Боцманок Владислав Альбертович: другие произведения.

Уран 238 и межпланетные полёты.

Журнал "Самиздат": [Регистрация] [Найти] [Рейтинги] [Обсуждения] [Новинки] [Обзоры] [Помощь]
Peклaмa:
Литературные конкурсы на Litnet. Переходи и читай!
Конкурсы романов на Author.Today

Продавай произведения на
Peклaмa
Оценка: 6.26*8  Ваша оценка:
  • Аннотация:
    Новый подход к созданию планетарного двигателя.Реальнее чем термоядерный на основе ТОКОМАКА, и проще.

  
  
  Уран 238 и космические полёты.
  
  Экспансию человечества в Космос тормозит отсутствие планетарных кораблей - межпланетных крейсеров, предназначенных для перемещения с высокой скоростью между планетами Солнечной системы людей и грузов. Межпланетные крейсеры будут строиться на орбите, как и орбитальные станции, и не предназначены для посадки на планеты. Для посадок и стартов с планет будут использоваться разные челноки. Для реального освоения всей Солнечной системы скорость межпланетных крейсеров должна достигать 5000 км/сек.
  Собственная масса таких кораблей может варьироваться от многих сотен до нескольких тысяч тонн. Что разгонит такую махину до нужных скоростей? Тяга двигателя зависит от удельного импульса, а конкретно от скорости истечения рабочего тела и его расхода по массе. Скорость истечения зависит от нагрева рабочего тела. Конечная скорость корабля - от продолжительности тяги. Положим, что топливо и рабочее тело - обеднённый изотопом 235 уран 238. Уран 238 в качестве рабочего тела вне конкуренции, как самый массивный естественный элемент. Плотность 19,4 г/см3. Это означает, что велик расход по массе при незначительном изменении объёма. Ядерная реакция деления ядер урана 238 сверхбыстрыми /14 МэВ/ нейтронами для нагрева весьма эффективна. Уран 238 есть самая эффективная биологическая защита от жёстких излучений. Запасов обеднённого изотопом 235 урана, как побочного продукта в результате работ промышленности по извлечению изотопа 235, накоплено много более 1000000 тонн.
  Возможны две схемы устройства такого двигателя.
  Естественно, что понадобится дополнительный источник энергии на корабле. Как вариант с максимальной экономией габаритов при сохранении мощности, имеет смысл предусмотреть реактор на накопленных трансурановых элементах. Для справки - критическая масса у некоторых изотопов составляет порядка 6 граммов. Сам двигатель собирается на орбите и там же отлаживается.
  Предлагаемые схемы - это хорошая альтернатива термоядерному двигателю на основе ТОКОМАКА, усердно продвигаемому рядом учёных и специалистов. Покажем, что создание двигателя на уране 238 вполне целесообразно и возможно. Согласно данным физики U 238 действительно будет делиться быстрыми нейтронами с энергией больше 1,4 МэВ. Следуя теории ядерных реакторов, если бы нам удалось создать реактор, заполненный нейтронами с энергиями в пределах 12-14,5 МэВ, то коэффициент размножения в бесконечной среде(без учёта утечки) составил бы в нём
  Kinf = 4,515*1,0567/(1,0567+0,0014) = 4,51.
  Но проблема среды из 238U заключается не в захватах нейтронов. На ядре 238U идёт неупругое рассеяние, характеризующееся огромной потерей энергии нейтронов (фактически, с одного акта нейтрон улетает ниже порога деления). Сечение неупругого рассеяния в рассматриваемой группе равно 0,6509 барнам. Тогда можно переписать Kinf = 4,515*1,0567/(1,0567+0,0014+0,6509) = 2,75.
  С учётом реакции (n,2n) Kinf = 4,515*1,0567/(1,0567+0,0014+0,6509+1,1234) = 1,69.
  Полученный результат пока (!!!) выглядит приемлемым. Следует вспомнить о упругом рассеянии, чьё сечение в рассматриваемом диапазоне равно 2,7656 барн. В этой группе энергий упругое рассеяние не приведёт к немедленному выходу нейтрона за порог деления ,а скорее закончится делением или реакцией (n,2n)/ в этой группе энергий сечение реакции (n,2n) равно 1,1234 барн/, которая .как и деление, переведёт нейтрон в следующую группу энергий (6,5-10,5 МэВ) с удвоением . Там показатели для U 238 хуже:
  Сечение деления 238U = 0,9423 барна.
  Сечение захвата 238U = 0,0056 барна.
  Число нейтронов в акте деления = 3,3499.
