0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое термоядерный двигатель

Термоядерный ракетный двигатель

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.

Что такое синтез?

Мы и наша планета во многом зависим от миллионов ядерных реакций синтеза, которые каждую секунду происходят внутри ядра Солнца. Без этих реакций у нас бы не было ни света, ни тепла, и, вероятнее всего, жизни. Термоядерный синтез происходит, когда два атома водорода сталкиваются и создают больший атом гелия-4, который испускает энергию в процессе этого.

Вот как происходит эта реакция:

  1. Два протона в совокупности образуют атом дейтерия, позитрон и нейтрино.
  2. Протон и атом дейтерия создают атом гелия-3 (два протона и один нейтрон) и гамма-луч.
  3. Два гелий-3 атома в совокупности образуют атом гелия-4 (два протона и два нейтрона) и два протона.

Синтез может происходить только в условиях крайне горячей среды, температура которой измеряется миллионами градусов. Звезды, состоящие из плазмы, представляют собой единственные природные объекты, достаточно горячие для создания реакции термоядерного синтеза. Плазма, которую часто называют четвертым состоянием вещества, представляет собой ионизированный газ, состоящий из атомов, лишенных некоторой части электронов. Реакция синтеза отвечает за создание 85 % энергии Солнца.

Высокий уровень тепла, необходимый для создания этого типа плазмы, приводит к тому, что ее нельзя заключить в контейнер из любого, известного нам вещества. Тем не менее, плазма хорошо проводит электричество, что позволяет удерживать, управлять и ускорять ее с помощью магнитного поля. Именно это легло в основу космического корабля с двигателем на основе синтеза, который NASA хочет построить в течение ближайших 25 лет. Давайте рассмотрим конкретные проекты двигателей на основе термоядерного синтеза.

Термоядерный ракетный двигатель

Команда американских ученых использует особенную установку для испытания ядерного оружия, чтобы разработать термоядерный ракетный двигатель, который сделает Солнечную систему «задним двором» человечества.

Огромный аппарат под названием Decade Module Two (DM2) в течение 10 лет использовался Агентством по сокращению военной угрозы (DTRA) для исследований в области воздействия ядерных взрывов. В 2009 году военные исследования были закончены и DM2 передали Университету Алабамы.

Теперь специалисты из Университета Алабамы в Хантствилле, НАСА, Boeing используют бывшую военную установку для сборки устройства Charger-1 Pulsed Power Generator. Когда 50-тонный Charger-1 соберут, это будет одна из самых крупных и мощных импульсных энергетических систем в мире.

Термоядерный синтез – это слияние атомных ядер, которое освобождает большое количество энергии. Американские ученые планируют использовать термоядерный синтез с участием атомов тяжелого водорода, дейтерия, и изотопов лития. Энергию, необходимую для сжатия атомов, т.е. зажигания термоядерной реакции, планируется высвобождать с помощью мощного импульсного устройства, которое по действию чем-то похоже на удар молнии.

Зажечь термоядерную реакцию в установке Charger-1 должен мощнейший электрический импульс, энергию для которого накапливают конденсаторы. В настоящее время идет монтаж проводов из лития-6 и дейтерида лития, проводящих импульс и превращающихся в плазму, которая будет сжиматься Z-пинч эффектом.


Работа Z-пинч эффекта

Пинч-эффект — это сжатие плазмы в результате взаимодействия тока разряда с магнитным полем. Если ток протекает вдоль оси цилиндрического плазменного столба, то его называют Z-пинчем. Z-пинч можно наблюдать, например, при ударе молнии в трубчатый громоотвод. Данный эффект используется для стабилизации плазмы в термоядерных реакторах, и в НАСА на него возлагают большие надежды.

Разряд установки Charger-1 может производить плазму, которая сжимается собственным магнитным полем и при размере в палец может заключать в себе 20% от всей энергии, которую потребляет человечество в текущий момент времени. Разумеется, главная цель разработчиков термоядерного ракетного двигателя – получить на выходе больше энергии, чем было потрачено на инициацию термоядерного синтеза. Хотя, надо сказать, команда Charger 1 не надеется, что им удастся этого достичь, но в любом случае огромная установка даст большое количество ценной научной информации, которая пригодится для разработки первого прототипа термоядерного ракетного двигателя. Бывший военный модуль DM2 в 500-наносекундном электрическом импульсе выдает до 1 тераватта мощности — около 6% от потребления электроэнергии в мире.

