Термоядерный ракетный двигатель – первые испытания. Двигатель нейтронный

Термоядерный ракетный двигатель "Вивернджет" 2.0

Если вы постоянно спотыкаетесь о неточности и ошибки в научной фантастике и не даете насладиться соседу-гуманитарию “Интерстелларом”, то самое время заняться расчетом своего звездолета. Тема довольно увлекательная, и в ней придумано множество невероятных конструкций - от миллиграммовых звездолетов-саморепликаторов, запускаемых из электромагнитного ускорителя, через лазерные паруса, для которых понадобится лазер мощностью в петаватт до звездолетов-астероидов, разгоняемых взрывами атомных бомб и передвигающихся на скорости 300 км/с, как изображенный на картинке выше.

Квинтэссенцией бумажного звездолетостроения является проектирование его двигательной установки. Существует былинный тред на Астрофоруме, где последовательно были разобраны (и похоронены) множество концепций таких двигательных установок. Одной из немногих палочек-выручалочек остается термоядерный двигатель на амбиполярной ловушке, называемый Вивернджет, по нику автора.

Амбиполярная ловушка Амбал-М (впринципе все в кардре - это она) и ее создатели в 1997 году.

Пришло время хоронить и его :) К сожалению, я не владею физикой термоядерной плазмы в достаточной степени, что бы спорить с термоядерной основой Вивернджета - проектом реактора Г.И. Димова и И.Н. Головина на базе открытой ловушкой с амбиполярным удержанием. И хотя сегодня, очевидно, для АЛ пришла некая осень - новых не строится, имеющиеся аппараты (например Gamma-10) не позволяют уверенно делать скейлинг на гигаваттные размеры, мы оставим в покое базисные положения, и будем использовать их как пробу для инженерных прикидок. Мы будем брать широкие инженерные наработки в рамках ITER и DEMO и кувалдой забивать их в Вивернджет. Очень позитивные допущения по термоядерной части означают, что если инженерия Вивернджета 2.0 окажется неподъемной, это будет означать и конец реальных термоядерных ДУ на данной концепции.

Упрощенная схема такой ловушки. Правое окончание заменяется магнитным соплом. Тонкие кольца посередине - главный соленоид, с рассмотрения которого мы начнем сегодня.

Двигатель VASIMR не подразумевает термоядерного источника энергии, но тоже создает тягу, выбрасывая горячую плазму, чем-то подобным должен оканчиваться Вивернджет.

Итак, поехали.

Исходный двигатель, представляющий собой открытую ловушку (упрощенно можно сравнить открытые ловушки с надутым шариком с маленьким отверстием, через которое постоянно вытекает плазма, а термоядерная реакция получается при достаточном соотношении "объема ловушки" и "сечения дырочки") имеет все элементы магнитной ловушки - систему нагрева плазмы, магнитную систему и ее питание, топливную подсистему, тепловую защиту и охлаждение. Конкретнее можно разбить двигатель на следующие элементы:

Электрическая подсистема, отвечающая за питание магнитов, инжекторов, выдающая питание в ПН
Система теплосъема и криосистема
Система нагрева плазмы и обеспечения тока плазмы: инжекторы нейтралов и электронно-циклотронный радиочастотный нагрев.
Сильнопольные магнитные системы - концевые пробкотроны, каспы и магнитные сопла.
Главный соленоид
Механическая конструкция.
Остальные подсистемы (например питания) для нашего рассмотрения можно отбросить, как не столь значительные.

Длинна главного соленоида (ГС), м	100
Длинна концевых пробкотронов (КП), м	10
Радиус плотной плазмы, м	1
Радиус (внутренний) соленоида, м	1,25
Магнитное поле (вакуумное) в ГС, Т	6
Магнитное поле (вакуумное) в центре КП, Т	5
Магнитное поле в пробках, Т	20
Плотность плазмыi , частиц 1014см-3	1,75
Температура плазмыi, кэВ	70
Суммарная	~ 0,9
Энергия инжектируемых ионов, кэВ	500
Погонная термоядерная мощность, МВт/м	34
Объемная термоядерная мощность, МВт/м3	10,8
Термоядерная мощность, МВт	3400
Мощность (суммарная х2) ионных инжекторов КП, МВт	200
Q	~15

Что ж, начнем с “проектирования” главного соленоида.

В Вивернджете 1.0 он состоит из 100 магнитов кольцевой формы с внутренним диаметром 2500 мм. Магниты создают поле на оси ловушки 5.5 Т. Расчет в пакете OpenField показывает, что нам нужно создать ток в 7.5 мегаампер-витка, что бы получить заданные параметры. При этом поле на внутреннем краю катушки достигнет 8,5 Т. (а не 6,6, как у Виверна, пошли первые подвижки).

Вивернджет 1.0 предусматривает, что катушки сечением 100х300 мм с корпусом из бериллия будут заполнены внутри ВТСП лентой в ванне из хладагента. Такая конструкция неработоспособна минимум по трем причинам. Во-первых механические усилия в проводнике, стремящиеся его разорвать будут достигать ~20000 тонн силы, поэтому нам надо разгружать проводник на механическую основу, и не допускать подвижности ленты. Во-вторых в случае квенча (аварийной потери сверхпроводимости) межвитковое напряжение может достигнуть многих киловольт, что приведет к пробою, дуговому разряду и выходу катушки из строя. В-третьих нейтронное тепловыделение в бериллиевом корпусе катушки будет порядка мегаватта - и все это тепло нам надо отвести на температуре 23К. Расход мощности криокулера будет десятки мегаватт на каждую катушку, а проблемы с кипящим дейтерием - впечатляющи.

Думаю, самое время проапгрейдить Вивернджет новыми, реалистичными катушками.

Токонесущий кабель

Реальный кабель их высокотемпературного проводника, используемый в катушках. Такая геометрия проводника называется Рёбель (Roebel).

Не смотря на то, что ВСТП в сегодняшних больших магнитах не применяются из-за заметной деградации критической плотности тока при сильных полях, будем оптимистами. При охлаждении кипящим дейтерием (23К) и назначенной критической температуре 30 К, в поле 8.5 Т критическая плотность тока ВСТП типа ленты второго поколения REBCO примерно равна плотности тока при 77 К в собственном поле, и составляет порядка 400 А/мм^2 ленты.

Реальный ВТСП кабель, испытанный на 20 Т и токе 7 кА.

И результаты повреждения пондемоторными силами (6,8 тонн на метр). Очень серьезная проблема для сильноточных магнитов.

