Прямоточный термоядерный

В одном из топиков ктото сказал, что ПТЯРД невозможно сделать.
Правда штоль?

Жалко. Это единственный двигатель, имеющий неограниченную дальность...

Да, практически невозможно. Термоядерный прямоточник по Бассарду - просто невозможно, водород-водородные реакции предельно тяжелы для осуществления. И т.д.

Не невозможно, а труднореализуемо - что-то вроде двигателя размером с Луну. Но принципиально - почему нет? Или есть сомнения что водородную плазму можно сжать до плотности равной плотности внутри Солнца?

Невозможно в том смысле, что любой способ удержания, кроме гравитационного, будет потреблять энергии больше, чем даёт протон-протонная реакция (из-за слабого взаимодействия она протекает примерно в 10 в десятой степени раз медленнее, чем дейтериевые и тритиевые реакции)

А при гравитационном ускорение будет сами понимаете каким.

hcube, 09.05.2004 21:50:41:

Не невозможно, а труднореализуемо - что-то вроде двигателя размером с Луну.

 

Давайте перейдем к цифрам. При плотности 10 атомов водорода на см3
и скорости корабля 0.5c каждый см2 собирает 1.5e11 атомов. А сколько нужно
их собрать, чтобы корабль летел? Это зависит от того, какая нужна мощность
реактора. Такс... нам надо питать: реактор (нагревание водорода до зажигания
и магнитное поле для удержания плазмы), двигатель, ловушку водорода спереди.

Пожалуй тут мне не хватает знаниев, чтобы прикинуть конструктив и
оценить затраты энергии.

Как будет выглядеть реактор? Мне думается, что-то вроде длинного прямого туннеля
с фокусирующими магнитами. Водород горит, стенки греются (или более хитроюмно получаем электричество?), а потом в хвосте реактор переходит в ионный двигатель...

Как захватывать водород? Делать это надо с площади куда как больше чем сечение корабля, значит, надо ионизировать водород спереди и стягивать магнитной воронкой.
Как ионизировать? Быстрые ионы? Электроны? Лазер?

В общем темный я

Проблема в том, что плазма остывает (за счет излучения, неизлучательного переноса... т.д.) чрезвычайно быстро. Для того чтобы она не успевала остывать, ее надо греть. Если за счет реакции вещества можно получить мощность больше, чем нужно для нагрева, то имеем реактор с положительным выходом энергии, если меньше - то реактор с положительным выходом невозможен.

В случае с водородом сечения реакции слишком малы, чтобы какая-либо извстная нам система удержания имела смысл.

Fakir, 09.05.2004 21:47:03 :

Да, практически невозможно. Термоядерный прямоточник по Бассарду - просто невозможно, водород-водородные реакции предельно тяжелы для осуществления. И т.д.

 

Это действительно ТАК. Но (в т.ч. судя по Вашему девизу ) есть и более перспективные системы.
Например смешанные реакции с использованием антиматерии. При этом растет и тяга(которая мала у фотонников) и , одновременно, падает (на порядки) расход АМ, которая весьма и весьма дорога и останется таковой в перспективе.
Хотя надо отметить, что все это - межпланетные системы. Реактивный привод не годиться для трансзвездных полетов.

Ник

Татарин, 09.05.2004 22:31:47 :

В случае с водородом сечения реакции слишком малы, чтобы какая-либо извстная нам система удержания имела смысл.

 

Страничка дает кое какую информацию, но самое главное предлагает
посчитать самому Вот то что там уже посчитано:

реакция характерное время при 100г/см3, 13 млн К
p+p=D+e+v 13*10⁹ лет
D+p=3He+y 6 сек
3He+3He=4He+2p 10⁶ лет
3He+4He=7Be+y
7Be+e=7Li+v
7Li+p=4He+4He

Позже (уже спать пора сегодня) я попытаюсь посчитать, насколько надо повысить температуру/давление, чтобы это заняло не годы, а доли секунды - корабль то наш ну максимум несколько километров, а водород "пролетает" на скоростях соизмеримых с с.

Я еще был тут:


Выходит что мы уже сейчас умеем держать плазму около 100 млн К?

В водородной бомбе дейтерий горит за ~30 наносекунд после зажигания...
Эх... там-то все хорошо с удержанием и плотностями
Могу ли я тут считать что после зажигания все прореагирует достаточно
быстро?

Удержание плазмы (или, допустим, воды в стакане) само по себе не требует энергии, так как не совершает работы. В чем же разница? Стакан сам собой существует, а магнитные поля для удержания надо создать, нужна энергия. К счастью в сверхпроводящей катушке ток и его магнитное поле, будучи созданным, на свое поддержание не требует затрат энергии. Здесь я не учитываю затраты на криогенику.

