Termonuklearni raketni motori: budućnost svemira?

"Planeta je kolijevka razuma, ali ne možete zauvijek živjeti u kolijevci", rekao je Konstantin Ciolkovsky. Za letove na Mjesec ili, na primjer, na Mars, dovoljni su postojeći kemijski raketni motori. Ali da bismo letjeli dalje do vanjskih planeta Sunčevog sustava (ili čak najbližih zvijezda!), A ne bi na njemu proveli mnogo godina i desetljeća, potrebni su nam motori u osnovi novog tipa. Nije iznenađujuće da se krajem 1950-ih rodila ideja da se energija koristi za motore koji spaljuju zvijezde, energiju termonuklearne fuzije.

Malo fizike

Bilo koji raketni motor stvara vuču, bacajući u okolni prostor tvar koja se zove radna tekućina. Iz mlaznica konvencionalnih raketa ispadaju plinoviti proizvodi izgaranja goriva. U električnom raketnom motoru radni fluid je tok plazme raspršen elektromagnetskim silama. U nuklearnom - vodiku ili heliju, zagrijanom energijom cijepanja jezgara urana ili plutonija.

Potisak bilo kojeg motora ovisi o brzini kojom se molekule radne tekućine izbacuju iz mlaznice. Podizanjem temperature možete povećati energiju (i brzinu) molekula. Međutim, toplinski otporni materijali i strukture imaju svoja ograničenja, a osim toga, ulazna energija je također ograničena. A možete koristiti i lakše molekule, jer će pri istoj energiji njihova brzina biti veća. U tom pogledu nuklearni motori koji mogu zagrijavati lagani vodik imaju ozbiljnu prednost u odnosu na kemijske, čiji su proizvodi izgaranja znatno teži.

Uz sam potisak, vrlo važan pokazatelj raketnog motora je njegov specifični impuls (ili specifični potisak) - omjer potiska i brzine protoka radne tekućine. Ova vrijednost, koja ima dimenziju m / s, karakterizira učinkovitost motora. Teoretski, ona je jednaka brzini istjecanja radne tekućine, ali u praksi se može značajno razlikovati, pa se naziva efektivnom (ekvivalentnom) brzinom isticanja. Specifični impuls (u m / s) ima i jedno očito fizičko značenje: brojčano je to vrijeme u sekundama tijekom kojeg jedan kilogram goriva može stvoriti potisak od 1 N (ili potisak u newtonima, postignut otpuštanjem jednog kilograma radne tekućine u sekundi).

Brzo do zvijezda: Kineska svemirska flota

Dopuštene su granice

Konstantin Eduardovič Ciolkovski je 1897. godine izvukao čuvenu formulu koja određuje maksimalnu konačnu brzinu rakete s jednim stupnjem: ona je jednaka efektivnoj brzini radnog fluida (specifičnom impulsu motora) pomnoženoj s prirodnim logaritmom omjera početne i konačne mase rakete. Prvi faktor određen je vrstom i dizajnom motora, a drugi polako raste čak i s velikom količinom goriva. Na primjer, da bi se ubrzala raketa s konačnom masom od 10 tona brzinom većom od druge svemirske (11, 2 km / s) koristeći uobičajene moderne raketne motore s impulsom od 3000 m / s, potrebno je oko 500 tona goriva i oksidanta.


Vzryvolet

Drugi vrlo originalan koncept termonuklearnog raketnog motora je projekt Orion, koji je ozbiljno razvijen u SAD-u 1950-ih i 1960-ih. Namjeravao je upotrijebiti za let ... stotine i tisuće nuklearnih bojevih glava koje eksplodiraju jedna za drugom! Nuklearne eksplozije trebalo je izvesti iza broda, dok su se trebale koristiti posebne bojeve glave, koje su dale dva usmjerena mlazna sredstva plazme, od kojih je jedan pogodio posebnu vučnu ploču broda, gurajući ga naprijed. Potisak je također stvoren zbog isparavanja ulja, koje je raspršilo ovu ploču. Isparavanjem ulja hladila se peć, štiteći je od uništenja. Prema proračunima, specifični impuls trebao je biti nekoliko desetaka tisuća metara u sekundi, dok bi potisak bio dovoljan da krene sa Zemlje. Razvijene su razne varijante takvih brodova, u rasponu od lunarnih do međuzvjezdanih. Projekt je stvorio makete pomoću konvencionalnih kemijskih bombi, što je dokazalo mogućnost stabilnog leta uslijed niza eksplozija. Osim toga, izvršena je prava nuklearna eksplozija tijekom koje je potvrđena mogućnost stvaranja vučne ploče.