  Сечение неупругого рассеяния 238U = 2,000 барна.
  В этой группе Kinf = 3,499*0,9423/(0,9423+0,0056+2,000) = 1,12.
  Но теперь следует вспомнить о упругом рассеянии, чьё сечение в рассматриваемом диапазоне равно 3,5013 барн. Конечно, упругое рассеяние не приведёт к немедленному выходу нейтрона за порог деления, но зато оно почти наверняка переведёт нейтрон в следующую группу энергий (4,0-6,5 МэВ). А там показатели для 238U уже намного хуже:
  Сечение деления 238U = 0,5733 барна.
  Сечение захвата 238U = 0,0107 барна.
  Число нейтронов в акте деления = 3,1036.
  Сечение неупругого рассеяния 238U = 2,5972 барна.
  В этой группе Kinf = 3,1036*0,5733/(0,5733+0,0107+2,5972) = 0,56.
  В расчетах Kinf есть погрешность. Не учтено сечение (n,2n). Оно немного поднимет Kinf в начале, но не решает проблемы. Самоподдерживающейся цепной реакции - СЦР деления нет! Цепная реакция деления затухает по веткам разной длинны.
  Следовательно СЦР в 238 U организовать не удастся!
  А нужно ли это? Обратимся к недавнему прошлому. Энергия комбинированной термоядерной бомбы СЛОЙКА /СССР/ есть на 80% результат деления ядер урана 238 потоком сверхбыстрых нейтронов 14,1 МэВ. В бомбе во время основного взрыва нейтроны на выходе термоядерной реакции дейтерий + тритий имеют энергию порядка 14 ,1 МэВ ,и уран 238 присутствует в виде уплотнённой плазмы. В бомбе СЛОЙКА делятся ядра сжатого урана 238 плотным потоком нейтронов с энергией 14 МэВ. Нет там СЦР! Нам необходимо создать аналогичные условия. Поэтому забудем о СЦР в бесконечной среде урана 238, и рассмотрим задачу о вынужденном делении порций урана 238 потоком сверхбыстрых нейтронов и утилизации выделяющейся при этом энергии
  для реактивного движения. Имеет смысл определение среднего выделения энергии от одного нейтрона с энергией 14,1 МэВ в мишени из урана 238, и параметры среды, где происходит это выделение, а также определение средних затрат энергии на получение такого нейтрона и способов его получения. Ответ на это дают труды 1,2,3 сотрудников института им. Келдыша, исследующих возможность создания электростанции на основе инерционного термоядерного синтеза.
  Из этих работ следует, что имеет смысл говорить о некотором продлении затухающей цепной реакции деления ядер в уране 238 за счёт его быстрого безударного сжатия, и соответствующего увеличения выделения энергии в мишени. Источником сверхбыстрых ( с энергией 14,1 МэВ) нейтронов является термоядерная реакция D + T -> He4 + n, зажигаемая безударно сжимаемой порцией урана 238 в находящейся в центре мишени смеси дейтерия и трития. Само сжатие урана 238 инициирует поток ионов тяжёлых элементов с высокой энергией. Оценим, согласно данным из этих работ, длину цепи реакции деления U238 быстрыми нейтронами, основываясь на данных о спектре деления с учетом сдвига его в быструю область. От одного первичного нейтрона с энергией 14 МэВ получается в среднем 2,4 быстрых нейтрона с энергией около 7 МэВ. Каждый из них порождает в среднем еще 1,5 быстрых нейтрона с энергией около 4,5 МэВ. В свою очередь, эти нейтроны дают еще 1,1 нейтронов с энергией в окрестности пика спектра деления, после чего (в четвертом поколении) количество вторичных нейтронов, способных вызвать деление U238, становится меньше 1 и цепная реакция затухает. С учетом уменьшения сечения деления вблизи порога получается приблизительно 3 поколения нейтронов деления с выделением энергии 170 МэВ (осколки ядра и гамма кванты) на деление. Но не реактор с СЦР нам нужен, а реактивный двигатель с вынужденной ядерной реакцией деления для разогрева рабочего тела - топлива! Возможно также создание двигателя по схеме в работе (2). Драйвер (ускоритель) тяжёлых ионов легко реализуем в космическом пространстве. Замечу, что предлагаемый в работах (2 и 1) драйвер необходим для работы электростанции на 1500 Мега ватт электрической мощности и даёт разовое вложение в мишень порядка 5 мега джоулей при усилении в мишени порядка 60 мега джоулей. Необходимо разработать вопрос возможности пропорционального уменьшения вложенной и полученной энергии с сохранением значения коэффициента усиления, организовать подачу мишеней с пушерами в камеру сгорания и точное позиционирование их там. Это не тривиальные проблемы. Но в целом двигатель получается более простым по конструкции и работающим только в пульсирующем режиме. Однако возрастают расходы на производство топливных мишеней с дейтерий - тритиевыми пушерами в оболочке из урана 238 ,и использование платины или другого тяжёлого элемента для создания потока тяжёлых ионов в драйвере.
