Традиция

Термоядерный ракетный двигатель


Проект космического корабля с ЛТЯРД «Дедалус»

Термоя́дерный раке́тный дви́гатель (ТЯРД) — ракетный двигатель, в котором основным источником энергии являются термоядерные реакции. В настоящее время практически работающий двигатель ещё не создан, и работы над ним представляют теоретические изыскания и эксперименты на мощных исследовательских лазерных установках. Практическое значение этого двигателя крайне велико, так как в настоящее время именно в этом двигателе могут быть достигнуты предельные параметры удельного импульса и тяги на единицу веса.

Нестабильность термоядерной реакцииПравить

 
Протон-протонный цикл (все три цепочки, а также hep- и pep-ветви).

Несмотря на успех в разработке термоядерных зарядов, разработать стабильно функционирующий термоядерный реактор не удастся.

Существует два различных типа термоядерных реакций. В звёздах в течении 90% времени их существования в основном происходит так называемый протонно-протонный цикл (за исключением небольшой части очень массивных звёзд). На заключительной стадии в звезде происходит неустойчивое выгорание гелия, углерода, неона, кислорода, кремния и железа без участия нейтронов, стабильное функционирование звезды прекращается. Наступает стадия цефеиды или — пульсаций.

В термоядерных реакторах изначально предполагают использование без протонного топлива. Т.е., заведомо импульсного реактора и теплообменника! Это практически не реально в условиях космоса. Другие проблемы термоядерных реакторов изложены в книге Априорная теория всего.

История работ по ЛТСПравить

История термоядерного ракетного двигателя берёт своё начало с середины XX столетия, с того времени когда человечество овладело управляемой ядерной реакцией деления и получило возможность выделять термоядерную энергию в ходе мощных взрывов с использованием атомной бомбы в качестве источника тепла. Кроме того в тот период времени были открыты способы генерации лазерного излучения и было установленно что при фокусировке лазерного луча в его фокусе температуры достигают уровня необходимого для инициирования термоядерных реакций (миллионы К). В ходе исследований было установленно что для наиболее приемлемого к использованию в ЛТЯРД способа контролируемого проведения термоядерных реакций, пригоден лазерный термоядерный синтез (ЛТС). В США и СССР со второй половины 50-х годов и по сегодняшний день в связи с перспективностью ЛТС идёт создание всё более мощных лазерных комплексов, и изучение термоядерных реакций в фокусе лазерного сжатия и нагрева специальных топливных мишеней содержащих смесь дейтерия с тритием. Помимо лазерного сжатия, также проводились и проводятся эксперименты по сжатию и нагреву термоядерных мишеней с помощью сфокусированных электронных и ионных пучков. Последние более выгодны для нагрева вещества до термоядерных температур ввиду более высокого КПД преобразования энергии, но имеют крупный недостаток — большую расходимость и рассеяние энергии в плазме. Именно лазерный нагрев считается поэтому наиболее приемлимым для создания практически работающих реакторов и двигателей на основе инерциального синтеза.

Работы в СССР:

В 1968 году в СССР (ФИАН) была создана первая мощная лазерная установка для экспериментов по сжатию дейтерида лития (П. Г. Крюков, С. Д. Захаров, Ю. В. Сенатский), а в 1971 году в ФИАНе была создана ещё более мощная установка для сферического лазерного облучения топливных мишеней «Кальмар». В 1980 году в ФИАНе была запущена самая мощная в мире установка для сферического лазерно сжатия «Дельфин» на которой была показана принципиальная практическая осуществимость ЛТС с положительным выходом. Помимо этих установок также были созданы установки для экспериментов по УЛТС: «Сокол», «Прогресс», «Мишень», «Искра», «ТИР-1», «Перун» (совместно с Чехословакией). В дальнейшем была создана крупнейшая лазерная установка в мире «Искра-5», и в настоящее время создаётся мощнейшая в мире установка «Искра-6», мощность которой достаточно велика для создания практического лазерного термоядерного реактора или двигателя для космических полётов. В этом направлении достигнуты весьма значительные успехи, и на сегодняшний день ЛТЯРД может быть создан, хотя стоимость его будет очень высока (свыше 1 млрд.долл) по оценке американских специалистов.