Базируясь на вот этой презентации CERN, “спроектируем” кабель на 40 кА: 100 лент REBCO шириной 12 мм и толщиной 0.1 спаянных в пакет между двумя миллиметровыми полосками стабилизирующей меди. Полученный квадрат 12х12 мм скручивается с шагом 200-300 мм и укладывается в круглый канал титанового кондуита внутренним диаметром 18 мм и внешним размером квадрат 23х23 мм, работающим силовой оболочкой.. В промежутке между титаном и сверхпроводником прокачивается хладагент и расположена спиральная конструкция обеспечивающая его перемешивание и передачу усилий с проводника на кондуит. Такой кабель видится слишком простым и оптимистичным, но для прикидок сойдет и такой.

Разные альтернативные кабели ВСТП. Плотности тока, к сожалению от 4.2 К до 30 К довольно сильно деградируют.

Титановый кабель оборачивается изоляцией и силовым стекловолокном, что увеличивает шаг кабеля в магните до 25 мм. 192 витка кабеля укладываются в прямоугольное сечение соленоида 12х16 (300х400 мм) и оборачивается 5 мм углепластикового укрепления, что дает итоговой размер сечения 1 катушки в 310х410 мм и плотность тока 59 А/мм^2.

Эскиз сечения катушки ГС с вышеописанным кабелем.

Сечение кабеля в 625 мм состоит в основном из титана плотностью 4,5, стеклопластика плотность 2,5, сверхпроводника и меди плотность 8 и хладагента незначительной плотности. Средняя плотность получается в районе 3,3 г/см^3, вес кабеля 577 кг при длине 1750 метров. Добавляя 10% веса на соединения кабеля, систему датчиков, систему вводов и выводов хладагента, получаем окончательный вес магнита в 634 кг.

Разрез по катушке с 192 витками кабеля.

И общий вид секции главного соленоида с тремя катушками и плазмой.

Квенч-коммутация

Индуктивность вышеописанной катушки составит 56 mH, а запасаемая энергия при рабочем токе - 45 Мегаджоулей. Несмотря на небольшую, по меркам магнитных систем, величину, эта энергия в ВТСП кабеле при потере им сверхпроводимости вполне может выделяться довольно локально, пережигая кабель. Для вывода этой энергии из кабеля требуется коммутационное оборудование.

В оригинальном проекте в случае квенча предлагалось, что по мере возрастания сопротивления, ток будет переходить на бериллиевый корпус катушки. Однако есть три соображения в пользу сброса тока с отказавшей катушки на специальный поглотитель:

Во-1 вес бериллиевого корпуса для варианта с реалистичным сечением будет просто больше, чем вес коммутации. Если же это не так — всегда можно вернуться к сбросу тепла в корпус.

Во-2 на этом бериллиевом корпусе без отключения катушки из последовательного соединения с остальными клавного соленоида выделится не 45 мегаджоулей данной, а 4,5 гигаджоуля всех катушек.

Ну и наконец, в случае внутреннего выделения тепла в криогенную массу мы будем вынуждены делать криокулеры в десяток раз более мощными, что драматически скажется на массе.

Силовой тиристор ABB на 5 кА и 2 кВ. В жидком дейтерии ток можно увеличить до 15 кА.

Для сравнения, можно представить себе тиристоры, работающие при температуре 23К, пропускающие полный ток - такие параметры будут где-то в 2-3 раза выше ныне существующих. Пусть вес их будет 10 кг, всего нам понадобится 5 тиристоров, вместе с шинами, управлением и криостатом положим массу модуля коммутации в 90 кг.

Кстати, к вышесказанному. Важным аспектом является теплоизоляция катушки от нагретой поверхности экрана, которым окружена плазма (об этом ниже). Слава богу, в космическом вакууме мы можем обойтись простым и отработанным решением. От теплопритока снаружи каждую катушку будет защищать 20-ти слойная ЭВТИ, площадью в районе 11 квадратных метров весом порядка 20 кг. Общий вес одного магнита главного соленойда 744 кг, а общий вес магнитной системы ГС ~80 тонн. Непл

tnenergy.livejournal.com

Термоядерные двигатели - путь в космос

Самый простой вариант такого двигателя — пробкотрон, состоящий всего из двух магнитных катушек, пробок, расположенных на некотором удалении друг от друга. Иногда посередине добавляют менее мощные катушки, которые позволяют управлять профилем магнитного поля между пробками. При достаточно большом размере в пробкотроне может проходить термоядерная реакция, выделяющая чуть больше энергии, чем тратится на ее поддержание. Но, увы, совсем ненамного и только при работе на смеси дейтерия и трития. Поскольку КПД преобразования тепловой энергии в электрическую невелик, пробкотрон всегда будет требовать для своей работы подвода энергии извне. Если вспомнить, какие мощности необходимы для создания существенной тяги при большом удельном импульсе, получится, что для питания двигателя нам потребуется полномасштабная космическая АЭС. В таких условиях проще отказаться от термоядерного реактора и использовать куда более простую и существенно лучше отработанную связку из АЭС и электрореактивных двигателей.

Развитием идеи пробкотрона является многопробочная ловушка (с гофрированным полем). В первом приближении путем увеличения ее длины можно достичь сколь угодно хорошего удержания плазмы, вплоть до зажигания самоподдерживающейся термоядерной реакции, не требующей подвода энергии извне. С учетом высокой плотности плазмы, которую можно достичь в ловушке такого типа, она производит впечатление весьма перспективного кандидата. Увы, есть две проблемы, существенно снижающие перспективность этого направления. Первая — это потери плазмой энергии поперек магнитного поля, которые для установок большой длины, скорее всего, станут основными. Вторая проблема состоит в том, что даже для смеси дейтерия и трития (1:1) необходимая длина двигателя составит около 1 км, а это на порядок превосходит размер МКС (для других видов топлива размеры двигателя будут еще больше).

Вакуум на халяву

Одной из важнейших проблем термоядерного синтеза является взаимодействие стенок вакуумной камеры и плазмы. Оно существенно ухудшает параметры плазмы, а сама стенка разрушается. Термоядерные ракетные двигатели предполагается использовать только в космосе, так что космический вакуум позволяет убрать из конструкции стенку, оставив лишь небольшие защитные накладки на магнитных катушках. Это существенно облегчит задачу зажигания термоядерной плазмы. Потенциально может случиться так, что первые термоядерные двигатели начнут работать раньше, чем наземные термоядерные электростанции.

Другим развитием пробкотрона является газодинамическая плазменная ловушка, в которой длинная область с однородным магнитным полем относительно небольшой напряженности с обоих концов заканчивается мощными магнитными пробками или парами пробок (дополнительными пробкотронами с мощным полем). Положительное свойство такой ловушки — хорошо предсказуемое поведение плазмы в ней. Однако ее длина, как и в случае многопробочной ловушки, должна будет составлять около километра или более даже при дейтерий-тритиевом топливе.

Наиболее простая открытая плазменная ловушка — пробкотрон. В простейшем случае она состоит всего из двух магнитных катушек. Развитие пробкотрона — многопробочная и газодинамическая ловушки.

