Термоядерные двигатели

Господа, ну за каким вам сдалась эта большая тяга? Чтобы на Марс попадать за несколько дней? А это нужно? Солнечная система больше Земли, есть естественные ограничения скорости перемещения. Есть различные идиотские проекты по перевозке руды с Марса на Землю или с астероидов, так вот - никакая руда столько не стоит, чтоб с ней так носиться. Если будет заселение Солнечной системы, то основной объект перевозки наверно будут люди и информация, а остальное удобнее делать на месте (людей правда тоже ).

>>DIJ: Кстати, для ТЯ инициации лучше использовать электронные лучи, т.к. у них больший КПД, чем у лазера.

Насколько мне известно, электронные пучки непригодны для УТС - они обладают слишком высокой проникающей способностью и преждевременно прогревают центральную область мишени, не позволяя добиться сверхвысокого сжатия. Поэтому их уже давно не рассматривают в схемах УТС.

>>DIJ: Кстати, в Дедале для магнитов криогеника особо и не нужна,т.к. есть высокотемпературные сверхпроводники.

Охлаждение термоядерных ДУ не так уж сложно обеспечить - на борту может быть жидкий дейтерий и тритий или жидкий водород (для уменьшения у.и. и увеличения тяги - идея встречается у R.W.Bussard'а), которые могут быть использованы для охлаждения.
А у высокотемпературных сверхпроводников, кажется, есть ограничения по току (т.е. по величине магнитного поля), более сильные, чем у обычных:( Так что ближайший десяток лет без охлаждения вряд ли удастся обойтись. Но, к слову, в первых проектах ТЯРД использование сверхпроводников вообще не предусматривалась - магнитная система представляла собой спиральный трубопровод с жидким литием:)


>>Бродяга: Господа, ну за каким вам сдалась эта большая тяга? Чтобы на Марс попадать за несколько дней? А это нужно?

Нужна не столько большая тяга, сколько достаточная тяга:) Совсем не обязательно, чтобы вся система шла на 1g - пусть ускорение будет поменьше, но если оно может поддерживаться сутками и неделями, это уже будет немало. Избавиться от понятия "окна запуска" - само по себе было бы победой. Кроме того, высокий у.и. означает, что корабль в принципе может совершить несколько дальних вояжей практически без дозаправки - приобретается немалая автономность. Возможность длительно работать с тягой будет очень важна для исследования систем Сатурна и Юпитера, даст космическому аппарату необходимую гибкость - движение в таком хитросплетении грависфер слишком сложно, чтобы его можно было просчитать заранее, еще на Земле.

Fakir> Охлаждение термоядерных ДУ не так уж сложно обеспечить - на борту может быть жидкий дейтерий и тритий или жидкий водород (для уменьшения у.и. и увеличения тяги - идея встречается у R.W.Bussard'а), которые могут быть использованы для охлаждения.

Вот это и есть главное заблужение. Эта идея хороша для химических ЖРД. Соотношение между "калорийностью" ядерного горючего и его теплоемкостью при таком способе охлаждении не позволят в принципе поднять УИ выше 2000сек. Слишком сильно прийдется разбавлять ядерное горючее. Как говорится "шкурка выделки не стоит".

[ 07-01-2003: Message edited by: Serg Ivanov ]