Когда катушка работает, фокусирует плазму, она потребляет энергию? Чему пропорциональны эти затраты?

Какие есть принципиальные проблемы усиления магнитного поля фокусирующих магнитов?

Robik, 09.05.2004 23:29:43 :

реакция характерное время при 100г/см3, 13 млн К
p+p=D+e+v 13*10⁹ лет

 

100г на см³ - ну ни фига себе плотность!
Обратите внимание, для остальных реакций, где работает только сильное (в смысле ядерное) взаимодействие, времена вообще не указаны. Ибо они будут исчисляться как бы не аттосекундами!

Позже (уже спать пора сегодня) я попытаюсь посчитать, насколько надо повысить температуру/давление, чтобы это заняло не годы, а доли секунды - корабль то наш ну максимум несколько километров, а водород "пролетает" на скоростях соизмеримых с с.

 

Каким образом посчитать? Зависимость там очень нетривиальная... Да и нет таких температур и давлений. При больших энергиях будут просто рождаться пары частица-античастица, энергия будет уходить в открывающиеся каналы, вероятности не вырастут .

Это работает слабое взаимодействие (не по интенсивности, а взаимодействие за счет слабых сил), поэтому такие маленькие вероятности.

Я еще был тут:

Error 404: File not found

// www.iter.org

 

Выходит что мы уже сейчас умеем держать плазму около 100 млн К?

 

Насколько я знаю, уже около 150МК.

В водородной бомбе дейтерий горит за ~30 наносекунд после зажигания...
Эх... там-то все хорошо с удержанием и плотностями
Могу ли я тут считать что после зажигания все прореагирует достаточно
быстро?

 

Нет. В этом и проблема, что если взять "нормальное" ядерное топливо, то действительно - вопрос его зажигания будет лишь вопрос технический, потому что сечения для легких ядер отличаются максимум на порядок-полтора.

В реакции протонов мешают трудности фундаментального характера.

Удержание плазмы (или, допустим, воды в стакане) само по себе не требует энергии, так как не совершает работы. В чем же разница? Стакан сам собой существует, а магнитные поля для удержания надо создать, нужна энергия. К счастью в сверхпроводящей катушке ток и его магнитное поле, будучи созданным, на свое поддержание не требует затрат энергии. Здесь я не учитываю затраты на криогенику.

 

Требует, увы. :\ Плазма излучает. А так как мощность излучения черного тела есть сигма*Т⁴, можно представить себе отток энергии в виде излучения. Температуры-то какие!
Зеркал в этом диапазоне волн тоже, увы, не бывает - это очень жесткий рентген... :\

Когда катушка работает, фокусирует плазму, она потребляет энергию? Чему пропорциональны эти затраты?

Какие есть принципиальные проблемы усиления магнитного поля фокусирующих магнитов?

 

Нет... Пропорциональны объему магнитной системы, на них можно забить, криогеника только.

Ограниченные критические ток/поле в сверхпроводниках, сейчас так, наверное...
Но это в применении к прямоточным ТЯРД все совершенно несущественно. Проблема в самом принципе. Горение легкого водорода (р+р) имеет слишком малую интенсивность, чтобы его как-то можно было использовать в любой из реализуемых систем.
Hcube предлагал Солнце. Похоже, это сейчас единственный вариант, который только можно представить.

Вот например - нельзя ли по аналогии с ПВРД греть плазму путем торможения? То есть такая магнитная воронка, ионизируем перед ней водород отраженным излучением тормозимой в реакторе плазмы, или, например, некоей 'ударной волной' излучения от вынесенного вперед блока - этакий конусный резонатор лазера. Потом захватываем воронкой, тормозим до нужной температуры путем регулировки толщины 'горлышка', в фокусе 'горлышка' сжигаем, и продукты реакции выбрасываем сзади через симметричную входной воронку. Идеально было бы еще при этом собирать энергию рекомбинации . Сама по себе воронка не требует энергии на поддержание, примерно как воздухозаборник . Более того, нам нужно не чтобы у нас весь водород сгорел, а чтобы у нас прореагировало и дало импульс больше водорода, чем будет израсходовано импульса на нецелевые потери при цикле ионизация - сжатие - реакция - расширение - деионизация. Но, согласен, дело непростое

Еще вариант - лететь на реакции дейтерий-дейтерий, а космос 'тралить' на предмет атомов дейтерия, каковые ловить, деионизировать, сжижать и складывать в баки. Водород же 'пропускать' насквозь.

hcube, 10.05.2004 00:25:08 :

Вот например - нельзя ли по аналогии с ПВРД греть плазму путем торможения?

