Термоядерные ракетные двигатели
- Экспериментальный зал ИЯФ РАН. На переднем замысле видна разобранная амбиполярная ловушка АМБАЛ-М, далеко — генераторы питания многопробочной ловушки ГОЛ-3. В том месте же находится газодинамическая ловушка (ГДЛ).
Проект «Орион» самый реалистичный вариант проекта «Орион». Данный межпланетный корабль запланирован на старт с орбиты, вывод в космос должен был осуществляться ракетой-носителем Сатурн-V.
Открытые ловушки самая простая открытая плазменная ловушка — пробкотрон.
- В несложном случае она состоит всего из двух магнитных катушек. Развитие пробкотрона — многопробочная и газодинамическая ловушки.
Амбал-М Схема амбиполярной ловушки АМБАЛ-М — одного из самых перспективных вариантов открытой ловушки. Двигатель на ее базе теоретически возможно не дольше нескольких сотен метров.
- Инерциальный синтез. Главная мысль инерциального синтеза пребывает в равномерном облучении крупинки термоядерного горючего замечательными потоками частиц (фотонов, ионов, электронов), что ведет к ее разогреву и сжатию.
Глобус-М. Экспериментальный зал ФТИ РАН со сферическим токамаком Глобус-М.
- Потомки данной установки смогут стать базой как наземной электростанции, так и термоядерного ракетного двигателя.
«Планета имеется колыбель разума, но нельзя всегда жить в колыбели», — сообщил Константин Циолковский. Для полетов к Луне либо, к примеру, к Марсу достаточно существующих химических ракетных двигателей. Но чтобы летать дальше, к внешним планетам Нашей системы (либо кроме того ближайшим звездам!), и не тратить на это многие десятилетия и годы, необходимы двигатели принципиально нового типа.
«Популярная механика» уже писала о проектах ядерных двигателей («К Марсу на реакторе», «ПМ» № 1’2007). Но температура и энергия ядерного распада намного меньше той, которую может дать термоядерный синтез. Неудивительно, что еще во второй половине пятидесятых годов появилась мысль применять для двигателей энергию, благодаря которой горят звезды, — энергию термоядерного синтеза.
Мало физики
Любой ракетный двигатель формирует тягу, выбрасывая в окружающее пространство вещество, которое именуют рабочим телом. Из дюз простых ракет истекают газообразные продукты сгорания горючего. В электроракетном двигателе рабочим телом помогает поток плазмы, разогнанной электромагнитными силами.
В ядерном — водород либо гелий, разогретый энергией деления ядер урана либо плутония.
Сила тяги любого двигателя зависит от скорости, с которой молекулы рабочего тела выбрасываются из сопла. Подняв температуру, возможно расширить энергию (и скорость) молекул. Но конструкции и жаропрочные материалы имеют собственные пределы, к тому же подводимая энергия также ограничена. А возможно применять более легкие молекулы, потому, что при одной и той же энергии их скорость будет больше.
Ядерные двигатели, каковые смогут разогревать легкий водород, в этом отношении имеют важное преимущество перед химическими, продукты сгорания которых значительно тяжелее.
Кроме фактически тяги, крайне важным показателем ракетного двигателя есть его удельный импульс (либо удельная тяга) — отношение силы тяги к расходу рабочего тела. Эта величина, имеющая размерность м/с, характеризует эффективность двигателя. Теоретически она равна скорости истечения рабочего тела, а на практике может существенно различаться, исходя из этого ее именуют действенной (эквивалентной) скоростью истечения.
Удельный импульс (в м/с) имеет и второй наглядный физический суть: численно это время в секундах, за который один килограмм горючего может создавать тягу в 1 Н (либо тяга в ньютонах, достигаемая при ежесекундном выбросе одного килограмма рабочего тела).
Границы разрешённого
Во второй половине 90-ых годов XIX века Константин Эдуардович Циолковский вывел известную формулу, определяющую большую конечную скорость одноступенчатой ракеты: она равна действенной скорости истечения рабочего тела (удельному импульсу двигателя), умноженной на натуральный логарифм отношения начальной и конечной весов ракеты.
Первый множитель определяется конструкцией и типом двигателя, а второй медлительно растет кроме того при громадном количестве горючего. К примеру, чтобы разогнать ракету конечной массой 10 т до скорости выше второй космической (11,2 км/с) посредством простых современных ракетных двигателей с импульсом 3000 м/с, необходимо около 500 т окислителя и топлива.
Кроме того с учетом разработки многоступенчатых ракет фактически нереально достигнуть скорости, превышающей удельный импульс более чем в четыре-пять раз. Исходя из этого сначала космических разработок важные силы были брошены на повышение действенной скорости истечения рабочего тела. на данный момент лучшие ракетные двигатели на химическом горючем (водород-кислородные) только приближаются к отметке 4500 м/с, и практически все методы улучшения их черт уже исчерпаны.