Еще один вариант открытых ловушек — это ловушки с амбиполярным удержанием плазмы. В простейшем случае это система из трех пробкотронов: один центральный с очень большой длиной и два маленьких на торцах. Непрерывно подаваемая разогретая плазма в торцевых пробкотронах не дает уходить плазме из центрального пробкотрона. Сделав центральную часть достаточно длинной, мы всегда можем производить в ней больше энергии, чем нужно для поддержания плазмы в концевых участках. Такая ловушка теоретически должна получиться заметно короче газодинамической или многопробочной. Но есть у нее и недостатки. Во‑первых, обязательная инжекция плазмы в концевых участках и нагрев ее там, на что требуются десятки и даже сотни мегаватт. Таким образом, реактор должен стать не только двигателем, но и основой полномасштабной электростанции для поддержания собственной работы. Во‑вторых, конфигурация электромагнитного поля в амбиполярной ловушке куда сложнее, чем в других типах открытых ловушек, а объем экспериментальных данных недостаточен. Так что пока говорить об осуществимости такого двигателя слишком рано.

Силы инерции

В ловушках с магнитным удержанием удельный импульс ограничен температурой плазмы, которая, в свою очередь, ограничена конструкцией. А вот инерциальный ядерный синтез потенциально позволяет получить удельный импульс порядка 10 000 000 м/с (около 3% от скорости света), что делает его идеальным вариантом для межзвездных зондов. Именно этот принцип был использован в известном проекте звездолета «Дедал», который разрабатывался группой специалистов из Британского межпланетного общества в 1970-х годах. Его же использует разрабатываемый сейчас наследник «Дедала» — «Икар».

Инерциальный синтез. Основная идея инерциального синтеза состоит в равномерном облучении крупинки термоядерного топлива мощными потоками частиц (фотонов, ионов, электронов), что приводит к ее сжатию и разогреву.

Термоядерные двигатели на инерциальном синтезе — это импульсные термоядерные реакторы, дополненные магнитным соплом для продуктов реакции. Поскольку зажигание самоподдерживающейся реакции здесь принципиально невозможно, реактор должен быть не только двигателем, но и электростанцией для обеспечения энергией самого себя. Причем его электрическая мощность должна составлять как минимум 10% от мощности реактивной струи. Расчеты показывают, что при тяге двигателя всего 2000 Н (204 кгс) и удельном импульсе 10 000 000 м/с нам потребуется мощность ракетного двигателя в 10 ГВт, а электрическая — не менее 1 ГВт. Это мощность целого энергоблока крупной АЭС.

Кроме того, нет оснований полагать, что в сколько-нибудь обозримом будущем будут созданы космические лазеры, пригодные для обжатия мишеней такого двигателя. Единственным реалистичным вариантом можно считать использование пучков тяжелых ионов. Но и они, с нужными характеристиками, еще не созданы даже для наземных установок.

Глобус-М. Экспериментальный зал ФТИ РАН со сферическим токамаком Глобус-М. Потомки этой установки могут стать основой как наземной электростанции, так и термоядерного ракетного двигателя.

Токамаки в космосе

Почти все авторы проектов термоядерных двигателей игнорируют токамаки, ссылаясь на сложность осуществления отбора плазмы для реактивной струи. Но они ошибаются.

На заре термоядерных исследований предполагалось, что в токамаке плазма будет надежно удерживаться. Однако быстро выяснилось, что плазма поперек магнитного поля уходит на стенку установки и разрушает ее. Одним из наиболее эффективных способов решения этой проблемы оказалась концепция дивертора. Суть ее в том, что в конфигурации магнитного поля создается четкая граница — сепаратриса. Внутри сепаратрисы плазма максимально хорошо удерживается, но за ее пределами почти мгновенно уходит на специальные пластины в нижней (чаще всего) части установки, которая и называется дивертором.

Таким образом взаимодействие между термоядерной плазмой и стенкой существенно ослабляется. Ничто не мешает использовать плазму, пересекающую сепаратрису и уходящую в дивертор, для создания тяги в ракетном двигателе. Напуск водорода в область дивертора позволит, как и в случае открытых ловушек, на порядок повысить тягу, пожертвовав удельным импульсом.

Важнейшее преимущество токамака перед всеми иными концепциями термоядерных ракетных двигателей — максимальная отработанность этого типа магнитных ловушек. Если параметры созданных открытых магнитных ловушек хуже необходимых в сотни раз, то параметры токамаков нужно улучшить всего на порядок. Кроме того, наработки по термоядерному ракетному двигателю окажутся крайне полезными для наземных термоядерных электростанций. Расчеты показывают, что сферический токамак с сильным магнитным полем, работающий на смеси 98% дейтерия и 2% трития, способен развивать выходную мощность порядка 300 МВт. Объединяя несколько таких токамаков, можно получить тягу порядка 1000 кгс при удельном импульсе в 350 000 м/с, при этом расход дейтерия составит 1,5 г/с, а водорода, используемого как дополнительное рабочее тело, — около 26 г/с. Корабль «сухой» массой 565 т, несущий 35 т дейтерия и 600 т водорода, сможет разогнаться до скорости 65 км/с, затормозить, снова разогнаться до этой скорости и снова затормозить. Такие параметры позволяют уложить длительность экспедиции к Сатурну в два года.

Полный бак

На чем же будут работать звездолеты? Выбор топлива — отдельная серьезная проблема. Проще всего запустить реакцию в смеси дейтерия и трития 1:1. Однако с ее использованием есть большие проблемы. Тритий в природе не встречается, его необходимо получать искусственно. Необходимые количества при этом составят десятки тонн, что во много раз превышает возможности его производства за всю историю! Кроме того, он радиоактивен (хотя и слабо) и благодаря этому саморазогревается, так что его практически невозможно хранить в сжиженном виде, а хранить под давлением, да еще и охлаждать — не самая простая задача.

www.popmech.ru

Термоядерный ракетный двигатель — WiKi

В настоящее время предложены 2 варианта конструкции ТЯРД :

