Термоядерный ракетный двигатель: как, зачем, почему и почем

Давно хотелось написать этакий справочный обзор по ТЯРД. Не столько ради исследования самой темы (она неплохо раскрыта в работе ув. Fakir-а) , а ради наличия топика в форуме, к которому можно отослать спорщиков и просто интересующихся Темы, подобные этой уже были, но несколько сумбурно и непоследовательно. (думается, что после моего вступления подтянуться тов. Fakir и Татарин - поправят и наставят )

Итак, основные тезисы:
0. Всё дальнейшее изложение делается исходя из предположения, что не будет никаких принципиальных прорывов в освоении ТЯР и вообще в энергетике. С сожалением надо отметить, что такое предположение наиболее реалистично

А. Только ТЯРД даст озможность действительно свободного передвижения и следовательно освоения Солнечной системы ТЯР - наимощнейший источник энергии, который практически может быть освоен человеком. Реакция аннигиляции имеет много свойств, делающих ее как источник энергии не практичной - на практике все обстоит не совсем так, как в фантастике

Б. Рассмариваются только схемы, в которых ТЯР является и источником энергии и движителем Схемы, в которых ТЯР - лишь источник энергии, а в качестве движителя используются системы других типов, например ЭРД, не рассматриваются ввиду явной практической нецелесообразности Не существует на сегодня реактивных двигателей с характеристиками (за исключением силы тяги) лучшими, чем собственно ТЯР

В. Из всех известных схем ТЯР - а именно: открытые ловушки, замкнутые(токомак/стелларатор) ловушки, галатеи и др.магнитные сис-мы, инерциально-импульсные системы - именно ОЛ являются наиболее перспективными, и возможно, единственно возможными, схемами ТЯРД. ОЛ, в принципе, сами по себе являются,помимо других преимуществ, как бы "естественными ТЯРД"

Г. Из всех известных на сегодня практически применимых видов термоядерных реакций наиболее перспективной в ТЯРД, если не единственно возможной, является реакция D²+He³ (при температуре ~100 кэВ, плотности плазмы 10Е-16 см³, nT=10²² м10E-3с, nTt=700-800) = He⁴ (3,67 МэВ) + p(14,68 МэВ)
Все остальные реакции малоприменимы - дейтрий-тритиевая из за трудности(вернее - почти невозможности) создания тяги нейтронным потоком, уносящим 80% энергии, не говоря уже о проблеме защиты оборудования самого реактора и целевой нагрузки от сверхмощного нейтронного потока. Остальные виды реакций - из за трудностей реализации.
_______________
Надо отметить, что проблема Не³ взаимоувязанна с проблемой ТЯРД. Существует весьма обоснованное мнение, что возможно ТЯРД будет создан даже раньше энергетического ТЯР и именно ТЯРД станет экспериментальной базой для отработки ЭТЯР - из за некоторых особенностей создания и работы ТЯРД. И именно ТЯРД окончательно решает проблему получения Не³ для земной энергетики
_______________


1. Как будет выглядеть ТЯРД в свете вышесказанного?
_______________
Не касаясь некоторых технических аспектов, например, способа запирания (амбиполярного, газодинамического, центробежного, многопробочного -или комбинированного - наиболее перспективным для ТЯРД является, видимо, ГДЛ конструкция) в первом приближении ТЯРД будет выглядеть вот так:

Это схема реально существующей ОЛ с амбиполярным запиранием ("Амбал-М")
На схеме мы видим плазмоид (красная хрень в центре), магнитную систему, состоящую из отдельных сверхпроводящих катушек, антенну ИЦР-нагрева(справа, внутри основного соленоида), пробочные катушки (более мощные) по концам установки, источник первичной плазмы-плазмотрон (слева) и концевые магнитные "пробки", т.н. "полукаспы" - выполняющие роль магнитного сопла (справа) или магнитного ионно-электронного сепаратора прямого электростатического преобразователя (слева).
Вся конструкция ТЯРД представляет собой легкую, например, углепластиковую, ферму , на которой последовательно закрепленны катушки магнитной системы. Кожуха ТЯРД не имеет, или он выполнен из тончайшей металлической сетки - для МГД-стабилизации плазмы методом "проводящей поверхности" и/или отражения/ректенного преобразования энергии СВЧ-излучения плазмоида.