Ядерные ракетные двигатели разрешили бы расширить температуру до десятков тысяч градусов, а скорость истечения — приблизительно до 20000 м/с, но кроме того с этими двигателями полет корабля до внешних планет Нашей системы занял бы годы. А о полетах к звездам и сказать не приходится.
Настоящие звездолеты
В это же время существует метод поднять скорость истечения на многие порядки. Температура плазмы при термоядерном синтезе образовывает не десятки тысяч, а миллионы градусов. Соответственно, теоретический удельный импульс при реакции дейтерия и гелия-3 образовывает 21 500 000 м/с, другими словами более 7% от скорости света, что возможно разрешает разогнать межзвездный зонд до 25−30% от скорости света.
Само собой разумеется, необходимо покинуть запас горючего на торможение, но и 10−15% световой скорости вполне достаточно для отправки беспилотных аппаратов как минимум к нашим ближайшим соседям — звездной совокупности Альфа Центавра.
Действительно, это лишь в теории. Дело в том, что мощность ракетного двигателя равна половине произведения его тяги (Н) на его удельный импульс (м/с). Мощность, к примеру, двигателя первой ступени ракеты-носителя «Зенит» РД-171 с тягой 806 тс и удельным импульсом 3300 м/с — 13 ГВт (вдвое больше Саяно-Шушенской ГЭС!). Термоядерный двигатель такой же мощности с удельным импульсом в 21 500 000 м/с будет иметь тягу всего 123 кгс, и разгон до какое количество-нибудь значительных скоростей займет много лет.
У данной неприятности возможно два решения. Во-первых, возможно попытаться расширить мощность двигателя.
Но, увы, кроме того 13 ГВт мощности (выходной, а не термоядерной!) выглядят труднодостижимыми на практике. Во-вторых, возможно снизить удельный импульс. Уже 100 000 м/с откроют нам совсем новые возможности освоения Нашей системы.
Наряду с этим 1 ГВт выходной мощности будет соответствовать 20 000 Н либо более 2 тс тяги — достаточно кроме того для тяжелого (много тысячь киллограм «сухой» массы) межпланетного корабля, не предназначенного для входа в воздух.
Магнитные ракеты
За редчайшим исключением, все проекты термоядерных ракетных двигателей с магнитным удержанием основываются на так называемых открытых магнитных ловушках — цилиндрах, из торцов которых истекает поток плазмы. В случае если для энергетического реактора («ПМ» № 5’2012) такие утраты плазмы являются значительной проблемой, то для термоядерного двигателя это суть его работы, поскольку как раз поток плазмы из торца двигателя и формирует тягу.
Удельный импульс двигателя определяется температурой плазмы и может быть около нескольких миллионов метров в секунду. Напуск недалеко от торца двигателя дополнительного рабочего тела (простого водорода) может более чем на порядок повысить тягу двигателя (конечно, в ущерб удельному импульсу).
Самый несложный вариант для того чтобы двигателя — пробкотрон, состоящий всего из двух магнитных катушек, пробок, расположенных на некоем удалении друг от друга. Время от времени посередине додают менее замечательные катушки, каковые разрешают руководить профилем магнитного поля между пробками. При большом размере в пробкотроне может проходить термоядерная реакция, выделяющая чуть больше энергии, чем тратится на ее поддержание.
Но, увы, совсем ненамного и лишь при работе на смеси трития и дейтерия. Потому, что КПД преобразования тепловой энергии в электрическую мал, пробкотрон постоянно будет потребовать для собственной работы подвода энергии извне. В случае если отыскать в памяти, какие конкретно мощности нужны для значительной тяги при громадном удельном импульсе, окажется, что для питания двигателя нам потребуется полномасштабная космическая АЭС.
В таких условиях несложнее отказаться от термоядерного реактора и применять куда более несложную и значительно лучше отработанную связку из АЭС и электрореактивных двигателей.
Развитием идеи пробкотрона есть многопробочная ловушка (с гофрированным полем). В первом приближении методом повышения ее длины возможно достигнуть сколь угодно хорошего удержания плазмы, впредь до зажигания самоподдерживающейся термоядерной реакции, не требующей подвода энергии извне. С учетом высокой плотности плазмы, которую возможно достигнуть в ловушке для того чтобы типа, она создаёт чувство очень перспективного кандидата.
Увы, имеется две неприятности, значительно снижающие перспективность этого направления.
Первая — это утраты плазмой энергии поперек магнитного поля, каковые для установок громадной длины, вероятнее, станут главными. Вторая проблема заключается в том, что кроме того для трития и смеси дейтерия (1:1) нужная протяженность двигателя будет равна примерно 1 км, а это на порядок превосходит размер МКС (для других видов горючего размеры двигателя будут еще больше).
