Прямоточный термоядерный

Full-scale, 12.05.2004 15:30:17 :

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.

 

Это даст всего в два раза больше энергии, чем сжигание только водорода. Реакция P+D идти практически не будет, почти весь дейтерий бует сгорать в реакции D+D, которая на многие порядки быстрее... Но, в общем, без разницы, как именно водород превратится в гелий-4, по какой именно цепочке, дефект массы будет все тот же. Да и продолжение этой цепочки до глия ничего не меняет, с моей-то точностью вычислений (я оценивал лишь порядок). Система примерно тех же размеров... миллион кубометров сюда, миллион - туда...

Вот если использовать дейтерий как изначальное топливо, все получается совсем иначе.

...и посчитаем радиационный теплоотвод...
5.67Е-8*3Е23*1.2Е10 ~ 2Е26Вт

 

А нельзя ли часть излучения вернуть назад, скажем неким зеркалом/системой зеркал?

SEA, 12.05.2004 17:42:52 :

...и посчитаем радиационный теплоотвод...
5.67Е-8*3Е23*1.2Е10 ~ 2Е26Вт

 

А нельзя ли часть излучения вернуть назад, скажем неким зеркалом/системой зеркал?

 

Зеркала в рентгеновском диапазоне?.. Вряд ли...

Как? Просто. Ионизируем газ. Выделяем дейтерий магнитной ловушкой. Затем тормозим его в 'гогрлышке' настолько насколько нужно для разогрева. Собственно не столько тормозим, сколько жмем. Потом держим в длиннющем реакторном отсеке столько сколько нужно чтобы прореагировал нужный процент (скажем, 50% на крейсерской скорости). Затем выпускаем через магнитное сопло. Излучение от реактора направляем на выработку энергии и прочее, прочее... в том числе 'входную' ионизацию. Часть дейтерия складываем 'про запас' в топливные баки. Но основная задача - поднять температуру плазмы. Чтобы выходная магнитная воронка создавала больше тяги, чем входная. До кучи можно еще выходную воронку сделать поворачивающей поток - для режима торможения. Но это все лирика. Главное - длинный реактор. Как вариант, можно сделать тороидальный или спиральный реактор с вводом-выводом потоков, но циклотронное излучение... нестабильность плотности дейтерия в межзвездной плазме... не, лучше - прямой Проблема старта тогда тоже решается элементарно - просто закрываем переднюю ловушку, инжектируем в нее дейтерий из баков и его поджигаем например лазером. Пока пролетит сквозь всю 1000-км трубу, весь 'прогорит'.

Термоядерный реактор ничем принципиально не отличается от ДВС (с)

Это если реактор 'на подножном корму'. Если же использовать межзвездный газ как рабочее тело... ну, первой по эффективности идет антиматерия, ясно А вот на втором месте я бы поставил.... тритий. Если его хранить в полиэтиленовом баке из дейтериевого полиэтилена, да еще окруженным жидким дейтерием, то можно в определенной степени 'обмануть' нестабильность - то есть тритий распавшись излучает нейтрон, который тут же поглощается дейтерием. Который из внешнего бака мы постоянно перекачиваем во внутренний. А тяговая реакция - H3 + H = He4

hcube, 12.05.2004 17:55:53 :

Излучение от реактора направляем на выработку энергии
и прочее, прочее... в том числе 'входную' ионизацию.

 

Да ионизация-то - копейки, что там десяток эВ на фоне МэВов термояда...

Главное - длинный реактор.
...
Пока пролетит сквозь всю 1000-км трубу, весь 'прогорит'.

 

Однако на скорости 0.1с он эту - не такую и маленькую - трубу пролетает за тридцать миллисекунд...
Считать надо, может, там размеры для нас совсем неприемлимые...

Это если реактор 'на подножном корму'. Если же использовать межзвездный газ как рабочее тело... ну, первой по эффективности идет антиматерия, ясно А вот на втором месте я бы поставил.... тритий. Если его хранить в полиэтиленовом баке из дейтериевого полиэтилена, да еще окруженным жидким дейтерием, то можно в определенной степени 'обмануть' нестабильность - то есть тритий распавшись излучает нейтрон, который тут же поглощается дейтерием. Который из внешнего бака мы постоянно перекачиваем во внутренний.