ТЯРД на основе термоядерного реактора с магнитным удержанием плазмы

В первом случае принцип действия и устройство ТЯРД выглядят следующим образом: основной частью двигателя является реактор, в котором происходит управляемая реакция термоядерного синтеза. Реактор представляет собой полую «камеру» цилиндрической формы, открытую с одной стороны, т. н. установку термоядерного синтеза схемы «открытая ловушка» (также именуемую «магнитная бутылка» или пробкотрон). «Камера» реактора вовсе не обязательно (и даже нежелательно) должна быть цельно-герметичной, скорее всего она будет представлять собой легкую размеростабильную ферму, несущую катушки магнитной системы. В настоящее время наиболее перспективной считается схема т. н. «амбиполярного удержания» или «магнитных зеркал» (англ. tandem mirrors), хотя возможны и другие схемы удержания: газодинамические ловушки, центробежное удержание, обращенное магнитное поле (FRC). По современным оценкам, длина реакционной «камеры» составит от 100 до 300 м при диаметре 1-3 м. В камере реактора создаются условия, достаточные для начала термоядерного слияния компонентов выбранной топливной пары (температуры порядка сотен миллионов градусов, факторы критерия Лоусона). Термоядерное топливо — предварительно нагретая плазма из смеси топливных компонентов — подаётся в камеру реактора, где и происходит постоянная реакция синтеза. Генераторы магнитных полей (магнитные катушки той или иной конструкции), окружающие активную зону, создают в камере реактора поля большой напряжённости и сложной конфигурации, которые удерживают высокотемпературную термоядерную плазму от соприкосновения с конструкцией реактора и стабилизируют происходящие в ней процессы. Зона термоядерного «горения» (плазменный факел) формируется по продольной оси реактора. Полученная плазма, направляемая магнитными управляющими системами, истекает из реактора через сопло, создавая реактивную тягу.

Следует отметить возможность многорежимности ТЯРД. Путём впрыска в струю плазменного факела относительно холодного вещества можно резко повысить общую тягу двигателя (за счет снижения удельного импульса), что позволит кораблю с ТЯРД эффективно маневрировать в гравитационных полях массивных небесных тел (например больших планет) где зачастую требуется большая общая тяга двигателя. По общим оценкам, ТЯРД такой схемы может развивать тягу от нескольких килограммов вплоть до десятков тонн при удельном импульсе от 10 тыс. сек до 4 млн. сек. Для сравнения, показатель удельного импульса наиболее совершенных химических ракетных двигателей — порядка 450 сек.

ТЯРД на основе систем инерционного синтеза (импульсный термоядерный реактор)

Двигатель второго типа — инерционный импульсный термоядерный двигатель. В реакторе такого двигателя управляемая термоядерная реакция проходит в импульсном режиме (доли мкс с частотой 1-10Гц), при периодическом обжатии и разогреве микромишеней (топливных «таблеток»), содержащих термоядерное топливо. Первоначально предполагалось использовать лазерно-термоядерный двигатель (ЛТЯРД). Такой ЛТЯРД предлагался, в частности, для межзвёздного автоматического зонда в проекте «Дедал». Его основой и был реактор, работающий в импульсном режиме. В сферическую камеру реактора подаётся топливная таблетка с термоядерным топливом (например, дейтерий и тритий) — сложная конструкция сфер из смеси замороженных топливных компонентов в оболочке диаметром несколько миллиметров. На внешней части камеры находятся мощные — порядка сотен тераватт — лазеры, наносекундный импульс излучения которых через оптически прозрачные окна в стенах камеры попадает на топливную таблетку. При этом на поверхности топливной таблетки создается зона с температурой более 100 млн. градусов при давлении в миллионы атмосфер — условия, достаточные для начала термоядерной реакции. Происходит термоядерный микровзрыв мощностью в несколько сотен килограммов в тротиловом эквиваленте. Частота таких взрывов в камере в проекте «Дедал» — порядка 250 в секунду, что требовало подачи топливных мишеней со скоростью более 10 км/с при помощи электромагнитной пушки. Расширяющаяся плазма вытекает из открытой части камеры реактора через сопло соответствующей конструкции, создавая реактивную тягу. На сегодняшний день уже теоретически и практически доказано, что лазерный метод обжатия/разогрева топливных таблеток — тупиковый путь: невозможно построить лазеры такой мощности с достаточным ресурсом. Поэтому в настоящее время для инерциального синтеза рассматривается вариант с ионно-пучковым обжатием/нагревом топливных таблеток, как более эффективный, компактный и с гораздо большим физическим ресурсом. Тем не менее, в Ливерморской национальной лаборатории имени Эрнеста Лоуренса с 2013 года более четырёх раз в процессе экспериментов на 192 лазерной установке National Ignition Facility получили энергии больше, чем было затрачено для инициации реакции [1].

Однако есть мнение, что инерционно-импульсный ТЯРД получится слишком громоздким из-за очень больших циркулирующих в нём мощностей при худших, чем у ТЯРД с магнитным удержанием, удельном импульсе и тяге, что вызвано импульсно-периодическим характером его действия. Идеологически к ТЯРД на инерционно-импульсном принципе примыкают взрыволёты на термоядерных зарядах типа проекта «Орион».

ТЯРД может использовать различные виды термоядерных реакций в зависимости от вида применяемого топлива. В частности, на настоящее время принципиально осуществимы следующие типы реакций:

Реакция дейтерий + тритий (Топливо D-T)

2H + 3H = 4He + n при энергетическом выходе 17,6 МэВ

Такая реакция наиболее легко осуществима с точки зрения современных технологий, даёт значительный выход энергии, топливные компоненты относительно дёшевы. Недостаток её — весьма большой выход нежелательной (и бесполезной для прямого создания тяги) нейтронной радиации, уносящей большую часть выходной энергии реакции и, как следствие, резко снижающей КПД двигателя. Тритий радиоактивен, период его полураспада — около 12 лет. То есть долговременное хранение трития невозможно. В то же время, возможно окружить дейтериево-тритиевый реактор оболочкой, содержащей литий: последний, облучаясь нейтронным потоком, превращается в тритий, что в известной степени замыкает топливный цикл, поскольку реактор работает в режиме размножителя (бридера). Таким образом, топливом для D-T-реактора фактически служат дейтерий и литий.

Реакция дейтерий + гелий-3

2H + 3He = 4He + p. при энергетическом выходе 18,3 МэВ

Условия её достижения значительно сложнее. Гелий-3, кроме того, редкий и чрезвычайно дорогой изотоп. В промышленных масштабах на настоящее время не производится. Кроме того, что энергетический выход этой реакции выше, чем у D-T-реакции, она имеет следующие дополнительные преимущества:

Сниженный нейтронный поток (реакцию можно отнести к «безнейтронным»),
Меньшая масса радиационной защиты,
Меньшая масса магнитных катушек реактора.

При реакции D-3He в форме нейтронов выделяется всего около 5% мощности (против 80% для D-T). Около 20% выделяется в форме рентгеновского излучения. Вся остальная энергия может быть непосредственно использована для создания реактивной тяги. Таким образом, реакция D-3He намного более перспективна для применения в реакторе ТЯРД.

Другие виды реакций

Реакция между ядрами дейтерия (D-D, монотопливо) D + D —> 3He + n при энергетическом выходе 3,3 МэВ, и

D + D —> T + p+ при энергетическом выходе 4 МэВ. Нейтронный выход в этой реакции весьма значителен.