Проблема космических кораблей на химическом горючем известна: нужно сжечь тысячи тонн топлива, чтобы транспортировать всего десятки тонн полезного груза. С такими ракетами серьезно говорить об освоении Солнечной системы не приходится.


Слева направо показана эволюция научной программы по созданию Z-пинч двигателя: через 9 лет вместо одного нынешнего накопительного модуля DM2 будет испытываться полноценное кольцо из 8 модулей. Еще через 2 года будут испытываться одновременно 2 кольца

Термоядерная силовая установка – совсем другое дело. Термоядерной ракете вместо тысяч нужно всего несколько тонн топлива. Более того, с помощью ядерного ракетного двигателя, например, на Марс можно было бы долететь не за 6 месяцев, а за 6 недель. Все это одним махом решает проблему длительного пребывания в напичканном опасностями космосе, а также уменьшает сложность систем жизнеобеспечения и защиты космического корабля.

Читать еще:  Автозапуск двигателя хорошо или плохо


Кандидат технических наук специалист в области аэрокосмической техники Росс Кортез, участвующий в проекте Charger-1, описывает термоядерный ракетный двигатель очень просто

Кандидат технических наук специалист в области аэрокосмической техники Росс Кортез, участвующий в проекте Charger-1, описывает термоядерный ракетный двигатель очень просто: «Представьте, что в задней части ракеты взрывается заряд, эквивалентный 1 тонне тротила. Именно такой двигатель мы и делаем».

Двигатель корабля на Z-пинче работает просто

Двигатель корабля на Z-пинче работает просто: в параболическую камеру сгорания подаются два компонента топлива и мощный электрический импульс из конденсаторов превращает их в плазму. Магнитное поле большой силы сжимает плазму и зажигает реакцию термоядерного синтеза. В результате образуется расширяющаяся в камере сгорания плазма, которая имеет массу всего 0,02 кг, но ее начальная кинетическая энергия достигает 1 ГДж.

Плазма, раздувающаяся как своеобразный воздушный шарик, в итоге сжимается Z-пинч эффектом, выбрасывается из магнитного сопла и создает реактивную тягу.

Основная функция Z-пинч эффекта – это защищать двигатель от разрушения и направлять очень большие токи (в мегамперы) через плотную плазму в течение очень короткого времени – около 10-6 секунды.

На выходе получается реактивная тяга в 3812 ньютон-секунд за импульс при частоте 10 импульсов в секунду и удельном импульсе 19436 секунд.

В НАСА рассчитывают на то, что количество энергии, выделяющейся при реакции синтеза, будет в 3 раза больше количества энергии, необходимого для зажигания. Это означает, что за 100 наносекунд до начала следующего импульса конденсаторам необходимо «сбросить» в камеру сгорания 333 МДж энергии. Это весьма сложная проблема — даже учитывая высокую эффективность конденсаторов (80%), необходимо будет решить задачу создания накопителей, которые смогут очень быстро заряжаться и разряжаться.

Ядерный ракетный двигатель строят для полетов на Марс. Чем он опасен?

NASA разработает ядерный двигатель для быстрого полета на Марс. Ракеты с ядерными двигателями будут более мощными и вдвое более эффективными, чем с химическими, которые используются сегодня. Рассказываем подробнее о разработке, как быстро она будет передвигаться и чем опасна.

Читайте «Хайтек» в

Что такое ядерный ракетный двигатель?

Ядерный ракетный двигатель (ЯРД) — разновидность ракетного двигателя, которая использует энергию деления или синтеза ядер для создания реактивной тяги.

Традиционный ЯРД в целом представляет собой конструкцию из нагревательной камеры с ядерным реактором как источником тепла, системы подачи рабочего тела и сопла. Рабочее тело (как правило — водород) подается из бака в активную зону реактора, где, проходя через нагретые реакцией ядерного распада каналы, разогревается до высоких температур и затем выбрасывается через сопло, создавая реактивную тягу.

Существуют различные конструкции ЯРД: твердофазный, жидкофазный и газофазный — соответствующие агрегатному состоянию ядерного топлива в активной зоне реактора — твердое, расплав или высокотемпературный газ (либо даже плазма).