 

Эт Вы что-то загнули...
Тритий в первую очередь - бета-активен. И полураспадается за 12.3 года в гелий-3. Гелий-3 сжигать - легко и приятно, чистый выхлоп, хороший кпд, никакой активации конструкций... но хранить тритий - чистый ад. Он активен, греется как печка (то есть, не захолодишь, не сжижишь), пронырлив - внедряется во все, во что можно внедриться, просачивается... для конструкционных материалов сочетание высокой температуры, водорода и постоянного облучения - самое то.
Как-то раз мне показали полиэтиленовый пакет, который по ошибке оставили с активным образцом в сейфе... Если бы мне не сказали, что это был полиэтилен, я б не догадался. Про какую-то форму, прочность и пр., я уж и не говорю.

Лучше всего - гелий-3. Дейтерий, впрочем, тоже сканает.

А тяговая реакция - H3 + H = He4

 

А как заставить? У Т+Т сечение больше, если всё в кучу свалить, то именно она и будет работать.

>FILAS
>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.

Например, Хеглер, Кристиансен "Введение в управляемый термоядерный синтез". Книжка не без прогонов, но в целом неплохая.
Л.А.Арцимович, "Управляемые термоядерные реакции". Книга, конечно уже старая, но основы там есть.
Лукьянов, "Горячая плазма и термоядерные реакции" (не уверен, что точно воспроизвёл название).
Больше с ходу ничего не вспоминается (по магнитному удержанию).

Только ТЯРД будет с привычными движками иметь крайне мало общего. Даже сопло - и то принципиально иное.

hcube, 12.05.2004 17:55:53 :

Как? Просто. Ионизируем газ. Выделяем дейтерий магнитной ловушкой. Затем тормозим его в 'гогрлышке' настолько насколько нужно для разогрева. Собственно не столько тормозим, сколько жмем. Потом держим в длиннющем реакторном отсеке столько сколько нужно чтобы прореагировал нужный процент (скажем, 50% на крейсерской скорости). Затем выпускаем через магнитное сопло. Излучение от реактора направляем на выработку энергии и прочее, прочее... в том числе 'входную' ионизацию. Часть дейтерия складываем 'про запас' в топливные баки. Но основная задача - ....

 

А может гораздо проще? Межзвездный газ - рабочее тело, а источник энергии - антиматерия. А?
Есть и более сложные варианты - например АМ-> U238(-> N)-> D+He3 (AIM -antimatter initiated microfusion, инициированный антиматерией микросинтез)
Подобный двигатель потребует, например для полета к Плутону 1мкг АМ, а до Проксимы Центавра -около 100. Годовая наработка АМ сегодня в Церне - около 10 нг.

Ник

Только ТЯРД будет с привычными движками иметь крайне мало общего. Даже сопло - и то принципиально иное.

 

Это понятно, но кое-какие знания все равно пригодятся.
Кстати, прямоточный ТЯРД имеет принципиальное ограничение по скорости. Его скорость НИКОГДА не превысит скорости истечения из двигателя. С возрастание скорости тяга P будет падать.
P=m(U-V), здесь m - расход рабочего тела. U - скорость истечения, V - скорость КА.
То есть, прямоточке нет необходимости работать весь полет. Разогнался и полетел по инерции. После того как КА несколько снизит скорость от сопротивления среды (при скоростях порядка 0,5с межзвездным газом нельзя пренебрегать), двигатель включается на некоторое время, чтобы компенсировать потери. Тормозить лучше "парашютированием". Раскрыть "массозаборник" и собирать межзвездный водород в баки. Окончательное торможение "обычным" ТЯРД (в смысле, непрямоточным). Ракетные двигатели не имеют ограничения по скорости. И ТЕОРЕТИЧЕСКИ на обычном ЖРД можно достичь 0,5с. Правда масса топлива превысит массу Галактики .

Ага. А скорость самолета с ВРД НИКОГДА не превысит скорость звука

Я уже говорил - необязательно тормозить рабочее тело чтобы инициировать в нем ТЯ реакцию. Можно это делать 'на лету'.

Ага. А скорость самолета с ВРД НИКОГДА не превысит скорость звука

 

Если струя на выходе из сопла дозвуковая, то не превысит. Если сверхзвуковая, то пожалуйста. Эта формула и взята из теории ВРД.

Я уже говорил - необязательно тормозить рабочее тело чтобы инициировать в нем ТЯ реакцию. Можно это делать 'на лету'.