Работы в США:

В Соединённых Штатах Америки работы по ЛТС и возможности создания ТЯРД начались практически сразу после положительных результатов экспериментов полученных на лазерных установках в Советском Союзе. В середине 60-х г.г фирма «Аэроджет-дженерал нуклеоникс» по контракту с ВВС США начала исследования под руководством доктора Джона Льюиса по осуществлению управляемой термоядерной реакции. Конечной целью этих исследований было обеспечение условий протекания самоподдерживающейся термоядерной реакции для получения энергии и ее использования в ракетных двигателях. Термоядерная реакция в этих случаях должна происходить в стационарных условиях, включая протекание ядерной реакции в «камере сгорания» термоядерного ракетного двигателя. Такой переход от внешнего цикла действия, как в случае импульсного ЯРД, к внутреннему циклу без упомянутых выше ограничений достижимого удельного импульса оказался возможен благодаря повышению температуры реакции приблизительно до 100 млн К. При такой температуре газ превращается в полностью ионизированную электропроводную плазму, которая может быть удержана магнитным полем в заданном пространстве. При значительном финансировании и поддержке правительства были созданы мощные установки: в 70-е годы «Янус», «Аргус», в дальнейшем «Шива», «Гелиос», при Рочестерском университете установка «OMEGA», и в апреле 1985 года в Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса установка «NOVA». Также были созданы установки «Антарес», «Аврора» при Лос-Аламосской лаборатории которые вплотную приблизились к порогу положительного выхода энергии термоядерных реакций. В настоящее время в США строится новая мощная установка «NIF».

Работы в других странах:

Эксперименты и создания установок ЛТС проводились и проводятся в Германии «Астерикс», Японии по программе «KONGO» установки «LЕККО-VIII» и «GЕККО ХП», Франции «PHEBUS» и ряде других стран, но ощутимого успеха и оправданных практических результатов на сегодняшний день они не получили.

Основные теоретические характеристики двигателяПравить

Использование тепловой энергии термоядерных реакций позволяет реализовать предельные возможности внутриядерной энергии в достижении максимальных характеристик ракетного двигателя по удельному импульсу и тяге. Так например при подсчёте энергии выделяющейся при образовании 1 кг гелия в ходе термоядерных реакций оказывается что она эквивалентна 60 300 тонн обычного ракетного топлива смеси керосина с кислородом, и в 7,1 раза больше чем деление 1 кг урана-235 (экв 8500 т керосино-кислородной смеси, экв 6161 тонн кислородно-водородной смеси). Скорости разлёта термоядерной плазмы достигают значения 25 000 — 30 000 км/сек, и соответственно достижимый в термоядерном двигателе удельный импульс примерно равен 2 500 000 — 3 000 000 сек.

Устройство и принцип работы ЛТЯРДПравить

Условия практического осуществления:

Практическое осуществление такого ЛТЯРД возможно при удовлетворении трех основных требований:

  1. Получение плазмы в процессе устойчивой самоподдерживающейся ядерной реакции, при которой лишь незначительная доля энергии всей системы выделяется в виде нейтронов.
  2. Создание сверхсильного магнитного поля соответствующей конфигурации, позволяющей обеспечить условия устойчивой самоподдерживающейся реакции, и удержания плазмы в заданном ограниченном объёме камеры сгорания двигателя.
  3. Конструктивная разработка устройства с минимальными весовыми характеристиками, обеспечивающего получение и стабилизацию сверхмощного магнитного поля для удержания высокотемпературной плазмы; требование «минимальных весовых характеристик» подразумевает также и требование низких расходных мощностей на поддержание и инициирование термоядерных реакций.
 
Принципиальная схема Лазерного термоядерного ракетного двигателя: (1- подвод энергии к лазеру, 2- ввод облучённого лития-6 с наработанным тритием, 3- подвод энергии к холодильной станции, 4- подвод энергии, трития, дейтерия, и вспомогательных веществ к фабрике мишеней, 5- криогенная холодильная станция, 6- лазер, 7- сепаратор-отделитель трития от облучённого лития-6, 8- фабрика мишеней, 9-электромагнитная пушка для введения мишеней, 10- корпусные сверхпроводящие электромагниты, 11- волноводы лазерного излучения,12- сопловая фокусирующая электромагнитная система,13- криогенная система охлаждения электромагнитов,14- продукты реакций (поток заряженных частиц и излучения),15- отражатель нейтронов,16- вторичный охлаждающий контур,17- охлаждающе-регенерационный контур с литием-6,18- сфокусированный лазерный луч, 19- лазерное окно, 20- термоядерный микровзрыв, 21- сверхпроводящие обмотки электромагнитной системы, 22- летящие в эпицентр мишени)
 