Твердофазный ядерный ракетный двигатель

В твердофазных ЯРД (ТфЯРД) делящееся вещество, как и в обычных ядерных реакторах, размещено в сборках-стержнях (ТВЭЛах) сложной формы с развитой поверхностью, что позволяет эффективно нагревать газообразное рабочее тело (обычно — водород, реже — аммиак), одновременно являющееся теплоносителем, охлаждающим элементы конструкции и сами сборки.

Температура нагрева ограничена температурой плавления элементов конструкции (не более 3000 К). Удельный импульс твердофазного ЯРД, по современным оценкам, составит 850–900 с, что более чем вдвое превышает показатели наиболее совершенных химических ракетных двигателей.

Наземные демонстраторы технологий ТфЯРД в ХХ веке были созданы и успешно испытаны на стендах (программа NERVA в США, РД-0410 в СССР).

Газофазный ядерный ракетный двигатель

Газофазный ядерный реактивный двигатель (ГЯРД) — концептуальный тип реактивного двигателя, в котором реактивная сила создаётся за счёт выброса теплоносителя (рабочего тела) из ядерного реактора, топливо в котором находится в газообразной форме или в виде плазмы. Считается, что в подобных двигателях удельный импульс составит 30–50 тыс. м/с.

Перенос тепла от топлива к теплоносителю достигается в основном за счет излучения, большей частью в ультрафиолетовой области спектра (при температурах топлива около 25 000 °C).

Ядерный импульсный двигатель

Атомные заряды мощностью примерно в килотонну на этапе взлета должны взрываться со скоростью один заряд в секунду. Ударная волна — расширяющееся плазменное облако — должна была приниматься «толкателем» — мощным металлическим диском с теплозащитным покрытием и потом, отразившись от него, создать реактивную тягу.

Импульс, принятый плитой толкателя, через элементы конструкции должен передаваться кораблю. Затем, когда высота и скорость вырастут, частоту взрывов можно будет уменьшить. При взлете корабль должен лететь строго вертикально, чтобы минимизировать площадь радиоактивного загрязнения атмосферы.

В США космические разработки с использованием импульсных ядерных ракетных двигателей осуществлялись с 1958 по 1965 год в рамках проекта «Орион» компанией «Дженерал Атомикс» по заказу ВВС США.

По проекту «Орион» проводились не только расчеты, но и натурные испытания. Летные испытания моделей летательного аппарата с импульсным приводом (для взрывов использовалась обычная химическая взрывчатка).

Были получены положительные результаты о принципиальной возможности управляемого полёта аппарата с импульсным двигателем. Также для исследования прочности тяговой плиты проведены испытания на атолле Эниветок.

Во время ядерных испытаний на этом атолле покрытые графитом стальные сферы были размещены в 9 м от эпицентра взрыва. Сферы после взрыва найдены неповрежденными, тонкий слой графита испарился (аблировал) с их поверхностей.

Читать еще:  Что такое двигатель beems

В СССР аналогичный проект разрабатывался в 1950–1970-х годах. Устройство содержало дополнительные химические реактивные двигатели, выводящие его на 30–40 км от поверхности Земли. Затем предполагалось включать основной ядерно-импульсный двигатель.

Основной проблемой была прочность экрана-толкателя, который не выдерживал огромных тепловых нагрузок от близких ядерных взрывов. Вместе с тем были предложены несколько технических решений, позволяющих разработать конструкцию плиты-толкателя с достаточным ресурсом. Проект не был завершен. Реальных испытаний импульсного ЯРД с подрывом ядерных устройств не проводилось.

Ядерная электродвигательная установка

Ядерная электродвигательная установка (ЯЭДУ) используется для выработки электроэнергии, которая, в свою очередь, используется для работы электрического ракетного двигателя.

Подобная программа в США (проект NERVA) была свернута в 1971 году, но в 2020 году американцы вновь вернулись к данной теме, заказав разработку ядерного теплового двигателя (Nuclear Thermal Propulsion, NTP) компании Gryphon Technologies для военных космических рейдеров на атомных двигателях для патрулирования окололунного и околоземного пространства, также с 2015 года идут работы по проекту Kilopower.