Если переходить к двигателям ограниченной мощности (т.е. ограничивать либо тягу, либо УИ) то на кой ляд Вам вообще нужен термояд? Газофазный реактор, а еще лучше твердофазный - тоже сойдет.
Конкуренцию газофазным ЯРД открытой схемы составляют электроракетные двигатели (ЭРД) с ядерными источниками энергии, для которых была выполнена концептуальная проработка ЯЭДУ замкнутой схемы массой 125 т и электрической мощностью 150 МВт с 19-твэльным струйным реактором без магнитной стабилизации, фарадеевским коаксиально-вихревым МГД-генератором со сверхпроводящей системой возбуждения и холодильной машиной с излучателем, с контуром циркуляции с сепарацией ядерного горючего от рабочего тела (гелий с добавкой NaK). Установка имела весьма хороший показатель удельной массы (0.83 кг/кВт); при этом масса реактора составила 35% от массы установки, МГД-генератора – 17%, систем теплосброса – 35%.
Плазменные ЭРД, запитываемые от подобной энергоустановки, при удельном импульсе 5000 с могли развивать тягу примерно 450 кг-с. Марсианский экспедиционный комплекс (МЭК) с такой двигательной установкой имел бы тяговооруженность порядка 10-3, что во много раз превосходит значение этого параметра для ЯЭДУ, использующих твердофазные твэлы.
Для маневрирования в гравитационных полях больших планет (да и Земли, включая выход на орбиту) как раз и нужны двигатели большой тяги – чем короче время работы, тем меньше гравитационные потери, а некоторые маневры при недостаточной тяге просто невозможны – не хватит времени на маневр (аппарат просто пролетит нужную точку). Сборка кораблей на орбите с выводом грузов химическими ракетами делает межпланетные миссии человека финансово неподъемными ни для одной страны, ни для международных коммерческих организаций.
Тут есть и еще один момент: "Рассказывает руководитель проекта по созданию КВС-электростанции, доктор физико-математических наук Геннадий Алексеевич Иванов.
- В бомбах выполнения условия термоядерного горения достигли за пятилетку. Это породило, по-моему, иллюзию, что миллиграмм дейтерия можно зажечь так же, как килограмм. "Фотографируя" горящий термояд, мы поняли, что это не так. На одной из конференций в 2001 году мы рассказали о своих безуспешных попытках зажечь малые количества смеси дейтерия и трития (эту смесь зажечь намного легче, чем чистый дейтерий), используя энергию ядерного взрыва. Может быть, когда-то кто-нибудь и научится это делать, но все равно экономичность "микро-КВС", скорее всего, фантастика. Так что практический прогресс в этой области пока отсутствует, во всяком случае он слишком медленный…"
Вполне возможно, что для реакции синтеза так же, как и для реакции деления существует минимальная так сказать "критическая масса" определяемая различными не устойчивостями. И "малый термояд" не будет осуществлен НИКОГДА.

To Serg Ivanov:

Вы выдвинули проблему охлаждения стенок камеры сгорания Дедала. Но всё не так уж и плохо, и даже радиаторы не нужны. Давайте попробуем кое-что прикинуть. Допустим имеем корабль Дедал массой 100тонн и с тягой тоже 100тонн (ессно не британский проект, а для полётов внутри солнечной системы).
N=F*w=10⁶*10⁷=10¹³ Вт.
Не вся энергия микровзрыва пойдёт к стенкам камеры благодаря магнитной защите. Тогда к стенкам в виде излучения устремится примерно 10¹² Вт. Допустим совокупный коэффициент отражения полированного материала стенки камеры по спектру примерно 90%. Тогда избавляться придётся лишь от 10¹¹ Вт. Как? Переизлучением горячих стенок камеры. Ф=q*T⁴ - поток излучения со стенок камеры, нагретой до температуры T. Тогда мощность, излучаемая полусферической камерой при нагреве N=q*T⁴*4*Pi*R², где R-радиус камеры. q=~10^-8

Отсюда выводы: Если ради высокого коэффициента отражения использовать золото c Tпл=~1000 градусов Цельсия (материал стенок либо напыление), то радиус камеры должен быть где-то около километра, что вполне терпимо.

Если использовать тугоплавкий материал с высоким коэффициентом отражения типа молибдена с Tпл более 3000 град., то можно обойтись радиусом камеры около 100 метров. Это уже совсем немного. Честно говоря о свойствах молибдена по оптической части мне мало известно, но есть надежда...

Таким образом можно либо повышать коэффициент отражения и/или тугоплавкость материала при снижении размеров камеры, либо использовать менее подходящий материал с увеличением размеров камеры.
Так что всё не так плохо, как вы расписали. И радиаторы не нужны.

