Доступная термоядерная энергия.Какие виды термоядерных реакторов и двигателей могут быть созданы в металле?
И ежу понятно,что токамак-тупик.Самоподдерживаемая чистая термоядерная реакция в земных условиях невозможна,поэтому остановимся на гибридных схемах с дополнительной подпиткой термоядерной реакции.
1. Гибридный реактор на основе плазменной открытой ловушки.
Это ториевый гибридный реактор, в котором в качестве источника дополнительных нейтронов используется высокотемпературная плазма, удерживаемая в длинной магнитной ловушке. Среди преимуществ такого гибридного реактора по сравнению с используемыми сейчас ядерными реакторами можно отметить умеренную мощность, относительно небольшие размеры, высокую безопасность при эксплуатации и малый уровень радиоактивных отходов.
Для получения энергии гибридные ядерно-термоядерные реакторы используют одновременно реакции деления тяжелых ядер и синтеза легких, поэтому можно ожидать, что такие установки усилят положительные особенности и нивелируют недостатки, присущие энергетике на основе раздельного использования этих ядерных реакций. Для эффективного использования реакции управляемого термоядерного синтеза в производстве энергии необходимо сначала получить, а затем постоянно поддерживать стабильное состояние плазмы с очень высокой температурой (выше 100 млн. №С) при ее высокой плотности. Создание реактора, работающего по гибридной схеме, представляется более легкой задачей, поскольку в этом случае плазма используется не для получения энергии, а всего лишь в качестве источника дополнительных нейтронов для поддержания необходимой схемы протекания ядерных реакций. Таким образом, требования, предъявляемые к ее характеристикам, становятся менее жесткими.
В условиях, когда в плазме генерируются нейтроны, дополнительно поступающие в ядерный реактор, появляется возможность заменить большую (до 95%) часть используемого в качестве топлива делящегося урана на неделящийся - сырьевой - торий. В отличие от урана торий представлен в природе практически одним изотопным состоянием, и поэтому он легко и с малыми затратами выделяется из природного сырья. При поглощении нейтронов изотоп тория 232Th превращается в изотоп урана 233U, который хорошо делится тепловыми нейтронами. По количеству выделяемой энергии эта реакция сопоставима с реакцией, используемой в ядерных реакторах с топливным циклом, использующем только природные изотопы урана 235U и 238U. Особенность применения ториевого топлива состоит в том, что в такой гибридной энерговыделяющей установке при прекращении поступления дополнительных нейтронов от внешнего источника ядерные реакции деления сразу же затухают. Таким образом, гибридные реакторы на ториевом топливе не способны к "саморазгону", что обеспечивает значительно большую безопасность ториевой энергетики.
В настоящее время уже существуют различные проекты гибридных реакторов, в которых плазменным источником нейтронов служит токамак. Альтернативой может стать использование в качестве источника дополнительных нейтронов длинной магнитной ловушки. Команда исследователей, сформированная по инициативе ученых ИЯФ СО РАН, в которую также вошли специалисты ТПУ и РФЯЦ-ВНИИТФ, представила концепцию относительно компактного реактора такого типа.
О принципах работы длинной магнитной ловушки в качестве источника нейтронов рассказывает главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН, доктор физико-математических наук профессор Андрей Аржанников: "На начальном этапе при помощи специальных плазменных пушек создается относительно холодная плазма, количество которой поддерживается дополнительной подпиткой газом из атомов тяжелого водорода - дейтерия. Инжекция в такую плазму нейтральных (атомарных) пучков с энергией частиц масштаба 100 кэВ обеспечивает образование в ней высокоэнергетичных ионов дейтерия и трития (это тяжелые изотопы водорода), а также поддержание необходимой температуры. Сталкиваясь друг с другом, ионы дейтерия и трития соединяются в ядро гелия, при этом происходит выделение высокоэнергетических нейтронов. Такие нейтроны беспрепятственно выходят через стенки вакуумной камеры, где магнитным полем удерживается плазма, и, поступая в область с ядерным топливом, после замедления поддерживают протекание реакции деления тяжелых ядер, которая служит основным источником выделяемой в гибридном реакторе энергии".
По словам Андрея Аржанникова, энергия нейтронов настолько высока, что они пронизывают стенки камеры из нержавеющей стали и медную обмотку, которая обеспечивает необходимое магнитное поле в плазме. Эти нейтроны глубоко проникают в топливную сборку (бланкет) ядерного реактора и попадают на графитовые блоки, где при рассеянии на ядрах углерода происходит их торможение. Замедленные нейтроны хорошо поглощаются ядерным топливом и поддерживают необходимый уровень количества делящихся ядер в единицу времени. Выделившаяся в виде тепла энергия разлетающихся фрагментов ядра, делящегося при поглощении нейтрона, снимается потоками газообразного гелия, который под высоким давлением прокачивается через цилиндрические каналы в топливной сборке. Топливо также размещается в специальных каналах, для этого оно заключено в специальные цилиндрические графитовые стержни. Эти стержни заполняются покрытыми защитным слоем из карбида кремния микрокапсулами, содержащими торий и небольшой процент энергетического или оружейного плутония.
