расчеты - игра ума ! Если самая эффективная реакция на DLi-7 дает 7.5% от возможного импульса ТЯ реактивного движка - никто не будет воротить криогенику ради этих 7.5%. Но когда я проводил последние расчеты для реальных параметров плазмы при имплозии, мне еще не было интуитивно понятно, что получится так мало, я ожидал %30-40 основываясь на УИ идеального движка . Глядя на график реального импульса и идеального движка Error 404 - Страница не найдена видно, что они отличаются на порядок-полтора ...

Fakir>И УИ как-то печально маловат....

Какой есть...

В заключение могу сказать - как антинейтринный двигатель эта идея в нынешнем виде все еще не проходит, а как мощный анизотропный источник антинейтрино , скажем, для дальней связи с подводными лодками - вполне.

[ 16-12-2002: Message edited by: Адрон ]

Fakir>>Интересно, но нельзя ли расчётик поподробнее?

Да, если хочется "на пальцах" прикинуть выходы реакций в плазме , можете воспользоваться соотношением N=1/2*n² * (sigma*v), где N- выход реакции (1/см³), n- концентрация в-ва в плазме, (sigma*v)- среднее значение произведения сечения реакции при данной температуре плазмы на скорость частиц в плазме. Сечения можно найти в базе EXFOR (наберите в Рамблере), скорость - по Больцману (в 1 приближении). Порядок величин сойдется.
Буду признателен за мат-лы конференций - киньте pls на nep96samonline.ru

S.I.>Ну почему же? Для ядерных импульсных двигателей деления Уи теоретический тоже до 1000000сек. А тяга вообще... Почитайте про "Орион".

Как не крути, а энергия деления, максимум 1МэВ/нуклон, то есть максимальная скорость осколков деления получается 10000-15000 км/с, но заряд не только из делящегося вещества состоит, да и КПД импульсных двигателей не особо высокий, особенно если плита испаряется, да и в самом взрыве, не всё делящееся вещество выгорает, особенно в не особо мощных зарядах, так что приведённая цифра это даже не теоретический предел, и её нужно сократить примерно на пару порядков.

Почему-то считается, что термоядерный двигатель должен обязательно иметь магнитную систему если не удержания плазмы, то хотя бы формирования плазменной струи. Эдакий рудимент "магнитной бутылки". Особенно забавно это выглядит на изначально импульсных системах типа "Дедал". Т.е. удержание плазмы в процессе реакции инерционное, а вот для формирования струи импульсов городится сверхпроводящая магнитная система, своего рода "камера сгорания с магнитным соплом". А поскольку магнитное поле не защитит стенки двигателя от излучения нужна система их охлаждения + радиаторы для сброса тепла со всеми вытекающими последствиями – ненадежностью, относительно низкой мощностью и тяговооруженностью и т.д. Такие аппараты никогда не смогут взлетать с Земли – а значит не решат главную задачу в освоении космоса.
По-моему сказавши А надо говорить Б. Если мы в процессе реакции удерживаем плазму ИНЕРЦИОННО, то и формировать реактивную струю следует ИНЕРЦИОННЫМИ методами. Тем более, что методы эти проверены сотнями термоядерных испытаний.
Да, слоновья часть энергии при этом уйдет в пространство. Ну а при магнитном удержании слоновья часть уйдет на перевозку магнитов и прочей системы охлаждения.
По данным Лос-Аламосовского отчета, системы с "внешним сгоранием" термоядерного топлива обеспечивают больший удельный импульс чем с внутренним примерно в три раза.
Описанный там корабль (они назвали его "Сириус" – звезда поменьше Ориона) при массе на околоземной орбите 100 тонн имел характеристическую скорость 20км/сек – достаточно для полета на Марс. УИ двигателя на D+T с лазерной инициацией 6927сек. Максимальное ускорение в конце работы двигателя – 2g. Длина корабля 60м, диаметр отражательной плиты 4,572м. Мощность импульса 0,044Кт. Количество импульсов 1275. Общая масса модулей импульса 25515кг. Масса отражательной плиты – 10970кг, системы амортизации также 10970кг. Масса полезного груза и остальной конструкции корабля 52542кг. Скорость отражательной плиты после импульса 300м/сек. Ход амортизаторов 14,4м. Период между импульсами 0,93сек. Подрыв модулей осуществляется на расстоянии 8,5м от отражательной плиты осевым лазерным лучом. Общее время работы двигателя 20мин на полет.
В принципе, ничто не мешает такому кораблю взлетать с Земли.
ИМХО ядерные реакции дают такую бездну дешевой энергии, что до характеристической скорости аппарата в сотни км/сек можно не заботится об энергетическом кпд. Важнее экономия массы и тяговооруженность.