 

Взгляните на формулу еще раз P=m(U-V). Не имеет значение каким образом получается U из первоначальной V. Тормозится поток или нет - значения не имеет. Имеет значение только U.
Не думаю, что газ в массозабонике сожмется и нагреется до температуры инициации (аналогия с ГПВРД), но и достигнутые параметры потока облегчат эту задачу. Кстати, пользуясь прочитанными статьями (спасибо за ссылки) могу сказать, что будет иметь место инерционный синтез (Или я ошибаюсь?).

Неправильная формула. К U надо прибавить скорость газа в самом реакторе.

При горении водорода в ГПВРД скорость потока может быть существенно больше скорости истечения продуктов реакции, тем не менее ГПВРД работает.

Если U меньше V - тяга будет отрицательной. А двигатель может работать. Чего ему сделается.
Строго говоря эта формула неправильна только в одном. Она не учитывает, что влетает масса М, а вылетает (М + Мтоплива). Если учесть массу топлива, то можно записать
P=М(U-V)+Мтоплива*U.
Но масса топлива на 1-3 порядка (зависит от типа ВРД и режима работы) меньше массы проходящего воздуха М, и ей можно пренебречь. Скорость газа в реакторе (камере сгорания), конечно, влияет на U (сравните ПВРД с дозвуковым горением и ГПВРД со сверхзвуковым), но, в конечном счете, тягу будет определять разница U-V.
Закон сохранения импульса никто не отменял. Смотрите, представим двигатель как черный ящик, и неважно, что в нем происходит. На переднюю сторону ящика действует сила M*V, а на заднюю (M+Мтоплива)*U. Все.
P=М(U-V)+Мтоплива*U.
Направление результирующей силы (при относительно малой Мтоплива) зависит от разницы U-V. Это основа теории ВРД и она без труда переходит и на прямоточный ТЯРД. И даже на ЖРД, просто в ЖРД нет "влетающей массы" М=0, и тяга определяется как P=Mтоплива *U и, естественно, не зависит от V.

Добрый день.
На мой взгляд, нет необходимости сжимать межзвездный газ до т/я условий.
Собираем газ до выполнения критерия сплошности, за горлом диффузора инициируем т/я "таблетку" импульсом лазера, получаем пульсирующий прямоточный двигатель, вполне пригодный для межпланетных полетов.
ing

Карашо а как вам идея межпланетного кальмара, причем рабочее тело ему нести не надо

В околосолнечном пространстве достаточно высокая концентрация ионизированного вещества.

плотности 10 атомов водорода на см3

 

Вместо того чтобы пассивно улавливать солнечный ветер, или "тралить" космос для пополнения энергии и рабочего тела сделаем по другому.

Развернем пепелац магнитной воронкой назад, включим ее на максимальный створ, а затем будем уменьшать конусность. Т.е. "активный парус" мы отталкиваемя от околосолнечного вещества. На минимальном створе, выключаем воронку и повторяем цикл.

Кто нить может посчитать вариант? Энергетика и проч?

интересно при достаточно большом радиусе воронки, можно получить "эффект солнечного зайчика" скорость "схлопывания" воронки геометрически выше скорости света ... вот это импульс!!! жалко только на краях напряженность поля мала будет.

... или ето я глупость сказал.. как ето выше скорости света.., ну не выше но все равно дофига.

То есть этакая каракатица? Набирает в воронку рабочее тело, в потом выбрасывает? Ну, как вариант для первоначального разгона - вполне. А так... IMHO будут несоразмерные энергозатраты на ионизацию, и, самое главное, не будет никакого энергетического выхода - все придется делать за счет внутренней энергоустановки. Весь цимус прямоточника в том, что он подпитывается от среды, в которой летит - ему не нужен особо мощный источник энергии и много топлива - только на разгон до включения прямоточника.

То есть этакая каракатица? Набирает в воронку рабочее тело, в потом выбрасывает? Ну, как вариант для первоначального разгона - вполне. А так... IMHO будут несоразмерные энергозатраты на ионизацию, и, самое главное, не будет никакого энергетического выхода - все придется делать за счет внутренней энергоустановки. Весь цимус прямоточника в том, что он подпитывается от среды, в которой летит - ему не нужен особо мощный источник энергии и много топлива - только на разгон до включения прямоточника.