"Торий-232 (232Th) - это воспроизводящий, или, как еще его называют, сырьевой изотоп, который при захвате нейтрона превращается в делящийся изотоп уран-233 (233U), - рассказывает руководитель Отделения естественных наук, заведующий лабораторией ТПУ доктор физико- математических наук профессор Игорь Шаманин. - Ядра плутония в ториевой топливной композиции выполняют функцию запала. Плутоний, оружейный или энергетический, делится тепловыми нейтронами и позволяет поддерживать в размножающей системе цепную реакцию деления. Через некоторое время после "старта" ядра плутония выгорят, а в системе установится режим, в котором скорость наработки ядер урана-233 станет равна скорости выгорания этих ядер. Размножающая система станет самодостаточной".
Топливный цикл проектируемой установки составит 3000 эффективных суток (эффективные сутки - это 24 часа работы при 100% уровне мощности) - по истечении этого срока блоки с выгоревшим топливом заменяются на свежие, и реактор готов к новому топливному циклу. При этом стартовый состав ядерного топлива выбран так, что в течение всего периода работы размножающие характеристики реактора позволят эксплуатировать его на проектном уровне мощности при соблюдении всех требований безопасности.
Будем надеяться,что наши замечательные ученые его таки сделают.
2. Реактор на его основе или сам двигатель Зубрина с дополнительной термоядерной подпиткой.
Кидаем в реактор смесь дейтерида фтора с гексафторидом урана и летим на Марс с Юпитером.
Гексафторид урана как зажигалка для термоядерного горючего...
Теоретически возможно, но объем реактора получается большой. Ибо плотность сильноразогретой плазмы невысока. Соответственно цепная реакция урана не пойдет.
"Ядерный ракетный двигатель на гомогенном растворе солей ядерного топлива (англ. nuclear salt water rocket) - тип конструкции ЯРД, предложенный в 1991 г. американским инженером Робертом Зубриным (Robert Zubrin).
...
В большинстве схем с ЯРД ядерное топливо обеспечивает нагрев рабочего тела, пропускаемого через реактор той или иной конструкции: смешивание их считается нежелательным. В предложенной Зубриным концепции ядерное топливо, по сути, одновременно играет и роль рабочего тела, выбрасываемого из сопла двигателя. Таким топливом служит водный раствор тетрабромида урана, обогащенного до 20 % по изотопу U-235. Концентрация этой соли в водном растворе может достигать 30 %. Для такого раствора (в случае одной ёмкости хранения) критическая масса составит несколько десятков килограммов. Для предотвращения начала цепной реакции в емкостях последние должны быть выполнены из материалов, поглощающих нейтроны, соответствующей геометрии- например, в виде тонких труб из карбида бора. Устройство собственно двигателя выглядит следующим образом. Топливо из емкостей хранения подаётся в реакционную камеру в таком количестве и с такой скоростью, чтобы цепная реакция (начавшись в камере), достигала своего максимума вблизи окончания корпуса двигателя (соответственно, корабля). В сущности, непосредственно за соплом двигателя создаётся область постоянного 'ядерного горения' или 'медленного ядерного взрыва'. Высокая температура в зоне реакции испаряет воду рабочего тела и создаёт тягу выхлопом высокотемпературного газа.
В ЯРД Зубрина коэффициент использования энергии ядерного распада значительно выше - поскольку ядерное топливо и рабочее тело объединены. При реакции они полностью выбрасываются из корабля. А принцип выноса зоны реакции из корпуса двигателя позволяет снять ограничение температурных режимов реактора, и достигать значительно больших температур и давлений. Так, по некоторым расчетам, при эффективности выгорания ядерного топлива 0,8,скорость истечения рабочего тела для такого ЯРД составит 66000 м/с, удельный импульс 6730 секунд, мощность двигателя - 427 ГВт, тяга 12,7 меганьютон, тяговооруженность = 40, масса двигателя 33 тонны.
Уникальной характеристикой ЯРД Зубрина является также сочетание высокого значения удельного импульса и большой общей тяги (развиваемое ускорение может составить несколько g). Помимо ядерно-импульсного "взрыволёта" типа Орион, никакая другая схема ракетного двигателя, известная на настоящее время, не обладает такой характеристикой.
К недостаткам конструкции можно отнести расточительный расход ядерного топлива, высокие требования к конструкционным материалам сопла, высокорадиоактивный факел двигателя и сложность управления реактором.