Čak i uzimajući u obzir tehnologiju višestupanjskih projektila, gotovo je nemoguće postići brzinu koja premašuje određeni impuls za više od četiri do pet puta. Stoga su od samog početka svemirskih istraživanja ozbiljne snage bile posvećene povećanju efektivne brzine isticanja radnog fluida. Sada se najbolji raketni motori s kemijskim pogonom (vodik-kisik) približavaju samo 4.500 m / s, a gotovo svi načini za poboljšanje njihovih performansi su iscrpljeni. Nuklearni raketni motori omogućili bi porast temperature na desetke tisuća stupnjeva, a brzina pražnjenja na oko 20 000 m / s, ali čak bi i s takvim motorima brod godinama letio na vanjske planete Sunčevog sustava. A o letu u zvijezde i recite ne.

Pravi zvjezdani brodovi

U međuvremenu, postoji način da se poveća protok za mnoge veličine. Temperatura plazme tijekom fuzije nije deseci tisuća, već milijuni stupnjeva. U skladu s tim, teorijski specifični impuls tijekom reakcije deuterija i helija-3 iznosi 21, 5 milijuna m / s, tj. Više od 7% brzine svjetlosti, što nam potencijalno omogućava ubrzanje međuzvjezdane sonde na 25-30% brzine svjetlosti. Naravno, trebate ostaviti dovod goriva za kočenje, ali 10-15% brzine svjetlosti dovoljno je da pošaljete bespilotna vozila barem našim najbližim susjedima - sustavu zvijezde Alpha Centauri.

Najrealnija verzija projekta Orion. Ova je međuplanetarna svemirska letjelica dizajnirana za lansiranje iz orbite, a lansiranje u svemir trebalo je izvesti raketno vozilo Saturn V.

Istina, to je samo u teoriji. Činjenica je da je snaga raketnog motora svojim specifičnim impulsom (m / s) jednaka polovici proizvoda njegovog potiska (N). Snaga, na primjer, motora prvog stupnja Zenit lansirnog vozila RD-171 s potiskom od 806 tf i specifičnim impulsom od 3300 m / s je 13 GW (dva puta više od hidroelektrane Sayano-Shushenskaya!). Termonuklearni motor iste snage sa specifičnim impulsom od 21 500 000 m / s imat će potisak od samo 123 kgf, a ubrzanje do značajnih brzina trajat će mnogo godina. Mogu se naći dva rješenja za ovaj problem. Prvo, možete pokušati povećati snagu motora. Ali, nažalost, čak i 13 GW snage (izlaz, a ne termonuklearno!) Izgleda teško postići u praksi. Drugo, specifični impuls se može smanjiti. Već 100 000 m / s otvorit će potpuno nove mogućnosti za razvoj sunčevog sustava. Istodobno, 1 GW izlazne snage odgovarat će 20 000 N ili više od 2 tf potiska - sasvim je dovoljno čak i za tešku (stotine tona "suhe" mase međuplanetarnih letjelica koje nisu namijenjene za ulazak u atmosferu.

Magnetske rakete

S rijetkom iznimkom, svi se projekti termonuklearnih raketnih motora s magnetskim zatvaranjem temelje na takozvanim otvorenim magnetskim zamkama - cilindrima, s čijih krajeva teče plazma. Ako je takav gubitak plazme ozbiljan problem za energetski reaktor, onda je to za fuzijski motor poanta njegovog rada, budući da tok plazme s kraja motora stvara potisak. Specifični impuls motora određuje se temperaturom plazme i može doseći nekoliko milijuna metara u sekundi. Napuhavanje dodatne radne tekućine (običnog vodika) u području kraja motora može povećati potisak motora više od reda veličine (prirodno, na štetu određenog impulsa).