2. Каковы массогабариты вероятного ТЯРД?
______________
В работе http://www.inp.nsk.su/activity/preprints/files/2005_008.pdf описывается возможный ТЯР, характеристики которого можно экстраполировать на реальный ТЯРД:
-общая длинна ТЯРД и следовательно трансформируемой ферменной конструкции, около 100 метров
-диаметр магнитных катушек 1,25м (при поле в 6Т, в концевых катушках меньшего диаметра - до 20Т )
-кол-во катушек основного соленоида (при растоянии между ними порядка 4 м) 24. Т.е. всего магнитных катушек - 28-30
-масса каждой сверхпроводящей катушки, по аналогии с специально облегченными магнитными системами для аэростатных исследований космического излучения (http://www1.jinr.ru/Pepan/2006-v37/v-37-3/pdf/v-37-3_07.pdf ), порядка 500-1000 кг, включая термостатирующий кожух, заполненный жидким дейтерием, легкий, углерод-углеродный, силовой бандаж и собственно сверхпроводник, намотанный квазибезсиловым способом. Катушки концевых магнитных зеркал имеют внутреннюю (биттнеровскую) обмотку из гиперпроводящего алюминия
-масса магнитной системы - ~30 тонн, полная масса ТЯРД - 50-70т
-объем плазмы ~80м³
-объемная мощность 40-50МВт/м³, погонная - 35МВт/м
-общая мощность установки (при Q=~15) - 3500МВт

3. Каковы ЛТХ вероятного ТЯРД?
_______________
Импульс удельный и тяга ТЯРД зависит от способа организации истечения плазмы. Причем, возможна комбинация этих способом даже на одном и том же двигателе. А именно:
Способ 0 Истечение только основной дейтерий-гелиевой плазмы с температурой порядка 1млрд. градусов. Продукты реакции - высокоэнергетичные протоны и альфа-частицы утилизируются на ПЭСПЭ. Импульс удельный при таком способе равен 300 000 сек или 3000км/сек, тяга порядка 0,5 Н/МВт мощности. Способ непрактичен и применяться видимо не будет.

Способ 1. Истечение только высокоэнергетичный продуктов реакции при утилизации основной плазмы. Тяга порядка десятков миллиньютонов на МВт при импульсе удельном более 4000000 сек (sik!)или 40 000 км/сек. Столь малая тяга при столь высоком импульсе удельном подходит для трансзвездных зондов. Пр разумном массовом совершенстве (отношение массы топлива к массе конструкции.например, 7:1/10:1) ХС такого аппарата будет почти 1/3 от С. Время разгона же измерятся месяцами и годами. В межпланетных полетах такой режим может применяться как вспомогательный,для сокращения времени миссии при минимальном расходе топлива.

Способ 2. Истечение смеси основной плазмы и части продуктов реакции. Наиболее перспективный способ. При тяге порядка 0,5Н/МВт импульс удельный будет составлять около 500000сек или 5000км/сек.
Наш вышеописанный гипотетический ТЯРД будет иметь тягу 170-180 килограммов, расходовать 10 миллиграммов топлива в секунду (5,985 миллиграммов Не³ в т.ч.), при запасе топлива в 5% от массы иметь ХС 250км/сек, что достаточно для быстрого выполнения любой миссии в области Солнечной системы, включая полеты к Плутону и трансплутоновым объектам.(Кстати, отсюда следует предположить, что топливных баков как таковых у ТЯРД не будет дейтерий и гелий будут храниться прямо в сверхпроводящих катушках магнитной системы) При массе всего корабля в 200-300тонн ускорение будет порядка 10мм/сек², что примерно равно или несколько больше, чем сейчас у аппаратов с ЭРД. 100 часовая сессия работы ТЯРД будет обеспечивать разгон на 3,6км/сек. Для использование всей ХС требуется общее время работы ТЯРД в 7000 часов или примерно 290 суток.