Вторым развитием пробкотрона есть газодинамическая плазменная ловушка, в которой долгая область с однородным магнитным полем довольно малый напряженности с обоих финишей заканчивается замечательными магнитными пробками либо парами пробок (дополнительными пробкотронами с замечательным полем). Хорошее свойство таковой ловушки — прекрасно предсказуемое поведение плазмы в ней. Но ее протяженность, как и при многопробочной ловушки, обязана будет составлять около километра либо более кроме того при дейтерий-тритиевом горючем.
Еще один вариант открытых ловушек — это ловушки с амбиполярным удержанием плазмы. В несложном случае это совокупность из трех пробкотронов: один центральный с большой длиной и два мелких на торцах. Непрерывно подаваемая разогретая плазма в торцевых пробкотронах не позволяет уходить плазме из центрального пробкотрона. Сделав центральную часть достаточно долгой, мы постоянно можем создавать в ней больше энергии, чем необходимо для поддержания плазмы в концевых участках.
Такая ловушка теоретически обязана оказаться заметно меньше газодинамической либо многопробочной.
Но имеется у недостатки и нея. Во-первых, необходимая инжекция плазмы в концевых участках и нагрев ее в том месте, на что требуются десятки а также много милионов ватт. Так, реактор будет не только двигателем, но и базой полномасштабной электростанции для поддержания собственной работы.
Во-вторых, конфигурация электромагнитного поля в амбиполярной ловушке намного сложнее, чем в других типах открытых ловушек, а количество экспериментальных данных недостаточен. Так что до тех пор пока сказать об осуществимости для того чтобы двигателя через чур рано.
Силы инерции
В ловушках с магнитным удержанием удельный импульс ограничен температурой плазмы, которая, со своей стороны, ограничена конструкцией. А вот инерциальный ядерный синтез возможно дает возможность приобрести удельный импульс порядка 10 000 000 м/с (около 3% от скорости света), что делает его совершенным вариантом для межзвездных зондов.
Этот принцип был использован в известном проекте звездолета «Дедал», что разрабатывался группой экспертов из Английского межпланетного общества в 1970-х годах. Его же применяет разрабатываемый на данный момент наследник «Дедала» — «Икар».
Термоядерные двигатели на инерциальном синтезе — это импульсные термоядерные реакторы, дополненные магнитным соплом для продуктов реакции. Потому, что зажигание самоподдерживающейся реакции тут принципиально нереально, реактор должен быть не только двигателем, но и электростанцией для обеспечения энергией самого себя. Причем его электрическая мощность должна быть равна как минимум 10% от мощности реактивной струи.
Расчеты говорят о том, 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 меньше 1 ГВт. Это мощность целого энергоблока большой АЭС.
Помимо этого, нет оснований считать, что в какое количество-нибудь обозримом будущем будут созданы космические лазеры, пригодные для обжатия мишеней для того чтобы двигателя. Единственным реалистичным вариантом можно считать применение пучков тяжелых ионов. Но и они, с нужными чертями, еще не созданы кроме того для наземных установок.
Токамаки в космосе
Практически все авторы проектов термоядерных двигателей игнорируют токамаки, ссылаясь на сложность осуществления отбора плазмы для реактивной струи. Но они ошибаются.
На заре термоядерных изучений предполагалось, что в токамаке плазма будет надежно удерживаться. Но скоро стало известно, что плазма поперек магнитного поля уходит на стенку установки и разрушает ее.
Одним из самые эффективных способов ответа данной неприятности была концепция дивертора. Сущность ее в том, что в конфигурации магнитного поля создается четкая граница — сепаратриса. В сепаратрисы плазма максимально прекрасно удерживается, но за ее пределами практически мгновенно уходит на особые пластины в нижней (значительно чаще) части установки, которая и именуется дивертором.
Так сотрудничество между стенкой и термоядерной плазмой значительно ослабляется. Нет ничего, что мешает применять плазму, пересекающую сепаратрису и уходящую в дивертор, для тяги в ракетном двигателе. Напуск водорода в область дивертора разрешит, как и при открытых ловушек, на порядок повысить тягу, пожертвовав удельным импульсом.
Наиболее значимое преимущество токамака перед всеми иными концепциями термоядерных ракетных двигателей — большая отработанность этого типа магнитных ловушек. В случае если параметры созданных открытых магнитных ловушек хуже нужных в много раз, то параметры токамаков необходимо улучшить всего на порядок. Помимо этого, наработки по термоядерному ракетному двигателю окажутся очень полезными для наземных термоядерных электростанций.