То есть надо стремиться искать для Дедала материалы с высокой тугоплавкостью и высоким коэффициентом отражения. Никто тут ничего перспективного в этом плане не имеет на примете?

А при более низкой тяге в 100 тонн можно обойтись частотой подрывов всего 5-10 Гц, тут решается и проблема с созданием эффективных выбрасывателей микромишеней, т.к. разгонять их надо только примерно до скорости километр в секунду, а то и меньше.

Так что всё вполне осуществимо для использования в солнечной системе. Единственная проблема - драйверы для инициации взрывов. Ну тут я думаю ещё всё впереди. Чё-то мне пришла бредовая идея в голову, правда особо я её пока не обдумывал. А что если использовать для накачки лазеров например гамма-излучение от предыдущего взрыва? Только не бейте сразу. Я ещё ничего не прикидывал по этой части.

Serg_Ivanov>Вполне возможно, что для реакции синтеза так же, как и для реакции деления существует минимальная так сказать "критическая масса" определяемая различными не устойчивостями. И "малый термояд" не будет осуществлен НИКОГДА.

Зря вы так думаете. Главное создать мощный драйвер, который бы не позволял успевать неустойчивостям развиваться примерно как в водородной бомбе. Кстати здесь радует положительный исход каких-то экспериментов амов с ядерными драйверами, якобы был большой энерговыход в мишени. Они типа подрывали атомную бомбочку где-то под землёй, а затем излучение от взрыва по волноводам направляли на мишень... Что-то Адрон по этому поводу когда-то говорил. Так что я верю в светлое термоядерное будущее человечества в солнечной системе!!

Бродяга> Господа, ну за каким вам сдалась эта большая тяга? Чтобы на Марс попадать за несколько дней? А это нужно?

Ладно, повторюсь о перспективах использования Дедала. Двигатель с высоким У.и. и тягой позволяет:
-двигаться с огромными скоростями по солнечной системе, при этом обеспечивается ускорение 1g во время всего полёта, т.е. сила тяжести.
-меньшая зависимость от сил гравитации, движение идёт почти по прямым в солн. системе при перелётах.
-Не надо укладываться в окна, как уже отмечалось.
-быстрый перелёт позволяет меньше времени находиться в космосе, спасая здоровье

Господа, может я в чём не прав, но вот я посчитал, что если использовать в качестве рабочего тела поток нейтронов от реактора то при мощности 1000 ГВт тяга будет 200 тонн (имелась в виду мощность потока нейтронов создающего тягу при скорости нейтронов 1000 км/с), может без плазмы можно, раз есть возможность контролировать такие мощности? Кстати молибден плохо отражает свет, чернеет он, вольфрам получше но тоже окисляется, с другой стороны, если стенки излучают как нагретое тело, то они и должны быть чёрными, как например теплозащита на Буране.

Татарин>А действительно такая большая проблема с наработкой тяжелых сверхуранов, навроде калифорния-252?

"Мусора" от процесса экстракции калифорния (даже без его изотопической чистки) на 1 кг продукта где-то на порядок-два больше, чем на кг оружейного плутония.

Бродяга>Господа, может я в чём не прав,

Ой, во многом.

Бродяга> но вот я посчитал, что если использовать в качестве рабочего тела поток нейтронов от реактора

Хде цифры: поток в зоне и поток утечки. Обычно это разница порядок-четыре.

Бродяга> то при мощности 1000 ГВт

Мееечтатель. ВВЭР-1000 - это 3 ГВт тепловой мощности. Вы с Королёва? Смотайтесь на досуге на Калининскую АЭС (Вам близко) - визуально оцените размеры.

Бродяга> тяга будет 200 тонн (имелась в виду мощность потока нейтронов создающего тягу при скорости нейтронов 1000 км/с)

А какую анизотропию нейтронов утечки Вы заложили? А то равномерно "светить" всюду - никакой тяги не будет.