Способ 3. Впрыск в реактивную струю относительно холодной водородной плазмы. Снижая импульс удельный, повышает тягу. При снижении Иу в 100 раз, т.е. до 50км/сек,тяга увеличивается примерно в 10 раз, т.е. до 1,8-2 тонн. Ускорение возрастает до 0.1м/сек², разгон на 3км/сек займет около 8 часов.
Данный способ может применяться при маневрировании в области полей тяготения - например изменении околопланетной орбиты, ухода с околоземной орбиты через радиационные пояса и т.д.

Комментарии, поправки, редакция?

Ник

А почему остался в стороне z-pinch и вариации на тему ориона? Там в последнее время наблюдался большой прогресс.

Так, а какое же давление в этом плазменном шнуре?
И насчет трети энергии в СВЧ? Как её возвращаем обратно?
СВЧ какого диапазона? Хорошая микроволновка однако получается..
Бонба на гелии -3 против электроники - само-то. Если правда, конечно.
И вообще где Татарин?

Немного о реакции He³D
Сама по себе эта реакция "чистая" , безнейтронная. Но, так как плазма содержит большое кол-во дейтерия, возникают побочные реакции D-D, имеющие, к счастью, на порядки меньшее сечение, но дающие нейтроны:
D + D — 3He + *n* (2,45 МэВ) (обратите внимание - первая ветвь этой реакции нарабатывает Не³ )
D + D — T + p - где мгновенно T + D — 4He + *n* (14,07 МэВ)
Кол-во энергии выделяемое с нейтронами примерно 5% от общего, а уровень суммарной нейтронной радиации меньше, чем у D+T реакции в 30 раз (и уровень нейтронного поля примерно как у реактора деления).
На самом деле существуют способы снижения нейтронного потока:
1. Селективный ИЦР-нагрев He³ компоненты плазмы.
При этом гелиевая компонента нагревается, например, до 75КэВ, а дейтериевая - до 25кэВ - суммарно , при соударении ионов He³ и D энергия составит достаточные 100кэВ, но при соударении D-D всего 50кэВ. что недостаточно для слияния (вернее сечение реакции гораздо ниже) Метода хороша, но требует значительного усложнения оборудования - двухчастной (читай - дублированной) системы ИЦР-нагрева.

Остальные два метода используют принцип "плазма-пучок"

2. Создание относительно "горячей" плазмы в объеме реактора только из Не³ и впрыска дейтерия (при ГДЛ принципе в центр соленоида в виде нейтральных атомов, при амбиполярном - в концевые амбиполярные барьеры в виде ионов) с расчетом, что бы ядра дейтерия прореагировали при первом пассе через объем плазмы. Метода дивная - нейтроны можно вааще практически исключить, ядра дейтерия не встречаются друг с другом.
Такой метод хорош (и видимо будет применяться) на наземных энергетических реакторах. Так как плазмоид находиться в замкнутом объеме с рецеркуляцией, потерь гелия3 практически нет. Небольшой недостаток - для запуска реактора требуется большее кол-во гелия3.
Но этот метод не применим для ТЯРД - так как ТЯРД используется как источник плазмы и плазма свистит через сопло в космос, потери гелия3 становяться недопустимыми.
3. Создание в объеме реактора плазмоида из относительно холодной дейтериевой плазмы и впрыск высокоэнергетичных ионов (или нейтралов) гелия3. Т.е. метод «зеркальный» методу №2. При этом в относительно холодной плазме реакция дейтерий-дейтерий практически не протекает, а расход гелия3 – минимизируется.
Именно этот метод скорее всего будет применяться в ТЯРД и в первых энергетических наземных реакторах, работающих в условиях дефицита гелия3 .