Najjednostavnija verzija takvog motora je zrcalna ćelija, koja se sastoji od samo dvije magnetske zavojnice, utikača smještenih na nekoj udaljenosti jedna od druge. Ponekad se u sredini dodaju manje moćne zavojnice koje vam omogućuju kontrolu profila magnetskog polja između utikača. S dovoljno velikom veličinom može se dogoditi termonuklearna reakcija u zrcalnoj ćeliji koja emitira malo više energije nego što je potrebno za održavanje. Ali, nažalost, ne baš puno i to samo kada se radi na mješavini deuterija i tritija. Budući da je učinkovitost pretvaranja toplinske energije u električnu energiju mala, zrcalna ćelija za svoj rad uvijek će zahtijevati vanjsku opskrbu energijom. Ako se prisjetimo koje su sve snage potrebne za stvaranje značajne vuče velikim specifičnim impulsom, ispada da je za pogon motora potrebna potpuno svemirska nuklearna elektrana. U takvim je uvjetima lakše napustiti termonuklearni reaktor i upotrijebiti mnogo jednostavniji i mnogo trošeniji skup nuklearnih elektrana i električnih pogonskih motora.

Razvoj ideje o zrcalnoj cijevi je zamka s više cijevi (s valovitim poljem). U prvom aproksimaciji povećanjem njegove duljine moguće je postići proizvoljno dobro plazma, sve do paljenja samoodržive termonuklearne reakcije koja ne zahtijeva opskrbu energijom izvana. S obzirom na visoku gustoću plazme koja se može postići u ovoj vrsti zamki, ostavlja dojam vrlo perspektivnog kandidata. Nažalost, postoje dva problema koji značajno smanjuju izglede ovog područja. Prvi je gubitak energije plazme kroz magnetsko polje, koji će vjerojatno postati velik. Drugi je problem što će čak i za mješavinu deuterija i tritija (1: 1) potrebna duljina motora biti oko 1 km, a ovo je redom veće od ISS-ove veličine (za ostale vrste goriva, dimenzije motora bit će još veće).


Vakuum besplatno

Jedan od najvažnijih problema termonuklearne fuzije je interakcija zidova vakuumske komore i plazme. Značajno pogoršava parametre plazme, a sam zid je uništen. Termonuklearni raketni motori trebali bi se koristiti samo u svemiru, pa svemirski vakuum omogućuje uklanjanje zida s konstrukcije, ostavljajući na magnetskim zavojnicama samo male zaštitne jastučiće. To će uvelike olakšati paljenje fuzijskom plazmom. Potencijalno se može dogoditi da prvi termonuklearni motori počnu s radom ranije nego na zemaljskim termonuklearnim elektranama.

Drugi razvoj zrcalne ćelije je plinsko-dinamička zamka plazme u kojoj se dugo područje s ujednačenim magnetskim poljem relativno niske napetosti na oba kraja završava snažnim magnetskim cijevima ili parovima cijevi (dodatne zrcalne cijevi s moćnim poljem). Pozitivna značajka takve zamke je dobro predviđeno ponašanje plazme u njoj. Međutim, njegova duljina, kao i u slučaju zamke s više utikača, morat će biti oko kilometar ili više, čak i s gorivom deuterij-tritij.

Najjednostavnija otvorena zamka plazme je zrcalna stanica. U najjednostavnijem slučaju, sastoji se od samo dvije magnetske zavojnice. Razvoj zrcalne ćelije je zamka više zrcala i plina.

Druga mogućnost za otvorene zamke su zamke s ampolarnim zatvaranjem plazme. U najjednostavnijem slučaju, to je sustav od tri zrcalne ćelije: jedna središnja s vrlo velikom duljinom i dvije male na krajevima. Kontinuirano grijana plazma u stanicama zrcala sprečava plazmu da napušta središnju komoru zrcala. Nakon što napravimo središnji dio dovoljno dugo, u njemu uvijek možemo proizvesti više energije nego što je potrebno za održavanje plazme u krajnjim dijelovima. Takva bi se zamka teoretski trebala dogoditi da bude primjetno kraća od plinsko-dinamičke ili višestruke utičnice. Ali ona ima i nedostataka. Prvo, obvezno ubrizgavanje plazme u krajnje odjeljke i njeno zagrijavanje tamo, što zahtijeva desetke ili čak stotine megavata. Dakle, reaktor bi trebao postati ne samo motor, nego i osnova cjelovite elektrane za održavanje vlastitog rada. Drugo, konfiguracija elektromagnetskog polja u ambipolarnom zamku mnogo je složenija nego u drugim vrstama otvorenih zamki, a količina eksperimentalnih podataka je nedovoljna. Pa je prerano govoriti o izvedivosti takvog motora.