Возможны и некоторые другие типы реакций:

p + 6Li → 4He (1,7 MeV) + 3He (2,3 MeV) 3He + 6Li → 2 4He + p + 16,9 MeV p + 11B → 3 4He + 8,7 MeV

Нейтронный выход в указанных выше реакциях отсутствует.

Выбор топлива зависит от многих факторов — его доступность и дешевизна, энергетический выход, лёгкость достижения потребных для реакции термоядерного синтеза условий (в первую очередь, температуры), необходимых конструктивных характеристик реактора и прочее. Наиболее перспективны для осуществления ТЯРД так называемые «безнейтронные» реакции, так как порождаемый термоядерным синтезом нейтронный поток (например, в реакции дейтерий-тритий) уносит значительную часть мощности и не может быть использован для создания тяги. Кроме того, нейтронная радиация порождает наведённую радиоактивность в конструкции реактора и корабля, создавая ещё одну опасность для экипажа. Реакция дейтерий-гелий-3 является перспективной в том числе и по причине отсутствия нейтронного выхода.В настоящее время предложена ещё одна концепция ТЯРД — с использованием малых количеств антиматерии в качестве катализатора термоядерной реакции.

ru-wiki.org

Термоядерный ракетный двигатель – первые испытания

Ракетные двигатели, использующие энергию деления атомного ядра, давно являются объектом исследования российских и американских ученых. В этом нет ничего удивительного, ведь в случае создания подобного двигателя, откроются перспективы пилотируемого освоения Солнечной системы в неведомых до настоящего времени масштабах.

Еще более интересен термоядерный ракетный двигатель, основанный на реакции синтеза легких ядер. Его возможности, в том числе скорость истечения и тяга, в несколько раз превышают подобные параметры ядерного ракетного двигателя. Кроме того, в случае создания космического реактора синтеза решилась бы проблема безопасности, поскольку отсутствует радиация. Однако принципиальные технологические трудности пока не давали возможность всерьез рассматривать подобные варианты, как ближайшую перспективу.

Тем не менее, ученые Вашингтонского Университета объявили об испытаниях ракетного двигателя на термоядерной тяге. По словам профессора аэронавтики и астронавтики Джона Слоу, они рассчитывают дать новый импульс развитию космонавтики с помощью принципиально нового источника энергии. В случае успешной реализации проекта путешествие на Марс заняло бы от 30 до 90 суток, что, конечно, несопоставимо с современными годами. Кроме того, подобные двигатели позволили бы многократно увеличить полезную нагрузку и уменьшить себестоимость полетов. По информации, приводимой в прессе, испытания компонентов двигателя в лабораторных условиях прошли успешно.

Принцип действия термоядерного ракетного двигателя следующий. Плазма, разогретая до сверхвысоких температур, удерживается в магнитном коконе. В тот момент, когда плазма достигает расчетной температуры, в ней начинается реакция синтеза. Вокруг плазменного шнура располагаются кольца из металла-рабочего тела. Кольца взрываются и устремляются в точку прохождения термоядерной реакции, в результате чего перегретый ионизированный металл вырывается из сопла ракетного двигателя, образуя реактивную тягу. Двигатель работает в импульсном режиме: процесс повторяется через 30 секунд, что является достаточным условием для эффективного разгона космического корабля.

Стамбул — столкновение двух культур

Стамбул – турецкий город с хорошо развитой экономикой. Это торговый и промышленный центр Турции. Очень удачное географическое расположение делает Стамбул ...

Как выбрать кампанию сетевого маркетинга

Ищите работу в сетевом маркетинге? Прежде всего, нужно выбрать компанию, с которой вы свяжете свой бизнес. На что следует обратить ...

Дерево с самым толстым стволом

Деревья являются обязательной составляющей биосферы Земли, обеспечивая баланс атмосферы, влажности, температуры. Но не менее важным свойством является их способность благотворно влиять ...

Тайна психометрии – Жерар Круазе

Одной из самых удивительных личностей, человеком, которого в свое время боялись из-за его психических и психометрических способностей, был голландец ...

Старинная карта Антарктиды

Сведения об Антарктиде, полученные через карту Пири Рейса, противоречат современному научному мнению. Но тогда в противоречие с ним входят и другие ...

Отдых в Швейцарии

Когда говорят про швейцарское качество, имеют в виду, в том числе, отдых в этой стране. Самые привередливые путешественники отправляются именно сюда. ...

Места силы Эльбруса – в поисках абсолютного оружия

Одной из величайших тайн XX века, несомненно, является секретная организация оккультного содержания Аненербе, созданная в Германии незадолго до Второй Мировой войны. ...

Колонизация Марса

Как только корабль приблизится к Марсу, предполагается применить аэроторможение. Этот метод подходит и для грузовых, и для пилотируемых космических аппаратов. Маневр ...

Космоплан X 37b

В США с авиабазы ВВС на мысе Канаверелл, штат Флорида, 22 апреля был впервые произведен запуск беспилотного орбитального самолета ...

Гигантский кракен - чудовище, наводящее ужас

Легенды о кракене Кракен – легендарное морское чудовище, сообщения о котором дошли с глубокой древности. Легенды о кракене утверждают, что это существо ...

www.objectiv-x.ru

Как будет работать двигатель на термоядерном синтезе

Люди уже успели побывать на Луне, да и полет на околоземную орбиту уже не кажется чем-то из ряда вон выходящим. В космосе давно и прочно обосновалась Международная космическая станция. Тем не менее, если вы задумаетесь о размерах нашей Солнечной системы, не говоря уж о всей Вселенной, станет очевидно, что наши шаги в освоении межпланетного и межзвездного пространства — просто пешком под стол. Для того, чтобы слетать на Марс и другие планеты, которые находятся вне досягаемости обычных ракетных двигателей, NASA разрабатывает несколько дополнительных реактивных двигателей, в том числе и на энергии солнца.

В принципе, космический корабль с силовой установкой на термоядерном синтезе должен воссоздать те же типы высокотемпературных реакций, которые происходят в сердце солнца. Огромная энергия этих реакций вырабатывается двигателем и создает тягу. Используя этот тип двигательной установки, космический корабль может добраться до Марса всего за три месяца. Обычным ракетам понадобится по меньшей мере семь.

В этой статье вы узнаете, что такое синтез и что делает NASA для того, чтобы корабли с такими двигателями стали реальностью.

Что такое синтез?

Мы и наша планета во многом зависим от миллионов ядерных реакций синтеза, которые каждую секунду происходят внутри ядра Солнца. Без этих реакций у нас бы не было ни света, ни тепла, и, вероятнее всего, жизни. Термоядерный синтез происходит, когда два атома водорода сталкиваются и создают больший атом гелия-4, который испускает энергию в процессе этого.

Вот как происходит эта реакция:

Два протона в совокупности образуют атом дейтерия, позитрон и нейтрино.
Протон и атом дейтерия создают атом гелия-3 (два протона и один нейтрон) и гамма-луч.
Два гелий-3 атома в совокупности образуют атом гелия-4 (два протона и два нейтрона) и два протона.