Бродяга>Кстати молибден плохо отражает свет, чернеет он

Ну это на воздухе. Молибденовый твэл в натрии вполне ничего себе зеркало - пока натечек кислорода нет.

Ктож это имел в виду реактор обычного типа, это должна быть некая такая импульсная штука вроде ИБРа, только мощнее соответственно, про размеры я ничего не говорю, выше вроде рассматривалась сфера нагретая до 3000 градусов в 100 метров радиусом.
Насчёт "светить во все стороны" не знаю, может есть способ направить поток нейтронов в одну сторону? Я рассматривал вышеуказанную мощность в 10000 ГВт, считая, что 10% создают тягу.
А молибден окислится, теми же продуктами термоядерной рекации улетевшими, хоть водородом тем же. Только дело-то в другом, она и должна быть чёрная эта сфера, чтоб больше излучать.


[ 09-01-2003: Message edited by: Бродяга ]

Я просто рассматривал мощность указанную в проекте выше там вроде тринадцатая степень стоит. Если уж о таких мощностях речь идёт, то почему не попробовать ядерный реактор сделать такой мощности (бомба-то наверно мощнее ).

Татарин>А действительно такая большая проблема с наработкой тяжелых сверхуранов, навроде калифорния-252?

Татарин>Так и видится ма-а-ааленькая такая микробомбочка подрывающая ТЯ заряд... и вполне посильно даже нынешней технологии... нет?
Калифорний приобрел репутацию иметь замечательно маленькую критическую массу, обычно утверждают, что " в диапазоне грамма ". В то время как эта репутация маленькой критической массы частично оправдана, это также сильно преувеличено. Расчетные критические массы голой сферы для изотопов калифорния по данным fas:
· Cf-249 5.90 килограммов
· Cf-251 1.94 килограмм
· Cf-252 2.73 килограмма
Используя толстый бериллиевый отражатель критические массы можно уменьшить до 40 % их голого значения так, чтобы наиболее расщепляющийся из этих изотопов, Cf-251, имел бы критическую массу в отражателе 780 граммов. Это - возможно " в диапазоне грамма " так как это - меньше чем один килограмм, но это - очевидно много, намного ближе к одному килограмму чем к одному грамму. Имплозивное сжатие может уменьшить это дальше. Так же, как мощные и тяжелые системы имплозии могут производить сверхмалые ядерные взрывы от 1 кг Pu-239 (мощность до 100 тонн тротилового эквивалента (ТНТ), с массой системы имплозии порядка 1000 кг), относительно большая система имплозии могла производить сверхмалый взрыв от 200 граммов Cf-251. Мощность была бы пропорционально меньше, около 20 тонн ТНТ, и при полной массе порядка 200 кг, США проверили устройства с 20-тонной мощностью ТНТ, использующее значительно более дешевый плутоний (хотя гораздо большее количество) которое весило только 13 кг.
Опыты с маленькими ядерными устройствами указывают, что невозможно сделать ядерное устройство с полной массой меньше чем голая критическая масса сферы расщепляющегося материала. Бериллиевый отражатель и бризантные взрывчатые вещества могут уменьшить расщепляющуюся массу, но за счет добавления большего количества веса чем сэкономлен. Таким образом ядерное устройство массой меньше чем 2 килограмма, при использование изотопа калифорния Cf-251 конечно невозможно. Если бы Cf-251 мог бы быть изготовлен за цену продажи Cf-252 в 1998г, то критическая масса стоила бы 11 миллиардов $.
Но дело не только в цене, похоже так, что малые количества термоядерного горючего вообще невозможно зажечь. Малые термоядерные заряды (нейтронные бомбы) имеют мощность, насколько мне известно, порядка 1Кт, Хотя по тактическим соображениям меньшие мощности не помешали бы.

Бродяга> А молибден окислится, теми же продуктами термоядерной рекации улетевшими, хоть водородом тем же.