S.I.>Подрыв модулей осуществляется на расстоянии 8,5м от отражательной плиты осевым лазерным лучом

???

S.I.>>Подрыв модулей осуществляется на расстоянии 8,5м от отражательной плиты осевым лазерным лучом

Адрон>???

По-видимому вокруг капсулы с D+T имеется отражатель (параболический?). А вообще за что купил за то продаю. Читайте первоисточник.

По-моему, в таком контексте само словосочетание "инерционное формирование струи" - нонсенс. Как раз ничего похожего на струю тут и не получается! Какие "методы, проверенные термоядерными испытаниями" вы имеете в виду - не понимаю, где, интересно, вы слышали прот термоядерные испытания, целью которых было получение направленной струи, и как их вообще можно осуществить при мощностях (точнее, энергиях) взрывов термоядерных зарядов? То есть тяговый к.п.д безмагнитных систем мал, мал, и еще раз мал.
Магнитная же система жизнь не слишком усложняет, весит не так уж много (если сверхпроводящая, то и кушать почти не просит), позволяет более рационально использовать продукты реакции и к тому же напрямую получать электроэнергию.

Непонятно, что вы имеете в виду под "магнитное поле не защитит стенки двигателя от излучения". Как же быть в инерциальных системах? Неужто отсутствие магнитного поля от излучения защитит?:) Излучение из термоядерной плазмы исходит двух видов: тормозное (жёсткий рентген) и циклотронное (его параметры зависят от величины магнитного поля в плазме, но диапазон не выше СВЧ, поэтому оно довольно легко отражается), плюс ещё нейтроны сыплются. От рентгена и нейтронов магнитное поле, конечно, не защитит (но при использовании пары D-He3 нейтронов будет очень мало, только от побочных D-D реакций), зато надёжно убережёт от заряженных частиц плазмы. А как повлияет на ваш экран неслабый поток ионов с энергиями от 10 кэВ до 3-4 МэВ? К тому же при попадании в экран они и рентгена дополнительного наделают. Значит, и экран должен быть неслабый, и систему охлаждения к нему, как ни крути, придётся приклеить. Так что в "Дедале" в этом смысле всё сделано правильно, хотя, конечно, электронные пучки присобачены ни к месту. Кстати, если эти рассуждения вас не убедят - см., напр., Мозеса и Дюдерштадта, "Инерциальный термоядерный синтез", 1984, о ТЯРД там написано полторы странички, но авторы-инерциальщики нимало не сомневаются, что система с магнитным полем обладает более высокими характеристиками.

Взлететь же с Земли такому кораблю будет мешать очень многое (даже если кому-то и удастся подрывать мишени единственным лазерным лучом), одного того, что для УТС необходим вакуум, по-моему, с лихвой хватит. Я еще могу в принципе представить себе ТЯРД, из рабочей камеры которого каким-то неимоверным насосом откачивается воздух, но как вы станете создавать вакуум на расстоянии 8,5 м от корабля?

>>ИМХО ядерные реакции дают такую бездну дешевой энергии, что до характеристической скорости аппарата в сотни км/сек можно не заботится об энергетическом кпд. Важнее экономия массы и тяговооруженность.

Если вы о термоядерных реакциях, то бездны дешёвой энергии они пока, увы, не дают. В УТС любого типа на сегодняшний день нужно немало энергии, чтобы зажечь реакцию. Поэтому ТЯРД на первых порах своего развития будут интересны, надо полагать, не мощностями, а именно удельными импульсами, и будут использоваться для дальних межпланетных перелётов, где удельный импульс важнее. Для выведения же с планет вообще и с Земли в частности, где важнее тяговооружённость, лучше искать что-то другое.