Синтез может происходить только в условиях крайне горячей среды, температура которой измеряется миллионами градусов. Звезды, состоящие из плазмы, представляют собой единственные природные объекты, достаточно горячие для создания реакции термоядерного синтеза. Плазма, которую часто называют четвертым состоянием вещества, представляет собой ионизированный газ, состоящий из атомов, лишенных некоторой части электронов. Реакция синтеза отвечает за создание 85 % энергии Солнца.

Высокий уровень тепла, необходимый для создания этого типа плазмы, приводит к тому, что ее нельзя заключить в контейнер из любого, известного нам вещества. Тем не менее, плазма хорошо проводит электричество, что позволяет удерживать, управлять и ускорять ее с помощью магнитного поля. Именно это легло в основу космического корабля с двигателем на основе синтеза, который NASA хочет построить в течение ближайших 25 лет. Давайте рассмотрим конкретные проекты двигателей на основе термоядерного синтеза.

Полет на энергии синтеза

Реакция термоядерного синтеза высвобождает огромное количество энергии, именно поэтому исследователи всячески пытаются приспособить ее к двигательной системе. Корабль на энергии синтеза мог бы серьезно вывести вперед NASA в гонке за Марс. Этот тип корабля может сократить время пребывания в пути на Марс более чем на 50 %, тем самым уменьшив вредные воздействия радиации и невесомости.

Строительство космического аппарата, летящего на энергии термоядерного синтеза, будет эквивалентно разработке автомобиля на Земле, который может ехать в два раза быстрее любого другого. В ракетостроении эффективность использования топлива ракетным двигателем измеряется его удельным импульсом. Удельный импульс означает единицу тяги на единицу пропеллента, потребляемого в течение времени.

Двигатель на синтезе может обладать удельным импульсом в 300 раз большим, чем обычные химические двигатели. Обычный химический ракетный двигатель обладает импульсом примерно 1300 секунд, что означает следующее: двигатель выдает 1 килограмм тяги на 1 килограмм топлива за 1300 секунд. Ракета на синтезе может обладать импульсом в 500 000 секунд. Кроме того, ракета на синтезе будет использовать водород как топливо, а значит, сможет пополняться при прохождении через космическое пространство. Водород присутствует в атмосфере многих планет, так что все, что будет нужно космическому аппарату для заправки, это погружение в атмосферу и набор топлива.

Ракеты на синтезе могут обеспечить более длительную тягу, в отличие от химических ракет, топливо которых быстро выгорает. Считается, что движение на синтезе позволит быстро добраться в любую точку Солнечной системы и за два года осуществить поездку на Юпитер и обратно. Давайте рассмотри два текущих проекта NASA по созданию движения на синтезе.

Магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом (VASIMR)

VASIMR представляет собой плазменную ракету, которая является предшественником ракет на термоядерном синтезе. Но поскольку ракеты на синтезе будут использовать плазму, исследователи многое узнают об этом типе ракеты. Двигатель VASIMR прекрасен тем, что создает плазму в экстремально горячих условиях, а после выталкивает, создавая тягу. Есть три основных типа ячеек в двигателе VASIMR.

Передняя ячейка — пропеллент, обычно водород, вводится в ячейку и ионизируется, чтобы создать плазму.
Центральная ячейка — ячейка действует как усилитель для дальнейшего нагрева плазмы электромагнитной энергией. Радиоволнами добавляют энергии плазме, как в микроволновой печи.
Кормовая ячейка — магнитное сопло преобразует энергию плазмы в струю выхлопных газов. Магнитное поле используется для выброса плазмы и защищает космический корабль, чтобы плазма не коснулась оболочки. Плазма уничтожила бы любой материал, с которым вступила бы в контакт. Температура плазмы в сопле составляет 100 миллионов градусов Цельсия. Это в 25 000 раз горячее, чем температура газа, который выбрасывается из космического шаттла.

Во время миссии на Марс двигатель VASIMR постоянно бы разгонялся в течение первой половины путешествия, а после изменил бы направление и замедлялся бы вторую половину. Ракету на переменной плазме можно также использовать для позиционирования спутников на орбите Земли.

Движение на термоядерном синтезе с динамическим газовым зеркалом

Одновременно с VASIMR разрабатывается и система движения на синтезе с динамическим газовым зеркалом (GDM). В этом двигателе длинные тонкие мотки проволоки с током действуют как магнит, окружая вакуумную камеру, содержащую плазму. Плазма находится в ловушке магнитного поля, создаваемого центральной секцией системы. В каждом конце двигателя находятся зеркальные магниты, которые препятствуют слишком быстрому выбросу плазмы из двигателя. Разумеется, часть плазмы должна просачиваться и обеспечивать тягу.

Как правило, плазма неустойчива и ее сложно удержать, поэтому первые машины с таким механизмом давались очень сложно. Динамическое газовое зеркало позволяет избежать проблем неустойчивости, потому что построено длинным и тонким, поэтому магнитные линии выстраиваются по всей длине системы. Нестабильность контролируется тем, что позволяет определенному количеству плазмы протекать через узкую часть зеркала.

В 1998 году в рамках эксперимента было продемонстрировано, как GDM производит плазму в процессе работы системы впрыска плазмы, которая работает аналогично передней ячейке VASIMR. Она вводит газ в GDM и нагревает его микроволновой антенной, работающей на частоте 2,45 ГГц. Этот эксперимент проводится для подтверждения обоснованности концепции GDM. Исследователи также разрабатывают полноразмерную систему двигателя с этим механизмом.

Хотя многие передовые концепции двигателей NASA еще далеки от реализации, основа для двигателя на энергии синтеза уже заложена. Когда станут доступны другие технологии, которые сделают путешествие на Марс возможным, корабль с энергией синтеза придется как нельзя кстати. В середине 21 века поездки на Марс могут стать такой же рутиной, как и отправка еды на МКС.

hi-news.ru

термоядерный космический двигатель - патент РФ 2171914

Двигатель предназначен для использования в космической технике. Термоядерный космический двигатель использует энергию термоядерного синтеза и представляет собой сочетание микротермоядерного реактора с электрогенератором постоянного тока и содержит бак с жидким водородом, центральный и ионный каналы, окруженные соленоидными катушками, кольцевидные катод и анод зоны ускорения, заканчивающейся тяговым соплом. Изобретение позволяет развивать скорость в космическом пространстве до 2

термоядерный космический двигатель, патент № 2171914

108 м/с. 1 ил. Термоядерный космический двигатель относится к космонавтике. Предназначен для космических кораблей, развивающих скорость более 2