Sile inercije

U zamkama za magnetsko zatvaranje, specifični impuls je ograničen temperaturom plazme, koja je zauzvrat ograničena dizajnom. Ali inercijalna nuklearna fuzija potencijalno vam omogućuje da dobijete određeni impuls veličine 10 000 000 m / s (oko 3% brzine svjetlosti), što ga čini idealnom opcijom za međuzvjezdane sonde. Taj se princip koristio u poznatom projektu Daedalus svemirskog broda, koji je u 1970-ima razvila skupina stručnjaka iz Britanskog interplanetarnog društva. Također ga koristi Daedalusov nasljednik Icarus koji se sada razvija.

Inercijalna sinteza. Glavna ideja inercijalne sinteze je jednoliko ozračivanje zrna termonuklearnog goriva snažnim tokovima čestica (fotoni, ioni, elektroni), što dovodi do njegove kompresije i zagrijavanja.

Motori s inercijalnom fuzijom su impulsni fuzijski reaktori dopunjeni magnetskom mlaznicom za produkte reakcije. Budući da je paljenje samoodržavajuće reakcije ovdje u osnovi nemoguće, reaktor bi trebao biti ne samo motor, već i elektrana koja će osigurati energiju za sebe. Štoviše, njegova električna snaga trebala bi biti najmanje 10% snage mlaznog toka. Proračuni pokazuju da nam je s potiskom motora od samo 2000 N (204 kgf) i specifičnim impulsom od 10 000 000 m / s potrebna raketna snaga snage 10 GW i električna snaga od najmanje 1 GW. Ovo je snaga cijelog pogonskog agregata velike nuklearne elektrane.

Osim toga, nema razloga vjerovati da će se u doglednoj budućnosti stvoriti svemirski laseri pogodni za komprimiranje ciljeva takvog motora. Jedina realna opcija je uporaba teških ionskih zraka. Ali oni, s potrebnim karakteristikama, još nisu stvoreni čak i za zemaljske instalacije.

Kugla-M. Eksperimentalna dvorana Fizičko-tehničkog instituta Ruske akademije nauka sa sfernim tokamakom Globus-M. Potomci ove instalacije mogu postati osnova i elektrane na zemaljskoj osnovi i termonuklearnog raketnog motora.

Tokamaki u svemiru

Gotovo svi autori projekata termonuklearnih motora zanemaruju tokamake, navodeći složenost odabira plazme za mlazni tok. Ali nisu u pravu.

U zoru termonuklearnih istraživanja pretpostavljalo se da će se plazma u tokamaku pouzdano zadržati. Međutim, brzo je postalo jasno da plazma preko magnetskog polja ide do instalacijskog zida i uništava ga. Jedan od najučinkovitijih načina rješavanja ovog problema bio je koncept divertora. Njegova je suština da se u konfiguraciji magnetskog polja stvara jasna granica - separatrix. Unutar separatriksa plazma se zadržava što je moguće bolje, ali izvan nje gotovo trenutno prelazi na posebne ploče u donjem (najčešće) dijelu instalacije, koje nazivamo divertorom.

Tako je interakcija između termonuklearne plazme i zida značajno oslabljena. Ništa ne sprečava upotrebu plazme da pređe separatriks i ostavi divertor za stvaranje vuče u raketnom motoru. Ulazak vodika u područje divertora omogućit će, kao i u slučaju otvorenih zamki, povećanje propuha redoslijedom veličine, žrtvujući specifični impuls.