Начнем, как водится с конца.
Под УТС (Управляемым Термоядерным Синтезом) изначально понималась стационарная термоядерная реакция в "магнитной бутылке" или ТОКМАКЕ.
ИМХО такие системы еще (а может уже? ) слишком далеки от реализации, чтобы рассматриваться как источники энергии для ракетного двигателя.
А термоядерный синтез инициируемый лазером или кумулятивным зарядом – это УТС?
Не более УТС чем водородная бомба – тот же взрыв только помельче. Вакуум бомбе не нужен.
Плавно переходим к конструкции водородной бомбы:

Где Вы здесь видите равномерное рассеивание энергии первичного заряда в пространстве? Может, посчитаем телесный угол который перекрывает вторичный заряд?
Энергия способная уничтожить небольшой город идет на обжатие вторичного заряда, причем достигнута скорость сжатия стенок более 1000км/сек, давление в триллионы атмосфер. Разве принципы лучевого разгона/сжатия вещества не испытаны сотнями взрывов?
Тот же принцип положен в конструкцию "модуля импульса" для "Сириуса".
Рабочее тело (гидрид лития или бериллий) - в виде конуса направленного основанием на тяговую плиту, на вершине конуса капсула DT. Затем лучевой канал шириной в 1см прикрытый коническим же лучевым экраном.
Изучите первоисточник – хотя бы по картинкам.
Притом, что тяговая плита перекрывает всего лишь 1,7% поверхности сферы (с центром - капсулой DT) на нее направляется 50% разлетающейся массы модуля импульса. Чем не реактивная струя из инерционной камеры сгорания? И защищать от излучения стенки ее не надо – время существования мало.
Скорость этой струи в расчетах по Сириусу принята до 150км/сек из условий допустимой эрозии тяговой плиты. Причем это ограничение, как они пишут, не физическое, а по применимости методов расчета без экспериментальной проверки. Легко видеть, что УИ при таких условиях до 7500сек. Тяга зависит только от мощности, частоты импульсов и диаметра плиты.
Я здесь не касаюсь работы такого двигателя в атмосфере планет - это разговор особый. Двигатель становится фактически воздушно-реактивным, его эффективность должна возрасти.
Термоядерные двигатели же с магнитной камерой и соплом действительно в принципе не имеют никаких преимуществ по сравнению с газо-фазными двигателями деления. Те же ограничения по температуре стенок кладут предел мощности, а значит УИ и(или) тяге. Если не рассматривать научно-фантастический "Дедал" (тяга 5000т, как тут посчитали, при стартовой массе 54000 тонн), то при массе двигателя около 60т - тяга 17т, УИ=2000сек + неимоверные сложности осуществления и стоимость непосильная для одной страны. См. Журнал Новости Космонавтики - 404 Not Found Хотим увеличить УИ – получится нормальный ионник с МГД генератором, ну и очень большими радиаторами. Увеличим тягу – получим твердофазный реактор (холодный термояд здесь был бы очень кстати).
"Дедал" фантастический прежде всего по стартовой массе, да и диаметр двигателя первой ступени порядка 80м, а второй – 40м. Его УИ в 1`000`000сек конечно впечатляет, но зачем он в Солнечной системе? К стати сами авторы "Дедала" относили его именно к ядерно-импульсным системам (частота импульсов 250Гц). Да и камеры с соплом у него нет. Полусферическая тяговая плита с магнитным бланкетом.
По-моему наиболее реализуемы в ближайшем будущем термоядерные системы типа "Сириус". Упихнуть его в габариты например "Энергии" вполне можно.
При этом не важно как инициируется импульсный термояд – хотя ИМХО, лучше всего кумулятивным зарядом. Тут обещали 500кг ТНТ при массе девайса в 1кг. Если при 20кг выйдет 0,044Кт так совсем хорошо.
Вообще ядерное оружие 4 поколения все равно будет развиваться (деньги на ЯО при любой бедности найдутся) – а это как раз "то, что доктор прописал" для "Сириуса".

А что за проект "Сириус"?