108 м/сек. Прототипом является ядерный ракетный двигатель, содержащий корпус, бак с жидким водородом, насос, зону нагрева и турбину с центральным каналом, заканчивающимся зоной ускорения с электрическими ракетными двигателями, включающими анод с катодом и ядерный реактор /см. У.Р.Корлис Ракетные двигатели для космических кораблей. Изд. иностр. литературы. 1962 г., стр. 322 и 323/. Реакция распада ядер создает в 84,5 раза меньше термоядерной энергии. Кроме того, ядерный реактор образует большое количество радиоактивных отходов, которые являются балластом для космических кораблей, не содержит электрогенератора постоянного тока. На чертеже изображен продольный разрез термоядерного двигателя. Арабскими цифрами обозначены детали на чертеже. Корпус 1. Рубашка 2 вокруг центрального канала. Нагревает водород и охлаждает соленоидную катушку 3, окружающую центральный канал, и защищает реактор. Трубка для ядерного топлива 4. В качестве ядерного топлива могут быть литий-6 и оружейный уран и плутоний, которые при облучении медленными нейтронами создают энергию для термоядерного синтеза дейтерия с тритием. Насос 5 закачивает ядерное топливо в нейтронный облучатель 6, облучающий медленными нейтронами ядерное топливо. Замедлитель нейтронов 7 из оксида бериллия замедляет нейтроны. Карбид плутония 8 излучает нейтроны. Отражатель нейтронов 9 отражает нейтроны. Трубка с тритием 10. Насос 11 закачивает тритий в центральный канал. Дейтериевая трубка 12 через насос 13 соединена с центральным каналом 14. Зона ускорения 15 содержит кольцевидные катод 16 и анод 17 и окружена соленоидной катушкой, создающей в зоне ускорения асимметричное магнитное поле. Под действием силы Ампера плазма ускоряется в зоне ускорения, выходя из сопла 18 создает тяговую силу. Водородная секция 19 имеет форму полого тороидального кольца, заполненного водородом. Электродами через электропроводники соединена с электродами кислородной секции. Никелевый анод 20 электропроводником соединен с медным катодом 25 кислородной секции. Водород через электропроводник отдает электроны кислороду с окислением водорода и образованием ионов водорода и кислорода, обладающих зарядом. Никелевый анод через электропроводник, твердый электролит 21 соединен с медным катодом 22, соединенным электропроводником с кольцевидным анодом 15. Водородная камера 23. Кислородная секция 24 имеет форму полого тороидального кольца, заполненного кислородом. Электродами через электропроводники соединена с электродами водородной секции двигателем и водородной трубой. Медный катод 25 электродом через электропроводник соединен с никелевым анодом 20 водородной секции. Водород через электропроводник отдает электроны кислороду с окислением водорода, с образованием ионов водорода и кислорода, обладающих зарядом. Медный катод через твердый электролит 26 соединен с никелевым анодом 27, соединенным электропроводниками с соленоидной катушкой 3 и кольцевидным катодом 17. Кислородная камера 28. Медный катод 29 через электропроводник соединен с никелевым анодом 36 и соленодной катушкой 37 водородной трубы. Водород через электропроводник отдает электроны кислороду с окислением водорода и образованием ионов водорода и кислорода, обладающих зарядом. Медный катод через твердый электролит 30 соединен с никелевым анодом 31, соединен электропроводником с соленоидной катушкой 37 никелевым анодом 40 водородной трубы. Кислородная камера 32. Бак с жидким водородом 33, соединенный с трубкой для водорода 34, содержащей центробежный насос 35 и никелевый анод 36, соединенный электропроводником с медным катодом 29 кислородной секции. Водород отдает электроны кислороду с окислением водорода и образованием ионов водорода и кислорода, обладающих зарядом. Ионы водорода движутся по центральному каналу 38, окруженному соленоидной катушкой 37, создающей асимметричное магнитное поле. Ионы водорода ускоряются под действием силы Ампера. Карбид радиоактивного стронция 39 усиливает ионизацию водорода. Медный катод через электропроводник соединен с никелевым анодом 31 кислородной секции. Ионы кислорода через электропроводник возвращают электроны ионам водорода с восстановлением водорода. Ускоренный водород проходит в рубашку 2 двигателя, охлаждая соленоидную катушку и нагревается. Далее проходит в центральный канал, в котором водород превращается в плазму под действием термоядерной энергии и проходит в зону ускорения 15, окруженную соленоидной катушкой, создающей асимметричное магнитное поле. Плазма ускоряется под действием силы Ампера и выходит из сопла 18, создающего тяговую силу. Термоядерная энергия в 84,5 раза больше энергии ядерного распада. При распаде ядер образуется большое количество радиоактивных отходов. Электрический ракетный двигатель развивает скорость до 1 термоядерный космический двигатель, патент № 2171914

105 м/сек. Термоядерный ракетный двигатель до 3

107 м/сек. Данный двигатель развивает скорость более 2

108 м/сек с высоким коэффициентом полезного действия.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Термоядерный космический двигатель, содержащий бак с жидким водородом, соединенный через насос, зону нагрева с центральным каналом, заканчивающимся зоной ускорения с электрическим ракетным двигателем, включающим кольцевидные катод и анод и ядерный реактор, отличающийся тем, что ядерный реактор выполнен в виде микротермоядерного реактора с соленоидной катушкой, соединенного с дейтериевой трубкой и тритиевой трубкой с тритием и через нейтронный облучатель, включающий отражатель нейтронов, - с трубкой ядерного топлива, которая может содержать литий-6, оружейные уран и плутоний, причем выход микротермоядерного реактора соединен с центральным каналом, окруженным соленоидной катушкой, креме того, никелевый анод водородной трубы с соленоидной катушкой, окружающей ионный канал, соединены с электрогенератором постоянного тока, который электропроводниками соединен с соленоидной катушкой, окружающей центральный канал и зону ускорения с кольцевидными катодом и анодом, и заканчивается тяговым соплом.

www.freepatent.ru

Термоядерный ракетный двигатель

ХЗ зачем, но блин как круто звучит)))

Термоядерный ракетный двигатель (ТЯРД) — перспективный ракетный двигатель для космических полётов, в котором для создания тяги предполагается использовать истечение продуктов управляемой термоядерной реакции или рабочего тела нагретого за счёт энергии термоядерной реакции.

Принцип работы и устройство ТЯРД

В настоящее время предложены 2 варианта конструкции ТЯРД :[править]ТЯРД на основе термоядерного реактора с магнитным удержанием плазмы

Следует отметить возможность «многорежимной» работы ТЯРД. Путем впрыска в струю плазменного факела относительно холодного вещества можно резко повысить общую тягу двигателя (за счет снижения удельного импульса), что позволит кораблю с ТЯРД эффективно маневрировать в гравитационных полях массивных небесных тел, например больших планет, где зачастую требуется большая общая тяга двигателя. По общим оценкам, ТЯРД такой схемы может развивать тягу от нескольких килограмм вплоть до десятков тонн при удельном импульсе от 10 000 с до 4 млн с. Для сравнения, показатель удельного импульса наиболее совершенных химических ракетных двигателей — порядка 450 с.