Конфигурация магнитных полей в ЛТЯРД

Принцип работы двигателя:

Принцип работы ЛТЯРД достаточно прост. В центр рабочей полости двигателя, посредством электромагнитной пушки подаются сферические лазерные термоядерные мишени наполненные смесью дейтерия с тритием, и оказавшись в эпицентре полости они облучаются со всех сторон мощным импульсным лазерным излучением. При мощном сжатии мишень разогревается свыше 100—1000 млн К и в ней происходит быстрая термоядерная реакция (термоядерный микровзрыв). Продукты реакций — гелий, остатки оболочки мишени, и непрореагировавший дейтерий и тритий, рентгеновское излучение, разлетаются во все стороны, но так как в камере двигателя создано сверхсильное магнитное поле сферической конфигурации, а в сопле продольное магнитное поле, то образующийся поток сверхгорячих газов не соприкасаясь со стенками полости вытекает в наружное пространство (в космос). Таким образом в конструкции двигателя обеспечивается управление потоком газов и выбрасывание их в определённом направлении (через сопло). Для возможности регулирования тяги в конструкции двигателя предусматривается форсажная камера (на рисунке не показана) в которую вводится дополнительное количество рабочего тела (водород).

Устройство двигателя:

Лазерный термоядерный двигатель является очень сложным сооружением, выполняемым с наиболее высокой степенью точности сборки, и применением нескольких взаимозависимых систем для обеспечения работы этого двигателя. В целом он состоит из следующих основных систем:

  • Система равномерного лазерного облучения сферических топливных мишеней с регулировкой частоты.
  • Система подачи мишеней синхронно с лазерными импульсами и регулируемой частотой
  • Сверхпроводящая система магнитного удержания и направления продуктов термоядерных реакций.
  • Система регенерации трития (облучение лития-6, сепарация и концентрирование трития).
  • Фабрика мишеней (быстрое производство сферических мишеней с термоядерной смесью).
  • Криогенная система охлаждения.
  • Система охлаждения корпуса и стенок двигателя и выработки электроэнергии.

Помимо основных систем обеспечивающих равномерную работу двигателя, также имеются такие системы как:

  • Система аккумулирования электроэнергии.
  • Система контроля (общий контроль всех взаимоувязанных систем двигателя).
  • Система хранения и подачи компонентов топлива (баки, насосы, клапана, датчики, трубопроводы и проч).
  • Система радиационной защиты от рентгеновского, нейтронного и гамма-излучения работающего двигателя, или наведённой радиации.

Топливо. Термоядерные реакции. МишениПравить

 
Термоядерная мишень (1- оболочка, 2- сжатое горючее, 3- волна термоядерного горения)

Простая термоядерная мишень используемая в ЛТЯРД представляет собой правильную полую сферу изготовляемую с высочайшей степенью точности, и состоящую из двух частей: тонкую полую сферу (баллон, оболочку) из боросиликатного стекла и топливную смесь заполняющую оболочку. Мишень может иметь и более сложную структуру (многослойную) в зависимости от планируемой скорости термоядерных реакций и их направления. В простейшем случае полая оболочка заполняется смесью дейтерия с тритием в жидком виде, или газообразном с дальнейшим намораживанием смеси на стенку оболочки. Принципиально применение мишени достаточно простое: мишень выстреливается с большой скоростью в центр камеры двигателя, где обжимается со всех сторон действием импульса лазерных лучей. При импульсном сжатии достигаются необходимые условия для нормального протекания термоядерной реакции (критерий Лоусона). Размеры мишеней могут варьироваться в зависимости от планируемого режима работы двигателя (реактора), и его расчётной мощности.