 

ничего не набирает, ето скорее принцип вертолета или медузы, т.е. не столько за счет реактивной тяги сколько за счет реакции опоры.
(ебта это ж просто весла или космический винт

Во вторых отпадает необходимость городить реактивное двигло.
В третьих у прямоточника на поддержание воронки энергия тоже тратится. - КПД движка.

что он подпитывается от среды, в которой летит - ему не нужен особо мощный источник энергии и много топлива

 

- а вот в этом весь напряг прямоточника. Собирает он вещество, а потом целый завод для конвертации в энергию, которая потом тратится на реактивный принцип.

Андрей Суворов

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?

 

Нет особого смысла. Оборудование для сбора межпланетно-межзвёздного водорода будет тянуть столько, что наверняка лучше "за те же деньги" взять больше горючки или дилюэнта.


Wyvern-2

QUOTE (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.

 

Ну, при применении антиматерии на прямоточников расходу антиматерии упасть не с чего - доля античастиц в космическом пространстве ничтожна. Казалось бы, можно сэкономить на обычном веществе как второй компоненте горючки, но и тут, уверен, выгоды не будет - массозаборник чрезвычайно тяжёл, и проще взять водород на ту же массу, с учётом энерговыхода аннигиляции десятки (если не сотни или тысячи) тонн водорода - это просто море энергии.


Татарин

Насколько я знаю, уже около 150МК.

 

Да можно хоть миллиард кельвин, вопрос, при какой концентрации.

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 принципе можно выйти и на самоподдерживающееся горение, без доп. систем нагрева, но габариты сразу возрастут, и вообще жизнь сильно осложнится.

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... :\

 

Ну не совсем сигма*Т4 - плазма излучает совсем не как чёрное тело, светит она в основном в мягком рентгене (столкновительное излучение, рентген становится жёстким обычно при наличии тяжёлых примесей) и примерно в СВЧ (циклотронное излучение, частота зависит от поля). Миллиметровое излучение можно и отражать стенками, его часто даже не включают в излучательные потери. Можно СВЧ в принципе и довольно эффективно конвертить в электричество.

Татарин

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 какая разница, какой цикл?
При любом "звёздном" цикле суммарное время протекания реакции колоссально - не менее 10⁸ лет (при плотности 100 г на кубик, весьма и весьма приличная плотность). Даже если ограничиться частью цикла - не меньше 10⁶, начальные реакции - одни из самых медленных. Да, конечно, медленность реакции можно слегка компенсировать высокой плотностью. Только беда в том, что в прямоточнике мы сильно ограничены временем - энергия должна выделиться, пока "горючка" пролетает через двигатель, то что будет делаться в реактивной струе в тысяче-другой километров за соплом, нам уже не очень интересно. Значит, продольный линейный размер становится гигантским. Из соображений энергопотерь поперечник тоже получается нефиговым... И как, спрашивается, разгонять весь этот балласт? А, главное - стоит ли?

А дальше - основная проблема.
Мощность, выделяемая в результате ядерных реакций в "центросолнечных" условиях (т.е. с плотностью 100 г на кубик и температурой порядка 20 млн. К) составляет порядка 2*10-7 Вт/кубик. Не внушает, правда? Даже сами 100 г "топлива" при такой энергетике особо не разгонишь, не говоря о звездолёте. Да, конечно 20 млн. К - не бог весть что, можно в принципе предположить, что мы сможем оперировать сотнями миллиардов (давление при этом, правда будет ого-го, с учётом плотности, ну да ладно), но даже при таких температурах энерговыделение повысится не очень радикально.

А нельзя как-то катализировать реакцию? Скажем, применяя какое-то вновь нарабатываемое горючее, типа дейтерия?

Катализировать - на сегодняшний момент нечем, даже невозможно себе представить, чем. Гипотетическая возможность (может быть!) появится после углубления понимания физики микромира на порядок-другой. А вновь нарабатываемое горючее - что и из чего нарабатывать? Есть под рукой только обычный водород. Чтоб из него сделался дейтерий, нужна реакция, идущая по слабому взаимодействию, т.е. очень медленно. Во что и упираемся.

P.S. Это не считая того, что массозаборника нужных размеров не получится.

Fakir> А какая разница, какой цикл?
А есть.
Тот же пример с углеродным катализом - в разы быстрее, при тех же исходных/конечных продуктах, ведь так?
Нельзя ли найти такой цикл, который будет быстрее на порядки?