Я не спец в ЯР, но по-моему, там в продуктах просто нечему окислять. Водород - он ведь восстановитель и часто применяется при создании защитной атмосферы. Окислители - это кислород, фтор и т.п.

Гидриды есть такие соединения, восстановитель для одного, окислитель для другого.

Татарин> ИМХО, менее мощные бомбы просто бессмысленны с военной точки зрения.
И тем не менее чисто ядерные заряды на 10-100 тонн ТНТ разрабатывались "для диверсантов".

Татарин> А в чем проблема зажечь малое количество горючего?

Выделение энергии пропорционально объему зоны реакции, а время падения плотности за счет теплового разлета пропорционально геометрическим размерам (при равной начальной плотности и температуре). Чем меньше размеры - тем хуже дела. Есть еще такой фактор, как длина свободного пробега продуктов реакции в плазме (прежде всего нейтронов для D+T). Если размер зоны реакции слишком мал - она не сможет саморазогреться.

Бродяга>Гидриды есть такие соединения, восстановитель для одного, окислитель для другого.

Немного нее понял. Какие конкретно гидриды Вы имеете в виду?

Татарин> В любом случае это - гигаджоули в микросекунды... а маленький ТЯ-заряд легче вскипятить, чем большой.

А вот когда кажется, стоит посчитать. Гигаджоули - это хорошо, микросекунды - еще лучше, но ведь и температуры - единицы и десятки кЭв ! Посчитайте скорости разлета ! Тем более надо топливо не "вскипятить", а поджечь, чтобы дальше оно саморазогрелось и успело выгореть до распыления себя в пространстве.
У любого способного к детонации вещества есть минимальный детонирующий радиус - это не я придумал, а Харитон

Гидриды - соединения вроде LiH - металл-водород, да и не только это, там же будут продукты деления, вроде используется ядерный способ поджига термоядерной реакции.

To DIJ:
Извините что своими занудными расчетами приземляю полет Вашей фантазии.
N=F*w=106*107=1013 Вт. При 10Гц средняя мощность импульса будет 1012Вт или 0,243Кт. Хороший микровзрыв…Нормальный взрыволет получается. Время импульса при камере с R=100м, не более 2*100/10`000`000=2*10^-5сек. Мгновенная мощность получается 5*10¹⁶Вт. Мгновенная сила тяги соответственно 500`000 тонн. Однако амортизаторы понадобятся. Но до амортизаторов энергию импульса надо поглотить – т.е. разогнать какую-то массу за те же 2*10<sup>-5</sup>сек. Какова эта масса будет зависеть от предельно допустимого ускорения для этой же массы (очевидно это камера и магнитная система двигателя). Примем предельное ускорение для двигателя в 10`000g =100`000м/сек² как для арт. снаряда. Тогда из формулы F=ma, получается m=50 тонн – половина корабля, нормально, меньше нельзя – магниты развалятся. Только вот загвоздка – молибденовая полусфера при R=100м и толщине стенки всего 1мм потянет более 600 тонн. А собственно зачем она нужна? Зачем поглощать излучение, что бы потом его испускать нагретой до 3000С градусов стенкой? Тем более, что ИМХО термоядерная плазма светит в основном рентгеном и гаммой – зеркал таких нет. Да еще и короткими мощными импульсами - тут не столько температура плавления важна, сколько теплопроводность. А то прогреется тонкий слой и испарится - понизит нам УИ за счет расхода массы. Долой стенку камеры!
Никакого смысла при радиационном охлаждении в ней нет. Пускай плазма сразу светит в космос.
Одно магнитное поле и катушки минимально затеняющие взрыв. Катушки придется активно охлаждать или сделать им абляционный экран. Ну, само собой нужен экран со стороны корабля – за него и спрятать катушки. Волей-неволей приходишь к идее ВНЕШНЕГО взрыва. Как на схеме №2 из http://ttsw.com/orion/LASL1970.pdf