Некоторые наиболее предпочтительные реакции синтеза для обеспечения термоядерных двигателей энергией:
Термоядерная реакция Энергия, Мэв Энергия, ккал/кг Плотность топл, г/см3 Эквивалент (H2+O2), тонн/кг Температура синтеза, °К Удельный импульс, сек
D + D = T + p + 4,0 Мэв ~ 2,306•1010 ~ 7 439 тонн ~ 108
D + D = ³He + n + 3,25 Мэв ~ 1,874•1010 ~ 6 045 тонн ~ 108
³He + D = 4He + p + 18,3 Мэв ~ 8,442•1010 ~ 27 232 тонн ~ 108
D + T = 4He + n + 17,6 Мэв ~ 8,112•1010 ~ 26 167 тонн ~ 108
p + 11B = 34He + 8,7 Мэв ~ 1,672•1010 ~ 5 394 тонн ~ 109
p + 6Li = 4He + ³He + 4 Мэв ~ 1,318•1010 ~ 4 252 тонн ~ 109
p + 9B = 4He + 6Li + 2,1 Мэв ~ 0,484•1010 ~ 1 562 тонн ~ 109
p + 9Be = D + 7Li + 0,6 Мэв ~ 0,154•1010 ~ 497 тонн ~ 109
D + 6Li = 24He + 22,3 Мэв ~ 6,43•1010 ~ 20 742 тонн ~ 109
D + 6Li = p + 7Li + 5 Мэв ~ 1,441•1010 ~ 4 648 тонн ~ 109
D + 6Li = T + 5Li + 0,6 Мэв ~ 0,173•1010 ~ 558 тонн ~ 109
p + 7Li = 24He + ~ 0,4•1010 ~ 1 290 тонн ~ 109

(Примечание: Энергия деления 1 кг 235U равна ~ 1,91•1010 ккал)

Преимущества перед ядерными двигателями на основе реакций деленияПравить

Сравнительные расходы масс топлива ядерных и термоядерных двигателей при полётах к объектам Солнечной системы
Цель полёта (Планета) Отношение начальной и конечной массы ракеты (М0/М)
Движитель на основе реакций деления Термоядерный двигатель на основе ЛТС
Луна 1,4 1,02
Венера 6 1,17
Марс 5 1,15
Меркурий 42 1,37

Основные недостаткиПравить

Основными недостатками ЛТЯРД могут являться:

  • Мощное нейтронное излучение (в зависимости от типа применяемого топлива).
  • Испарение внутренней поверхности реакционной камеры двигателя за счёт интенсивного нагрева рентгеновским излучением.
  • Деградация во времени поверхностей (линз, зеркал) лазерной оптики за счёт «запыливания» продуктами термоядерных реакций, и воздействия рентгеновского и корпускулярного излучений.
  • Чувствительность точной оптики и электромагнитной системы к резким ускорениям большой величины (разгон двигателя должен быть плавным, с плавным выходом на необходимый уровень мощности).
  • Особо высокие требования к чистоте и качеству термоядерных мишеней.
  • Высокий уровень капиталовложений в конструкцию двигателя и связанных систем обеспечения.

Основной комплекс базовых задач выполняемый с помощью ЛТЯРДПравить

Полёты в Солнечной системеПравить

Использование термоядерных двигателей позволяет резко сократить сроки доставки научного оборудования или экипажей к любым планетам Солнечной системы, и в значительной степени ускорить изучение её объектов. Громадный энергозапас термоядерного топлива позволяет более гибко производить маневрирование, легко изменять курс космического корабля и выполнять важные полёты за короткий срок (доставка вооружений, спасение экипажей в глубоком космосе и др).

Грузоперевозки в Солнечной системеПравить

Значительные скорости и тяги ЛТЯРД позволяют наладить межпланетные грузопотоки. В частности доставку добываемых руд и минералов к Земле, Луне, Марсу, буксировку ледяных астероидов для терраформирования планет, корректировку орбит опасных астероидов и др.

Задачи военного характераПравить

Скорость обеспечиваемая ракете с помощью ЛТЯРД позволяет осуществлять быструю доставку необходимых вооружений в пределах Солнечной системы, а так же выполнять второстепенные военные задачи (охрана, патрулирование, снабжение военных объектов).

Межзвёздные полёты автоматических зондовПравить

Термоядерный ракетный двигатель — единственное известное науке на сегодняшний день средство позволяющее ускорять космические аппараты до скоростей меньших но близких к скорости света, и соответственно позволяющее обеспечить разгон межзвёздных зондов. Простые расчёты проведённые в США и СССР показали что при соответствующей концентрации экономических усилий и научно-производственного потенциала уже в наше время осуществление межзвёздного перелёта научно-исследовательской станции небольшой массы (до 1 тонны) возможно практически, и за приемлемый срок (50-70 лет).

См. такжеПравить

СсылкиПравить

ЛитератураПравить

Источник — https://traditio.wiki/w/index.php?title=Термоядерный_ракетный_двигатель&oldid=868762