Например, выкинув из списка реакций синтеза "слабые" реакции. Ну, скажем: бериллий-7 неудобная штука? ОК, вывели его из горячей зоны, подождали, пока он не развалится (а это быстро) - и пользуем литий-7, что легче. Ну и т.п.

Fakir> При любом "звёздном" цикле суммарное время протекания реакции колоссально - не менее 10⁸ лет (при плотности 100 г на кубик, весьма и весьма приличная плотность).
Звезды ограничены в выборе реакций, условиях их протекания, веществах и тому подобной фигне.
Нам (в фантазии, конечно ) - чуть легче.

И не обязательно "труба". Допустим, мы не ограничены временем пролета частиц... Не прямоточник, а ВРД - Вакуумно-Реактивный Двигатель.

Fakir> А дальше - основная проблема.
А подобные прикидки я уже приводил выше.

Татарин

Тот же пример с углеродным катализом - в разы быстрее, при тех же исходных/конечных продуктах, ведь так?

 

Ну в разы. А надо на кучу порядков...

Нельзя ли найти такой цикл, который будет быстрее на порядки?

 

Думаю, что почти наверняка - нет... Куда ты денешься от того, что реакции по слабому взаимодействию идут ну очень медленно? На входе у нас есть одни протоны, на выхлопе - есть и нейтроны. И как они из протонов получатся, причем быстро?

Например, выкинув из списка реакций синтеза "слабые" реакции. Ну, скажем: бериллий-7 неудобная штука? ОК, вывели его из горячей зоны, подождали, пока он не развалится (а это быстро) - и пользуем литий-7, что легче.

 

Т.е. городим нечто офигительно непростое для поэлементного разделения горячей звездной плазмы, которая еще и шустро так пролетает через реактор? Ох нифига ж себе задачка... Ну пусть даже все шоколадно получилось - и выгода всего лишь в разы?
Нет, ИМХО, тут нужен следующий уровень. На имеющемся - не светит ничего.

Звезды ограничены в выборе реакций, условиях их протекания, веществах и тому подобной фигне.
Нам (в фантазии, конечно ) - чуть легче.

 

Нам тяжелее, потому что водород надо жечь на лету, нет у нас времени сидеть и ждать, пока все прогорит...

И не обязательно "труба". Допустим, мы не ограничены временем пролета частиц...

 

Т.е. отдельно источник энергии, отдельно - движитель? Дополнительные жесткие сложности...

Не прямоточник, а ВРД - Вакуумно-Реактивный Двигатель.

 

Это как?

А подобные прикидки я уже приводил выше.

 

Ага, точно. Ну и выходит безнадега полная.

Плюс еще массозаборник - как нагородить его такого колоссального размера? Магнитные воронки - не поминать!

Татарин

А чтобы из "4 протонов и трех нейтронов" получить "3 протона+4нейтрона" через распад первой комбинации, нам нужно что-то около 2 месяцев при любой плотности и температуре.

 

Так, не дошло... Может, с тяжелой головы? Что за реакция-то?

Бо бета-/EC-активный элемент сам от себя никуда не убежит.

 

А, распад бериллия, что ли? Ну так а где ты его возьмешь? В твоей начальной комбинации уже нейтроны есть, половина почти, а на входе-то практически сплошь протоны, нейтроны вообще редкость. Не говоря о слитых с протонами в ядра бериллия

Через реактор у нас ничего не "пролетает" (кроме, разве что, дейтерия).

 

Как не пролетает? Кстати, а откуда взялся дейтерий?!

Давай так. Пусть у нас в секунду поступает Х кг водорода. Он должен весь (ну, почти весь) прогореть, на что потребуется У секунд (вернее, минут, вернее, часов, вернее, месяцев...). В течение всех этих У секунд он должен жить внутри корабля. Х*У даст нам нижнюю границу массы корабля, самую что ни на есть оптимистичную. И большую. Очень. Мощность определится как Х на те самые смешные цифры (и это опять-таки, оптимистично). Так?И тяговооруженности-то выйдет пшик! Такой монстр не то что 0,1с , а третью космическую будет полвека набирать. Кому это надо?

На лету можем жечь дейтерий - это запросто

 

Сжечь-то нам без проблем... "Зъист-то он зъист, да хто ж ему даст?"

Почему?
В чем именно сложности?

 

Преобразования энергии туда-обратно => потери + масса... Не считая технических сложностей с преобразователями.

А какова температура межзвездного газа?

 

А в данном вопросе без разницы.