  Пояснения для не читавших статью (1):
  1) пушер - заряд дейтерия + трития, окружённый слоем урана 238.
  2)мишень - свинцовый цилиндрик в котором находится пушер.
  3)Драйвер - ускоритель тяжёлых ионов, формирующий пучок ионов цилиндрической формы, создающий в свинцовой оболочке мишени быстрое кумулятивное сжатие. вызывающее термоядерную реакцию дейтерия + трития и последующее деление нейтронами с энергией 14,1 МэВ урана 238. То есть получается взрыв микро аналога водородной бомбы СЛОЙКА.
  Кратко опишем содержание концепции гибридной ядерной двигательной установки, следуя (1). Предполагается, что можно построить мощный ускоритель тяжелых ионов, позволяющий ускорять однозарядные ионы тяжелых металлов до энергии ~ 500 МэВ/на нуклон (100 ГэВ/на ядро). Пучок ионов облучает кольцевой слой (абсорбер) с торца цилиндрической мишени, на оси которой находится термоядерное топливо (эквимолярная смесь DT), окруженное тонкой оболочкой из U-238, работающей одновременно как пушер. Мишени инжектируются в камеру, где происходит микровзрыв, с частотой 2 Гц. Мощность пучка профилируется по времени так, чтобы вложение энергии в абсорбер обеспечило бы безударное сжатие топлива. После необходимого сжатия DT - топливо зажигается и окружающий его слой урана начинает делиться под действием термоядерных нейтронов.
  Численные эксперименты и аналитические оценки показали, что энергетический вклад от деления может превосходить энергию термоядерного синтеза DT-смеси. Под действием термоядерных нейтронов в уране возникает короткая (при достаточно сильном сжатии до трех поколений) цепочка реакций деления, существенно повышается давление и происходит дополнительное сжатие DT-смеси. Это приводит к более полному выгоранию термоядерного топлива, что, в свою очередь, увеличивает выход нейтронов для поддержки реакций деления в активном слое. В зависимости от масс слоев мишени и степени ее сжатия возможна утилизация от 2 % до 18 % урана. Таким образом, реакции синтеза и деления в гибридной мишени усиливают друг друга. Отметим, что, используя в качестве пушера делящиеся вещества, можно достигнуть состояния критичности, что позволит значительно усилить выделение энергии в мишени. По сравнению с лазерным термоядерным синтезом процесс более предсказуем и выгоден по выходу энергии/значительно больше выделенной энергии на затраченную и больше стабильности/,да и конструкция реактора проще. По этому проекту электростанцию строить собираются на Земле. Использование мишени с пушерами в урановой оболочке и драйвера заметно упрощает устройство двигателя межпланетного крейсера.
  Возможна ещё одна схема двигателя межпланетного крейсера:
  1)Генератор сверхбыстрых нейтронов на основе сильноточного ускорителя лёгких ядер с каскадным выходом высокоэнергичного/14 МэВ и более/ потока нейтронов большой плотности. Легко реализовать ускоритель в космическом пространстве!
   2)Лазерный испаритель - уплотнитель рабочего тела на основе мощного непрерывного или импульсного лазера ЛТС.
   3)Электромагнитная камера деления урана 238 под действием потока нейтронов в составе электронных и оптических зеркал и электромагнитного сопла, с системой отражения.
  Выход энергии - непрерывный или пульсирующий в зависимости от режима работы лазера, и соответственно такой же режим работы двигателя. Соответственно приведённым оценкам реакций, их сечениям, энергиям и порогам можно предположить, что давление излучения мощного импульсного лазера будет уплотнять уран 238 вместе с возгонкой и истечением не хуже описанного в (1) драйвера/ускорителя/ тяжёлых ионов и микровзрыва плазмы дейтерия + трития, описанных в работе (1). Получается пульсирующий процесс. как и в работе Орлова (1), причём процесс этот будет ограничен плотностью потока нейтронов , размерами оптимизации среды из урана 238, параметрами импульса лазера и утилизацией выделенной энергии. Построены и работают мощные лазеры для создания лазерного термоядерного синтеза, а требования к их параметрам по уплотнению мишени те же, что и в нашем случае и возможен ЛТС с урановыми пушерами.