 

В тех вариантах, что я видел, так и предлагалось делать.

Еще интересно было бы рассмотреть какой-нибудь более сложный цикл реакций. Ну, например, реализуется же в звездах углеродный цикл.
Точно также можно подобрать какой-нибудь цикл с пусть большим цислом реакций, но с максимальной эффективностью, и у которого на входе будет только водород (конечные продукты даже не столь важны, на самом-то деле).

А можно ли создать эффективный двигатель, используя "припасенный" дейтерий и гелий-3 для энерговыделения, и разбавляя его для снижения УИ и увеличения тяги забортным водородом? Скажем, 1:10 или 1:30?

Андрей Суворов, 10.05.2004 09:24:21 :

А можно ли создать эффективный двигатель, используя "припасенный" дейтерий и гелий-3 для энерговыделения, и разбавляя его для снижения УИ и увеличения тяги забортным водородом? Скажем, 1:10 или 1:30?

 

А будет ли это выгодно?

Ведь мы потратим импульс корабля захватывая этот водород... Конечно, если мы сможем пропускать водород через себя, чуть подразгоняя его за счет бортовой энергии, тогда это имеет смысл.

Но это уже не прямоточник, конечно.

Да, я, собственно, это и имел в виду - тот же ГПВРД, но на существенно другом уровне.

hcube, 10.05.2004 00:25:08 :

... захватываем воронкой, тормозим до нужной температуры путем регулировки толщины 'горлышка', в фокусе 'горлышка' сжигаем, и продукты реакции выбрасываем сзади через симметричную входной воронку. Идеально было бы еще при этом собирать энергию рекомбинации . Сама по себе воронка не требует энергии на поддержание, примерно как воздухозаборник . Более того, нам нужно не чтобы у нас весь водород сгорел, а чтобы у нас прореагировало и дало импульс больше водорода, чем будет израсходовано импульса на нецелевые потери при цикле ионизация - сжатие - реакция - расширение - деионизация.
...
Еще вариант - лететь на реакции дейтерий-дейтерий, а космос 'тралить' на предмет атомов дейтерия, каковые ловить, деионизировать, сжижать и складывать в баки. Водород же 'пропускать' насквозь.

 

Примерно так же и я себе это представляю.
Разве что разгон плазмы, возможно, будет удобнее делать не "симметричной воронкой", а конструктивно иным двигателем (тут карты в руки конструкторам ионников)

О дейтерии - тралить его невыгодно ИМХО. Просто учитываем его в балансе реакций, и всё.

И еще. Есть одит "паразитный" источник энергии. Как ни крути, какоето количество
атомов водорода будет сталкиваться с лобовой поверхностью корабля, и сильно греть ее. Чем не вспомогательный источник энергии?

Robik, 10.05.2004 14:05:24 :

hcube, 10.05.2004 00:25:08 :

... захватываем воронкой, тормозим до нужной температуры путем регулировки толщины 'горлышка', в фокусе 'горлышка' сжигаем, и продукты реакции выбрасываем сзади через симметричную входной воронку. Идеально было бы еще при этом собирать энергию рекомбинации . Сама по себе воронка не требует энергии на поддержание, примерно как воздухозаборник . Более того, нам нужно не чтобы у нас весь водород сгорел, а чтобы у нас прореагировало и дало импульс больше водорода, чем будет израсходовано импульса на нецелевые потери при цикле ионизация - сжатие - реакция - расширение - деионизация.
...
Еще вариант - лететь на реакции дейтерий-дейтерий, а космос 'тралить' на предмет атомов дейтерия, каковые ловить, деионизировать, сжижать и складывать в баки. Водород же 'пропускать' насквозь.

 

Примерно так же и я себе это представляю.
Разве что разгон плазмы, возможно, будет удобнее делать не "симметричной воронкой", а конструктивно иным двигателем (тут карты в руки конструкторам ионников)

О дейтерии - тралить его невыгодно ИМХО. Просто учитываем его в балансе реакций, и всё.

И еще. Есть одит "паразитный" источник энергии. Как ни крути, какоето количество атомов водорода будет сталкиваться с лобовой поверхностью корабля, и сильно греть ее. Чем не вспомогательный источник энергии?

 

Предположим, имеется система (назовем ее просто - "магия"), способная обеспечить удержание 100г водорода в объеме 1см3 (давление как в центре не очень большой звезды, чем сжимать будем?).
Тогда энерговыделение этого объема: 6E25*4Е-18*1.8Е6 ~ 3E11эВ/с*1.6E-19 = 5Е-8Вт.