Ник

Шоколадно все...
А уменьшить размеры девайса мона?
Хочу такую микроволновку..

>Кстати, отсюда следует предположить, что топливных баков как таковых у ТЯРД не будет
Наличие/отсутствие баков имеет смысл предполагать на основе требований создаваемой транспортной системы или выполнения конкретной миссии. В случае пилотируемого полёта на Марс, "быстро, но с баками" предпочтительнее чем "медленно, но без баков".

>Т.к. ТЯРД двигатель малой тяги , то иметь на нем большой, относительно массы корабля, запас топлива не имеет смысла. Ну, присобачим мы баки, нальем в них 50% топлива от массы - и что? Будем годами ждать пока оно выработается?
Зацикленная логика. Зачем-то создали двигатель малой тяги, а теперь удивляемся, что оно не нужно.
Уже при 0,01g на быстрых траекториях, время полёта до Марса, Урана качественно ниже (т.е. полёт проще и безопаснее) чем любой из нынешних обычных вариантов. Потребная ХС до Марса где-то в р-не 400 кмсек (по этой траектории). Вот под эти параметры (ускорение - 0,01g, ХС - 400кмсек) и следует оптимизировать двигатель. Это в качестве иллюстрации правильной логики, реально же чем быстрее долетим, тем лучше. Соответственно если двигатель под задачу оптимизирован быть не может, то идея выбрасывается на помойку.

>А ХС корабля в 250км/сек для любой миссии в Солнечной - с лихвой
Вообще-то все нынешние потребности с лихвой удовлетворяются имеющимися средствами. Создание принципиально иного двигателя имеет смысл лишь для расширения доступного выбора миссий и для качественного изменения условий реализации существующих. Из того, что я прочитал здесь, могу сделать вывод, что единственная ниша данного двигателя - трансзвездные зонды.

Анализ 40 летней давности не устарел и сегодня:

Проведенные исследования позволили отобрать три проекта для гелионавтического сектора астронавтики: импульсный ЯРД, электрический ракетный двигатель с ядерным реактором и термоядерный ракетный двигатель. Все указанные типы двигателей могли развивать удельную тягу, превышающую 2500 сек. Ни один из указанных проектов не был новым. Эти двигатели находились в стадии изучения и экспериментальной разработки на протяжении по меньшей мере четверти столетия, а идеи этих проектов были выдвинуты еще ранее.
Важно отметить, однако, что кроме импульсного ЯРД и термоядерного РД только электростатический ракетный двигатель с ядерным реактором может обеспечить удельную тягу порядка 5000 - 20 000 сек. Кроме того, не следует забывать, что в 60-х и в начале 70-х годов импульсным ЯРД и термоядерным РД было очень трудно конкурировать с электростатическим РД. Разработка импульсного ЯРД была приостановлена вследствие действия договора о запрещении ядерных испытаний. Даже в том случае, если бы этот проект был принят, космический корабль с таким двигателем должен был бы стартовать с земной орбиты, а его ядерные устройства должны были бы работать при прохождении через радиационный пояс Земли. Несмотря на то, что загрязнение пояса (в особенности из-за испускания большого количества электронов) можно свести к минимуму благодаря запускам по полярным орбитам, неизбежное возмущение структуры пояса должно было вызвать существенные возражения ученых и беспокойство среди космических специалистов, продолжавших посылать в зоны пояса все больше и больше исследовательских и других спутников, от надежности работы которых зависели безопасность и сервис возрастающей части населения земного шара. Не следует также забывать, что в зоны радиационного пояса запускались пилотируемые космические системы. В настоящее время мы располагаем дешевыми средствами доставки объектов на околоземную орбиту и космическим лунным транспортом, а также действующими стартовыми комплексами на Луне. Эти обстоятельства в совокупности с перспективой дальних полетов, не учитываемой ранее, сделали применение импульсного ЯРД для полетов к Луне и обратно привлекательным и экономичным. Такая ситуация резко отличалась от существующей 25 - 30 лет назад. Если возможность практического осуществления проекта импульсного ЯРД даже в те дни не вызывала серьезных сомнений, то этого нельзя было сказать с такой же уверенностью о термоядерном РД. Конечно, к середине 60-х годов такой двигатель теоретически мог быть создан при условии разработки магнитных ловушек, новых сверхпроводящих металлов и системы подачи нейтронов, обладающих высокой энергией. Однако проблемы устойчивости плазмы, инициирования и обеспечения самоподдерживающейся термоядерной реакции, а также конструктивные проблемы, связанные с разработкой и эксплуатацией гелиевой криогенной системы, оказались значительно более сложными по сравнению с проблемами разработки электрического ракетного двигателя с ядерным реактором. Ввиду этих обстоятельств основные усилия 25 - 35 лет назад были направлены на создание электрического ракетного двигателя с ядерным реактором как наиболее подходящей системы, обеспечивающей очень высокую удельную тягу. К 1980 г. положение существенно изменилось. Препятствия политического характера, мешавшие разработке импульсного ЯРД, были устранены. Ускоренные темпы разработки термоядерного РД позволили ликвидировать тот технологический разрыв, который был обусловлен достижениями в разработке импульсного ЯРД в предыдущие 10 - 15 лет. С точки зрения практической реализации термоядерный РД стал конкурировать с электрическим ракетным двигателем с ядерным реактором и, как становилось все яснее, мог превзойти его по характеристикам уже в 80-е годы при достаточной финансовой поддержке.
Сравнение термоядерного РД с электростатическим РД показывает, что для термоядерного РД требуется существенно меньше ядерного горючего и рабочего тела, так как в противоположность обычным системам преобразования энергии (даже термоионным генераторам) более легкая термоядерная система обладает значительно более высокой оптимальной удельной тягой. Более того, непосредственный выброс рабочего тела из реактора, где идет реакция синтеза, без использования промежуточной теплообменной системы, требуемой в электрических РД, обеспечивает большую конструктивную простоту и более высокую надежность работы. Кроме того, требуются гораздо меньшие поверхности излучателей вследствие сокращения количества процессов преобразования. Все перечисленные факторы обеспечивают относительно малый вес термоядерного РД и уменьшают вероятность его повреждения метеоритами сравнительно с электрическим РД. Меньший вес защиты (образуется меньшее количество нейтронов, чем в урановом ядерном реакторе сравнимого размера, в котором идет реакция деления) и отсутствие опасной радиации дают дополнительные преимущества. Величину тяги и удельной тяги можно варьировать в более широком диапазоне, чем у электрического РД. Ввиду сказанного окончательный выбор между электростатическим и термоядерным РД в качестве двигательной системы для межпланетных летательных аппаратов был сделан в пользу термоядерного РД.
Сравнение импульсного ЯРД и термоядерного РД показывает, что с точки зрения стоимости (но без учета начальных затрат) и экономичности термоядерный РД превосходит импульсный ЯРД; однако с точки зрения мощности и интервала развиваемого тягового ускорения импульсный ЯРД эффективнее. Более того, корабль с импульсным ЯРД не только может совершить посадку на планету или стартовать с нее (если тяга достаточна для преодоления гравитационных сил), но и способен совершать активный полет в любой атмосфере, так же как и в космосе. Действительно, импульсный ЯРД является единственным типом ракетного двигателя, который в атмосфере работает лучше, чем в космосе, так как использует газы атмосферы в качестве рабочего тела. Вследствие этого импульсный ЯРД более пригоден для полетов в чрезвычайно неблагоприятных окружающих условиях, когда одновременно требуется более высокий уровень тяги. Ниже приведены примеры таких полетов.
Посадка на поверхность Венеры. Вход в (или пролет через) головы комет .
Вход в атмосферу планет-гигантов (Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна).
Проникновение в области с неблагоприятными окружающими условиями, например в астероидные пояса и, возможно, в "грязные и пыльные" области около больших планет.
Термоядерный РД, будучи менее мощным по сравнению с импульсным ЯРД, более пригоден для полетов в пределах внутренних планет солнечной системы, т.е. в относительно чистых областях гелиоцентрического пространства. Корабль с таким двигателем должен оставаться на орбите спутника планеты-цели или же "пристыковаться" к небольшим спутникам, поскольку он не может совершить посадку на поверхность планеты. Во время полета в пределах солнечной системы может понадобиться чрезвычайно широкий диапазон удельной тяги термоядерного РД. Например, для встречи с астероидами, входящими в пределы области внутренних планет солнечной системы, при прохождении через перигелий требуется очень большое изменение скорости корабля (обычно свыше 30 км/сек). Стоимость производства единицы веса оборудования термоядерного РД примерно в 5 раз выше, чем у импульсного ЯРД. Однако эксплуатационная стоимость термоядерного РД меньше, поскольку эта система использует в качестве рабочего тела дейтерий и гелий вместо ядерного горючего и металлического топлива высокой плотности. Будучи выгоднее с точки зрения эксплуатационной стоимости и обладая более высокой удельной тягой, термоядерный РД более всего пригоден в качестве силовой установки носителей тяжелых грузов, например при разработке месторождений металлов или других полезных ископаемых на других небесных телах. Ниже перечислены типичные задачи, для выполнения которых могут применяться термоядерные двигатели.
Полет с захватом корабля Меркурием.
Полет с захватом корабля Венерой.
Исследование спутников Марса.
Встреча с астероидами за пределами астероидного пояса.