Najvažnija prednost tokamaka u odnosu na sve ostale koncepte termonuklearnih raketnih motora su maksimalne performanse ove vrste magnetskih zamki. Ako su parametri stvorenih otvorenih magnetskih zamki stotine puta lošiji nego što je potrebno, tada se parametri tokamaka trebaju poboljšati redoslijedom veličine. Pored toga, razvoj termonuklearnih raketnih motora pokazat će se izuzetno korisnim za zemaljske termonuklearne elektrane. Proračuni pokazuju da sferični tokamak s jakim magnetskim poljem koji djeluje na smjesu od 98% deuterija i 2% tricija može razvijati izlaznu snagu reda od 300 MW. Kombinacijom nekoliko tih tokamaka možete dobiti potisak veličine 1000 kgf sa specifičnim impulsom od 350 000 m / s, dok će potrošnja deuterija biti 1, 5 g / s, a vodik koji se koristi kao dodatna radna tekućina biti će oko 26 g / s. "Suhi" brod težak 565 tona, noseći 35 tona deuterija i 600 tona vodika, može ubrzati do 65 km / s, usporiti, ponovo ubrzati do ove brzine i ponovno kočiti. Takvi parametri omogućuju nam da postavimo trajanje ekspedicije do Saturna u dvije godine.

Pun tenk

Na čemu će raditi zvijezda? Izbor goriva zaseban je ozbiljan problem. Najlakši način za pokretanje reakcije u mješavini deuterija i tricija je 1: 1. Međutim, postoje veliki problemi s njegovom uporabom. Tritij se ne pojavljuje u prirodi, mora se dobiti umjetno. Potrebne količine iznosit će nekoliko desetaka tona, što je mnogo puta više od mogućnosti njegove proizvodnje u povijesti! Uz to, radioaktivan je (iako slabo) i zbog toga se sam zagrijava, pa ga je praktično nemoguće skladištiti u ukapljenom obliku, a držanje pod pritiskom, pa čak i hlađenje, nije lak zadatak.

Stoga se čini da je logično rješenje proizvodnja tritija iz litija izravno u motoru, kao što je planirano u fuzijskim elektranama. Но за один проход через реактор успевает прореагировать лишь доля процента термоядерного топлива (в реакторах с инерциальным удержанием — до 10%). В электростанции вся отработанная (попавшая в дивертор) плазма собирается, и тритий может быть использован повторно. Но в двигателе эта плазма выбрасывается, так что на один атом трития, вступивший в реакцию, нужно произвести сотни новых. Однако это невозможно: один термоядерный нейтрон в лучшем случае может произвести два атома трития.

Использование смеси дейтерия и гелия-3 позволяет максимум термоядерной энергии задействовать в производстве тяги, так как «горение» такой смеси дает куда меньше нейтронов и больше быстрых заряженных частиц. Гелий-3 стабилен и совершенно безопасен. Но его на Земле нет. Единственный источник гелия-3 — распад трития, так что производство его в количестве десятков тонн — еще более сложная задача. Теоретически гелий-3 можно добывать на Луне, но для этого потребуется создание мощной космической инфраструктуры (для чего как раз очень пригодился бы термоядерный ракетный двигатель). Стоит отметить еще две проблемы смеси дейтерия и гелия-3: во‑первых, она требует куда большей температуры и времени удержания плазмы, а во-вторых, дает меньшую мощность на единицу объема плазмы.

Поэтому первые термоядерные ракетные двигатели будут работать либо на чистом дейтерии, либо на дейтерии с небольшой (не более нескольких процентов) примесью трития. Недостатки у этого топлива такие же, как и у смеси дейтерия и гелия-3, плюс еще мощное нейтронное излучение. Зато дейтерий относительно дешев и доступен практически в неограниченных количествах. Концентрация примеси трития будет определяться тем, сколько его удастся произвести из лития. Даже небольшая примесь этого изотопа может позволить существенно повысить термоядерную мощность реактора.

Статья «Звездные корабли» опубликована в журнале «Популярная механика» (№4, Апрель 2013). Pitam se kako radi nuklearni reaktor i mogu li roboti izgraditi kuću?

Sve o novim tehnologijama i izumima! U redu Slažem se s pravilima web stranice Hvala. Poslali smo potvrdu na vašu e-poštu.

Preporučeno

Uvredljivi strojevi: Iskin je pobijedio pilota borbenih snaga
2019
Mitohondrijska Eva: je li čovječanstvo imalo zajedničkog pretka?
2019
Najopasniji hrčak: prema svjetskoj povijesti trovanja
2019