Пусть двигатели межзвездного корабля имеют мощность в 1МВт. Чтобы обеспечить эту мощность, нам нужен объём порядка 2Е15см3 или около кубического километра водородной плазмы при давлении порядка миллиарда атмосфер и температуре 13 мегакельвинов.
Оптимизма не вызывает.

Для простоты примем оптическую плотность плазмы за бесконечность и посчитаем радиационный теплоотвод от нашего реактора мощностью в 1МВт (излучение - только от поверхности).
5.67Е-8*3Е23*1.2Е10 ~ 2Е26Вт
На 20 порядков больше, чем дает реакция. Но мощность растет пропорционально кубу, а отток излучение - пропорционально квадрату, то есть, решение существует. Решая уравнение
эпсилон*сигма0*(T⁴) = P0*(4/3пи*R³)/(4пи*R²),
получаем R~4Е4м, то есть, начиная с диаметра в 80 километров и массы 2.7Е19кг = 27 триллионов тонн реактор становится способен разогревать себя сам, без вложений внешней энергии (это не удержание, удерживаем мы - см. выше - магией, это только способность поддерживать свою температуру). Оптимизма не вызывает.

Если мы желаем обеспечить прямоточный режим, мы должны либо иметь все это добро при старте, либо насобирать на лёту.
Ни то, ни то оптимизма не вызывает.

Причём, мне лично больше верится в то, что мы способны научиться конвертировать массу в энергию (а то и импульс!) напрямую, чем в то, что такие монструозные агрегаты будут когда-либо построены.
По крайней мере, "магию", способную удержать такое количество плазмы при таких параметрах мне верится меньше, чем в возможность создания искусственных "черных дыр" из того же межзвездного водорода, с последующей конвертацией энергии в импульс за счет "излишков" наьранной массы...

Повторюсь - нельзя ли собирать на лету именно дейтерий? Его меньше чем водорода, но он ведь есть! А реакция дейтерий-дейтерий куда реальнее чем реакция водород-водород. Отфильтровать можно например магнитной ловушкой - атомы дейтерия будут иметь меньшую кривизну траектории.

P.S. относительно размеров - я же говорил 'размером с Луну'

hcube, 11.05.2004 21:08:50 :

Повторюсь - нельзя ли собирать на лету именно дейтерий? Его меньше чем водорода, но он ведь есть! А реакция дейтерий-дейтерий куда реальнее чем реакция водород-водород. Отфильтровать можно например магнитной ловушкой - атомы дейтерия будут иметь меньшую кривизну траектории.

 

Можно. И наверное, нужно.

Но нужна инфа о том, сколько дейтерия в межзвездном газе...

Отношение объема газа NH3 к ND3 изменяется по наблюдениям облаков от 1600 до 3400

Наблюдения линий поглощения атомарного дейтерия в межзвездной среде, а также регистрация излучения молекул HD, DCN показывают, что содержание этого изотопа в Галактике составляет примерно в пределах от 0,001 до 0,00001% от массы водорода.

Ну, тогда - нет проблем.
В смысле - таких больших проблем.

Только нужен правильный реактор, который разгонял бы гелий до положенных ему 4МэВ, то есть выкидывал сами продукты реакции, а не равновесную плазму. Скорость корабля ограничена скоростью их истечения - мы же сначала должны затормозить (пусть и с получением и аккумуляцией энергии) межзвездный газ, и тем самым уменьшить свой импульс, а уж затем его же после реакции вытолкнуть и разогнаться...

Тогда энерговыделение этого объема: 6E25*4Е-18*1.8Е6 ~ 3E11эВ/с*1.6E-19 = 5Е-8Вт.

 

Можно поподробнее, что где и почему. Мне как ЖРДисту очень интересен любой космический двигатель, но в термоядерном синтезе я несилен. Не подскажете ли книгу/учебник по синтезу для "чайников." Тогда, имея в голове хоть что-то о синтезе, помогу чем смогу.

Но это совсем базовый...


Впрочем, реакции и основные принципы, которые используются, там описаны.

Не затормозить, а выделить дейтерий, СЖАТЬ, удержать сколько нужно и отпустить. IMHO это решается без полного торможения.

Позволю себе встрять в этот разговор будучи полным дилетантом в вопросах термоядерного синтеза. На сколько я понял проблема заключается в том что реакция P+P=D идет очень медленно и не способна обеспечить себя энергией необходимой для самоподдержания. куда быстрее идет реакция P+D=He . Поскольку D - есть продукт первой реакции то и вторая реакция тоже будет идти и нагревать плазму. Наверняка и He может гореть, может быть даже с водородом.

hcube, 12.05.2004 15:13:33 :

Не затормозить, а выделить дейтерий, СЖАТЬ, удержать сколько нужно и отпустить. IMHO это решается без полного торможения.

 

А как?