[править]ТЯРД на основе систем инерционного синтеза (импульсный термоядерный реактор)

Двигатель второго типа — инерциальный импульсный термоядерный двигатель. В таком реакторе управляемая термоядерная реакция проходит в импульсном режиме (доли мкс с частотой 1-10Гц), при периодическом обжатии и разогреве микромишеней, содержащих термоядерное топливо. Первоначально предполагалось использовать лазерно-термоядерный двигатель (ЛТЯРД). Такой ЛТЯРД предлагался, в частности, для межзвёздного автоматического зонда в проекте «Дедал». Главной его частью является реактор, работающий в импульсном режиме. В сферическую камеру реактора подаётся термоядерное топливо (например, дейтерий и тритий) в виде мишеней — сложной конструкции сфер из смеси замороженных топливных компонентов в оболочке диаметром несколько миллиметров. На внешней части камеры находятся мощные — порядка сотен тераватт — лазеры, наносекундный импульс излучения которых через оптически прозрачные окна в стенах камеры попадает на мишень. При этом на поверхности мишени мгновенно создается температура более 100 млн градусов при давлении порядка миллиона атмосфер — условия, достаточные для начала термоядерной реакции. Происходит термоядерный микровзрыв мощностью в несколько сотен килограмм в тротиловом эквиваленте. Частота таких взрывов в камере в проекте «Дедал» — порядка 250 в секунду, что требовало подачи топливных мишеней со скоростью более 10км/сек при помощи ЭМ-пушки. Расширяющаяся плазма вытекает из открытой части камеры реактора через сопло соответствующей конструкции, создавая реактивную тягу. В настоящее время уже теоретически и практически доказано, что лазерный метод обжатия/разогрева микромишеней является тупиковым — в том числе практически невозможно построить лазеры такой мощности с достаточным ресурсом. Поэтому в настоящее время для инерциального синтеза рассматривается вариант с ионно-пучковым обжатием/нагревом микромишеней, как более эффективный, компактный и с гораздо большим ресурсом.

И тем не менее, есть мнение, что ТЯРД на инерциально-импульсном принципе слишком громоздок из-за очень больших циркулирующих в нем мощностей, при худшем, чем у ТЯРД с магнитным удержанием, удельном импульсе и тяге, что вызвано импульсно-периодическим типом его действия. Идеологически к ТЯРД на инерциально-импульсном принципе примыкают взрыволеты на термоядерных зарядах типа проекта «Орион».[править]Типы реакций и термоядерное топливо

2H + 3H = 4He + n при энергетическом выходе 17,6 МэВ

Такая реакция наиболее легко осуществима с точки зрения современных технологий, даёт значительный выход энергии, топливные компоненты дёшевы. Недостаток её — весьма большой выход нежелательной (и бесполезной для создания тяги) нейтронной радиации, уносящей большую часть мощности реакции и резко снижающей КПД двигателя. Тритий радиоактивен, период его полураспада — около 12 лет, то есть его долговременное хранение невозможно. В то же время, возможно окружить дейтериево-тритиевый реактор оболочкой, содержащий литий: последний, облучаясь нейтронным потоком, превращается в тритий, что в известной степени замыкает топливный цикл, поскольку реактор работает в режиме размножителя (бридера). Таким образом, топливом для D-T- реактора фактически служат дейтерий и литий.[править]Реакция дейтерий + гелий-3

2H + 3He = 4He + p. при энергетическом выходе 18,3 МэВ

Условия её достижения значительно сложнее. Гелий-3, кроме того, является редким и чрезвычайно дорогим изотопом. В промышленных масштабах на настоящее время не производится. Хотя энергетический выход реакции D-T выше, реакция D-3He имеет следующие преимущества:

Сниженный нейтронный поток, реакцию можно отнести к «безнейтронным»,

Меньшая масса радиационной защиты,

Меньшая масса магнитных катушек реактора.

При реакции D-3He в форме нейтронов выделяется всего около 5 % мощности (против 80 % для реакции D-T).Около 20 % выделяется в форме рентгеновского излучения. Вся остальная энергия может быть непосредственно использована для создания реактивной тяги. Таким образом, реакция D-3He намного более перспективна для применения в реакторе ТЯРД.[править]Другие виды реакций

Реакция между ядрами дейтерия (D-D, монотопливо) D + D —> 3 He + n при энергетическом выходе 3,3 МэВ, и

D + D —> T + p+ при энергетическом выходе 4 МэВ. Нейтронный выход в этой реакции весьма значителен.

Возможны и некоторые другие типы реакций:p + 6Li → 4He (1.7 MeV) + 3He (2.3 MeV)3He + 6Li → 2 4He + p + 16.9 MeVp + 11B → 3 4He + 8.7 MeV

Нейтронный выход в указанных выше реакциях отсутствует.

Выбор топлива зависит от многих факторов — его доступность и дешевизна, энергетический выход, лёгкость достижения потребных для реакции термоядерного синтеза условий (в первую очередь, температуры), необходимых конструктивных характеристик реактора и проч. Наиболее перспективны для осуществления ТЯРД т. н. «безнейтронные» реакции, так как порождаемый термоядерным синтезом нейтронный поток (например, в реакции дейтерий-тритий) уносит значительную часть мощности и не может быть использован для создания тяги. Кроме того, нейтронная радиация порождает наведенную радиоактивность в конструкции реактора и корабля, создавая опасность для экипажа. Реакция дейтерий- гелий-3 является перспективной в том числе и по причине отсутствия нейтронного выхода. В настоящее время предложена еще одна концепция ТЯРД — с использованием малых количеств антиматерии в качестве катализатора термоядерной реакции.[править]История, современное состояние и перспективы разработок ТЯРД

Идея создания ТЯРД появилась практически сразу после осуществления первых термоядерных реакций (испытаний термоядерных зарядов). Одной из первых публикаций по теме разработки ТЯРД явилась изданная в 1958 году статья Дж. Росса. В настоящее время ведутся теоретические разработки таких видов двигателей (в частности, на основе лазерного термоядерного синтеза) и в целом — широкие практические исследования в области управляемого термоядерного синтеза. Существуют твёрдые теоретические и инженерные предпосылки для осуществления такого типа двигателя в обозримом будущем. Исходя из расчетных характеристик ТЯРД, такие двигатели смогут обеспечить создание скоростного и эффективного межпланетного транспорта для освоения Солнечной системы. Однако реальные образцы ТЯРД на настоящий момент (2009) ещё не созданы.(с) Вика

7ba.ru