Другими словами можно производить непрерывный управляемый ядерный взрыв позади ядерной ракеты. В этой точке вода из топливной жидкости вспышкой превращается в очень высокотемпературную плазму, которая становится реактивной массой, истекающей, по оценке, со скоростью 66 000 м/с (сравните с 4 500 м/с для лучшей химической ракеты). NSWR рассчитан для создания тяги почти в 3 миллиона фунтов (1.3 Х 107 Н) и имеет мощность в 427 ГВатт. В таком исполнении миссия на Титан могла бы быть запущена с низкой орбиты Земли, с ускорением почти 4g, и могла бы иметь достаточно низкую стартовую массу, быть дешевой и высокоэффективной.
Зубрин так же показывает, как NSWR может бы использована и для более честолюбивой 120-и летней односторонней миссии автоматического зонда к Альфа Центавра. Он предлагает 300 тонный космический корабль несущий 2700 тонн топлива в виде водного раствора соли урана, обогащенного до 90%. Это высокоэнергетическое горючее будет сгорать в двигателе с высокой эффективностью, что создаст скорость истечения ракетной массы в 4 700 000 м/с. Такая скорость истечения позволит развить кораблю скорость, которая составит 3,63% от скорости света. Зубрит предлагает использовать большую часть всего запасенного на борту топлива для ускорения, а потом применить магнитный парус (смотри майский "Аналог"- 92) для торможения в результате движения того против межзвездной среды
В своей работе, где описывается концепция, Зубрин анализирует использование NSWR для двусторонней мисси к Титану (полет туда и обратно), к самой большой луне Сатурна. Топливом для NSWR должен служить обогащенный до 20% уран, химическая форма которого соль - тетра-бромид урана (uranium tetra-bromide) растворенная в обычной воде в той же самой атомной концентрации, что и соль в морской воде.
Делящийся изотоп в такой концентрации легко производит очень высокую температуру как результат деления или даже может вызвать ядерный взрыв. Сплошной объем этой жидкости, где сосредотачивается несколько десятков килограммов такой жидкости, достиг бы критической массы, что привело бы к самоподдерживающейся цепной реакции деления и взрыву. В схеме Зубрина 41 000 килограмм (41 тонна) топлива в виде водного раствора соли хранится в поглощающем нейтроны топливном баке. Топливный бак должен быть изготовлен из длинных труб карбоната бора (boron carbonate) - твердого конструкционного материала, который интенсивно поглощает тепловые нейтроны, что и предотвращает цепной процесс в такой массе топливе, иначе реакция там мгновенно запустилась. Жидкое топливо, из резервуара где он хранится, перекачивают в цилиндрическую реакторную камеру где потоку нейтронов может теперь беспрепятственно возрастать до критической точки цепной ядерной реакции деления.
В ядерной ракете такой системы выбор материала для камеры сгорания представляет серьезную проблему, потому что никакая мыслимая механическая структура не может выдержать энергию ядерного взрыва. Однако Зубрин предлагает очень хитрую уловку. Он использовал упрощенную модель и показал, что распределение запускающих реакцию тепловых нейтронов в камере сгорания критически зависит от скорости движения топлива по мере прохождения его через нее. Эта зависимость возникает потому что перемещающееся водно-соляное топлива является так же и средой в которой нейтроны замедляются. Если жидкость находится в покое, то максимальный поток возникает в центре цилиндра. Но если жидкое топливо под давлением движется, точка максимального потока смазывается по направлению течения. Кроме того, движение может приводить и к повышению нейтронного максимума. Если правильно выбрать скорость течения топлива, поток тепловых нейтронов (и поэтому узел максимума выхода энергии расщепления) может быть подобран так, что достигнет своего пика очень резко уже за срезом цилиндрической камеры реакции.
Другими словами можно производить непрерывный управляемый ядерный взрыв позади ядерной ракеты. В этой точке вода из топливной жидкости вспышкой превращается в очень высокотемпературную плазму, которая становится реактивной массой, истекающей, по оценке, со скоростью 66 000 м/с (сравните с 4 500 м/с для лучшей химической ракеты). NSWR рассчитан для создания тяги почти в 3 миллиона фунтов (1.3 Х 107 Н) -1361 т и имеет мощность в 427 ГВатт. В таком исполнении миссия на Титан могла бы быть запущена с низкой орбиты Земли, с ускорением почти 4g, и могла бы иметь достаточно низкую стартовую массу, быть дешевой и высокоэффективной.
Если сделать отражатель/толкатель параболическим (типа такого как рисовали у фотонных звездолётов), то при сферическом разлёте после отражения от него получится направленная реактивная струя. Если разместить отражатель на достаточном расстоянии от места реакции (аналогично плите взрыволёта - десятки метров, но конечно зависит от мощности) то нагрузка на единицу поверхности будет вполне приемлемой. Причём не ударной как в Орионе, а постоянной - не нужна система амортизации. Отражатель может частично охлаждаться излучением в космос, частично - обычной водой с использованием пара для привода турбонасосов подачи топлива, наддува баков и т.п.