  Проблемы: потребуется разработать точное позиционирование мишеней в камере сгорания перед зажиганием реакции термоядерного горения, их хранение или изготовление и подачу. За двигателем в пространстве будет тянуться радиоактивный след продуктов деления ядер урана 238. Этот след быстро исчезнет по причине высокой скорости истечения из двигателя. На первом этапе освоения Солнечной Системы этот двигатель возможно будет оптимальным по стоимости и эффективности. Интересно само устройство камеры сгорания! Это может быть сферическое или параболическое зеркало, в фокусе которого находится мишень из урана 238 , сжимаемая лазерами, расположенными по краям зеркала, и поджигаемая пучком нейтронов ,летящих по центральной оси от генератора. Или наоборот. В любом случае перед оптическим должно быть электронное или электромагнитное зеркало для отражения плазмы. Вместо электронного зеркала можно использовать камеру сгорания- электромагнитную бутылку с горлом - соплом для истечения плазмы. В случае использования ионного драйвера, вместо генератора нейтронов, и пушеров с дейтерием + тритием, зеркала и камера сгорания также необходимы! В работе (1) показано, что максимальное выгорание урана составляет 18%, что происходит при сжатии пушера примерно в 1000 раз по радиусу. Замечу, что выгорание в урановой бомбе составляет чуть больше 5%. В схеме с использованием мощного лазера, учитывая уплотнение урана при возгонке и истечении паров от излучения лазера и давление лазерного луча возможно выгорание до 3%,что тоже немало. Применение ЛТС с урановыми пушерами требует отдельной оценки
  Дальнейшее развитие использование урана 238 получило в работах группы авторов (3) . В работе проводится анализ возможности создания энергетического ядерного реактора для эффективной утилизации U-238 с использованием инерциального термоядерного синтеза на тяжелых ионах. Рассчитываются энергетические параметры установки и предлагается схема очистки теплоносителя первого контура. В этой работе предполагается за счёт гибридной мишени повысить выгорание дейтерий - тритиевой смеси в реакторе электростанции. Подобную схему можно использовать и на межпланетном корабле в качестве судовой электростанции и маршевого двигателя.
  Естественно надо уменьшить мощность и габариты устройства.
  (1) Препринт ИПМ ? 30, Москва, 2004
  Авторы: Орлов Ю.Н.
  Название: Аналитические оценки оптимизации энерговыделения в гибридной микромишени DT-U238.
  (2) Препринт ИПМ ? 41, Москва, 2004
  Авторы: Медин С.А., Орлов Ю.Н., Паршиков А.Н., Суслин В.М.
  Название: Моделирование отклика первой стенки камеры и бланкета реактора ИТС на микровзрыв.
  (3) Препринт ИПМ ? 47, Москва, 2006
  Авторы: Медин С.А., Орлов Ю.Н., Субботин В.И., Шимкевич А.Л.
  Название: Энергетические характеристики гибридной ЯЭУ на основе тяжелоионного термоядерного синтеза
  
  
Оценка: 6.26*8  Ваша оценка:

Популярное на LitNet.com Л.Джейн "Чертоги разума. Книга 1. Изгнанник "(Антиутопия) Д.Маш "Золушка и демон"(Любовное фэнтези) Д.Дэвлин, "Особенности содержания небожителей"(Уся (Wuxia)) Д.Сугралинов "Дисгардиум 2. Инициал Спящих"(ЛитРПГ) А.Чарская "В плену его демонов"(Боевое фэнтези) М.Атаманов "Искажающие Реальность-7"(ЛитРПГ) А.Завадская "Архи-Vr"(Киберпанк) Н.Любимка "Черный феникс. Академия Хилт"(Любовное фэнтези) К.Федоров "Имперское наследство. Забытый осколок"(Боевая фантастика) В.Свободина "Эра андроидов"(Научная фантастика)
Связаться с программистом сайта.

Новые книги авторов СИ, вышедшие из печати:
Э.Бланк "Колечко для наследницы", Т.Пикулина, С.Пикулина "Семь миров.Импульс", С.Лысак "Наследник Барбароссы"

Как попасть в этoт список
Сайт - "Художники" .. || .. Доска об'явлений "Книги"