Расчеты говорят о том, что сферический токамак с сильным магнитным полем, трудящийся на смеси 98% трития и 2% дейтерия, способен развивать выходную мощность порядка 300 МВт. Объединяя пара таких токамаков, возможно взять тягу порядка 1000 кгс при удельном импульсе в 350 000 м/с, наряду с этим расход дейтерия составит 1,5 г/с, а водорода, применяемого 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, опять разогнаться до данной скорости и опять затормозить. Такие параметры разрешают уложить продолжительность экспедиции к Сатурну в два года.
Полный бак
На чем же будут трудиться звездолеты? Выбор горючего — отдельная значительная неприятность. Несложнее всего запустить реакцию в смеси трития и дейтерия 1:1. Но с ее применением имеется громадные неприятности. Тритий в природе не видится, его нужно приобретать искусственно.
Нужные количества наряду с этим составят десятки тысячь киллограм, что многократно превышает возможности его производства за всю историю! Помимо этого, он радиоактивен (не смотря на то, что и слабо) и именно поэтому саморазогревается, так что его фактически нереально хранить в сжиженном виде, а хранить под давлением, к тому же и охлаждать — не самая несложная задача.
Исходя из этого логичным ответом представляется производство трития из лития прямо в двигателе, как это планируется делать на термоядерных электростанциях. Но за один проход через реактор успевает прореагировать только часть процента термоядерного горючего (в реакторах с инерциальным удержанием — до 10%). В электростанции вся отработанная (попавшая в дивертор) плазма планирует, и тритий возможно использован повторно.
Но в двигателе эта плазма выбрасывается, так что на один атом трития, вступивший в реакцию, необходимо произвести много новых. Но это нереально: один термоядерный нейтрон в лучшем случае может произвести два атома трития.
гелия смеси и Использование дейтерия-3 разрешает максимум термоядерной энергии задействовать в производстве тяги, поскольку «горение» таковой смеси дает куда меньше нейтронов и больше стремительных заряженных частиц. Гелий-3 стабилен и совсем надёжен. Но его на Земле нет.
Единственный источник гелия-3 — распад трития, так что производство его числом десятков тысячь киллограм — еще более непростая задача. Теоретически гелий-3 возможно добывать на Луне, но для этого потребуется создание замечательной космической инфраструктуры (для чего именно весьма понадобился бы термоядерный ракетный двигатель). Необходимо подчеркнуть еще две неприятности смеси дейтерия и гелия-3: во-первых, она требует куда большей температуры и времени удержания плазмы, а во-вторых, дает меньшую мощность на единицу количества плазмы.
Исходя из этого первые термоядерные ракетные двигатели будут трудиться или на чистом дейтерии, или на дейтерии с небольшой (не более нескольких процентов) примесью трития. Недочёты у этого топлива такие же, как и у смеси дейтерия и гелия-3, плюс еще замечательное нейтронное излучение. Но дейтерий довольно недорог и дешёв фактически в неограниченных количествах.
Концентрация примеси трития будет определяться тем, сколько его удастся произвести из лития. Кроме того маленькая примесь этого изотопа может разрешить значительно повысить термоядерную мощность реактора.
Взрыволет
Еще одна весьма уникальная концепция термоядерного ракетного двигателя — проект «Орион», что на полном серьезе разрабатывался в Соединенных Штатах в 1950—1960-х годах. Он предполагал применять для тысячи и полёта сотни ядерных боеголовок, взрываемых друг за другом!
Ядерные взрывы планировалось создавать сзади корабля, наряду с этим должны были употребляться особые боезаряды, дающие две направленные струи плазмы, одна из которых попадала бы в особую тяговую плиту корабля, толкая его вперед. Тяга кроме этого создавалась за счет испарения масла, которым опрыскивалась эта плита.
Испарение масла охлаждало плиту, защищая ее от разрушения. В соответствии с расчетам, удельный импульс должен был составлять десятки тысяч метров в секунду, наряду с этим тяги хватило бы для старта с Почвы. Были созданы самые различные варианты таких судов, начиная от лунных и заканчивая межзвездными.
В ходе проекта были созданы макеты, применяющие простые химические бомбы, каковые доказали возможность устойчивого полета за счет серии взрывов. Помимо этого, был произведен настоящий ядерный взрыв, на протяжении которого подтвердилась возможность создания тяговой плиты.
Вакуум на халяву
Одна из наиболее значимых неприятностей термоядерного синтеза — сотрудничество стенок вакуумной плазмы и камеры. Оно значительно ухудшает параметры плазмы, а сама стена разрушается. Термоядерные ракетные двигатели предполагается применять лишь в космосе, так что космический вакуум разрешает убрать из конструкции стенку, покинув только маленькие защитные накладки на магнитных катушках.
Это значительно облегчит задачу зажигания термоядерной плазмы. Возможно может произойти так, что первые термоядерные двигатели начнут трудиться раньше, чем наземные термоядерные электростанции.
Статья «Звездные суда» размещена в издании «Популярная механика» (№126, апрель 2013).
<
h4>