Хм.. Я не про ЭТО. Там просто описаны области применения ТЯРД. Скажем вблизи атмосфер планет он сможет работать? Насколько чистый ваккуум ему нужен? Где его собирать? Чем собирать?

>Данные ЛТХ проистекают из параметров реактора, описанных в литературе - не на заборе - а в серьезном обзоре, написанном специалистами занимающиемися этой темой с самого начала.

1. В силу того, что реальных ТЯРД не существует даже на уровне опытного образца, все рассуждения подобного рода не более чем гадание на кофейной гуще. Вся история управляемого термоядерного синтеза это история непрерывного появления всё новых и новых проблем с последующим их преодолением. Меняются параметры установок, сами подходы к решению задач. При этом напрочь отсутствуют практические наработки, т.е. изделия, дававшие реальную тягу в условиях, приближенных к рабочим.

2. Я видел тонны различных описаний реакторов в литературе, написанной специалистами и т.д. Все они были разными. Дальше что?

>Увеличь мощность. До 10 или 100ГВт - размеры и масса реактора возрастут, но не пропорционально
Почему? Разве удельная мощность - предельна, т.е. ограничена физическими свойствами используемых материалов? По моему очевидно, что просто за счёт снижения ресурса двигателя этот парметр можно изменить при неизменных массо-габаритных показателях двигателя. Ведь нам не нужно год непрерывно использовать двигатель, не так ли?

>Кстати, с скоростью 50км/сек миссия к тому же Юпитеру займет менее 6 месяцев (с возвратом - год) А ХС в 400км/сек - излишество, в пользу фантастов.
Год в космосе это уже неприемлимо много для обычного человека, а не для профессионального камикадзе. А 400кмсек это просто разумный минимум.

>100 часовая сессия работы ТЯРД будет обеспечивать разгон на 3,6км/сек.
Просто переход с LEO на GEO займёт столько же, сколько и путешествие на морском лайнере через Атлантику. Не стоит удивляться тому, что это никому не будет нужно по причине того, что медленно можно уже сейчас и без всяких ТЯРД.