Вольфрамовую плазму можно получить организовав форсунками кольцевую струю его суспензии в воде вокруг струи раствора урана. Или кольцевую струю ртути - тоже тяжелый металл. Эта же кольцевая струя будет замедлять также за счёт своей массы разлёт урановой плазмы повышая коэффициент выгорания U-235.
...
"
Если температура и давление выхлопа будет соответствовать температуре и давлению начала термоядерной реакции, то двигатель, пожалуй, заведется.Дополнительный вброс термоядерного горючего имеет смысл.
Соответственно габариты двигателя будут большими.
Этот ядерно-термоядерный двигатель сможеть разгоняться до четверти скорости света.
3.Бороводородный термоядерный реактор.Гибрид с МГД-двигателем или с электротермохимическим двигателем.Электронная взрывная эмиссия металлов+термоядерная реакция.
Бороводород в пинч-диоде при разряде соединением протонов и бора-11(преимущественно содержащимся в природной смеси изотопов) давал бы три альфа частицы.
Эти три альфа частицы нагревали бы дополнительно плазму не прореагировавшего бороводорода(В2Н6), которая через сопло Лаваля крутило бы турбину.Возможно и иные способы снятия электроэнергии с сопла Лаваля - например дополнительно к турбине через индуктивную катушку и МГД-преобразователь(если полученная плазма электропроводна.Так же можно было бы постараться увеличить пиролиз бороводорода на покрытой платиной сопле Лаваля,что думаю давало бы дополнительную энергию от атомарного водорода(но тут может возникнуть проблема очистки от этого бора сопла Лаваля, а может и наоборот невозникнуть, может быть покрытие из платины должно быть на выпускном шибере - чтобы атомарный водород с спола Лаваля срывал и удалял пиролизный бор от бороводорода(борана)).
Пинч разбивает бороводород на альфа частицы!
.
Для работающего двигателя ток от МГД-преобразователя можно, как вариант, было бы тратить на запитывание импульсных ксеноновых ламп (лазера) для предионизации паров бороводорода, перед пробоем между анодом и катодом диода для большего ускорения протонов и ядер бора в пинч-диоде.Соответственно и замкнутая выхлопная система от сопла Лаваля может быть построена и настроена в аккустический резонанс к самому пинч-борановому двигателю.Сооответсвенно сопла могут быть с одной стороны трубчатого пинча или с двух сторон, так же и от этого одно или два сопло Лаваля,МГД-преобразователя,Турбины.Идея заключается в том, что альфа частицы должны механически нагревать и без того нагретую плазму бороводорода.Возможно и труба резонаторная - труба пинч-диода должна иметь многослойное покрытие из пленок металлов по типу "нейтронного зеркала" для отражения альфа частиц во внутрь, и иметь слои чередования кристаллического и аморфного металла для,как я думаю, недопущения каналирования альфа частиц через стенки трубчатого пинч- диода(например платина-аморфный кремний).
Пинч-борановый пробойник поможет создать мощный атмосферный МГД-двигатель.
Для воплощения в жизнь идеи МГД-двигателя необходимо повысить степень ионизации набегающего потока воздуха. В ранних экспериментах для этого использовалась инжекция цезия в поток; позднее было предложено ионизировать воздух с помощью электронных пучков. Также достижение требуемого ресурса МГД-двигателей является трудной задачей ввиду больших тепловых нагрузок на стенки канала. Последние изготовляются из жаростойких материалов (электродные - преимущественно из вольфрама, электроизоляционные - из керамики) и охлаждаются регенеративным, транспирационным8 и другими способами. С целью снижения эрозии стенок в качестве РТ используют химически инертный аргон (имеющий к тому же невысокий потенциал ионизации).
Соответственно можно и с МГД-двигателем комбинировать пинч диод.Так чтобы перед подаче воздуха в камеру совершался бы пробой электрической дугой, которая бы в бороводороде вызывала бы термоядерную реакцию, а потом бы нагретый альфа частицами непрореагировавший бороводород догорал бы в смеси с сжатым воздухом.
Напоследок:
"Технология компании использует лазеры для запуска реакции ядерного синтеза в водороде и боре - якобы без участия радиоактивного топлива. Секрет в ультрасовременном лазере и, судя по всему, в элементе удачи.
По словам разработчиков, лазер не нагревает материалы. Вместо этого он ускоряет водород до точки, где он должен столкнуться с бором, чтобы начать реакцию. 'Можно представить, что водород используется в качестве дротика, которым надо поразить мишень в виде молекулы бора. Если это происходит - запускается реакция', поясняет управляющий директор Уоррен Маккензи." (с)