С 2010 года в России начались работы над проектом ядерной электродвигательной установки мегаваттного класса для космических транспортных систем (космический буксир «Нуклон»). На 2021 год ведется отработка макета; к 2025 году планируется создать опытные образцы данной ядерной энергоустановки; заявлена плановая дата летных испытаний космического тягача с ЯЭДУ — 2030 год.

Мощность

По оценкам А. В. Багрова, М. А. Смирнова и С. А. Смирнова, ядерный ракетный двигатель может добраться до Плутона за 2 месяца и вернуться обратно за 4 месяца с затратой 75 тонн топлива, до Альфы Центавра за 12 лет, а до Эпсилона Эридана за 24,8 года.

Ядерный двигатель опасен?

Основным недостатком является высокая радиационная опасность двигательной установки:

  • потоки проникающей радиации (гамма-излучение, нейтроны) при ядерных реакциях;
  • вынос высокорадиоактивных соединений урана и его сплавов;
  • истечение радиоактивных газов с рабочим телом.

Использование открытия российских ученых в гражданском секторе тесно связано с безопасностью ядерной силовой установки. Нужно было обеспечить безопасность его выхлопа.

Защита малогабаритного ядерного двигателя меньше, чем у большего по размерам, поэтому нейтроны будут проникать в «камеру сгорания», тем самым с некоторой вероятностью делая радиоактивным все вокруг.

Азот и кислород имеют радиоактивные изотопы с малым временем полураспада и не опасны. Радиоактивный углерод вещь долгоживущая. Но есть и хорошие новости.

Радиоактивный углерод образуется в верхних слоях атмосферы под действием космических лучей. Но главное, концентрация углекислого газа в сухом воздухе составляет всего 0,02÷0,04%.

Учитывая же, что процент углерода, становящийся радиоактивным, величина еще на несколько порядков меньшая, предварительно можно считать, что выхлоп ядерных двигателей не более опасен, чем выхлоп ТЭЦ, работающей на угле.

Собираются ли использовать ядерный двигатель для новейших полетов в космос?

Да, в начале февраля стало известно, что NASA проведет тестирование новейшего ядерного двигателя для полетов на Марс. Ожидается, что с его помощью можно будет добраться до Красной планеты всего лишь за три месяца.

В последние годы ученые и инженеры NASA и других космических агентств мира активно обсуждают планы по постройке постоянных обитаемых баз на поверхности Луны и Марса.

  • В чем его преимущества?

Главным ключом к обеспечению их автономности и удешевлению постройки специалисты NASA считают технологии трехмерной печати, позволяющие использовать воду и местные ресурсы — почву, горные породы и газы из атмосферы — для постройки зданий базы прямо на месте.

Подобные принтеры, как показывают опыты на борту МКС и на Земле, позволяют напечатать почти все необходимое для жизни колонистов на Марсе, за исключением одного, самой главного компонента базы — источника питания, чья мощность была бы достаточной для обеспечения работы самого 3D-принтера, а также питания и обогрева всей базы.

В рамках подготовки NASA к высадке на Марс в 2035 г. американская компания Ultra Safe Nuclear Technologies (USNT) из Сиэтла предложила свое решение — ядерный тепловой двигатель (NTP)

  • Каким будет ядерный двигатель?

USNT предлагает классическое решение — ядерный двигатель с использованием сжиженного водорода в качестве рабочего тела: ядерный реактор вырабатывает тепло из уранового топлива, эта энергия нагревает жидкий водород, проходящий по теплоносителям, который расширяется в газ и выбрасывается через сопло двигателя, создавая тягу.

Одна из основных проблем при создании такого типа двигателей — найти урановое топливо, которое может выдерживать резкие колебания температуры внутри двигателя. В USNT утверждают, что решили эту проблему, разработав топливо, которое может работать при температурах до 2 400 градусов Цельсия.

Топливная сборка содержит карбид кремния: этот материал, используемый в слое триструктурально-изотропного покрытия, образует газонепроницаемую преграду, препятствующую утечке радиоактивных продуктов из ядерного реактора, защищая космонавтов.

Кроме того, для защиты экипажа и на случай непредвиденных ситуаций ядерный двигатель не будет использоваться во время старта с Земли — он начнет работу уже на орбите, чтобы минимизировать возможные повреждения в случае аварии или нештатной работы.

Кстати

И делить, и соединять?

Пока термоядерный реактор прошёл только первую часть пути — от бумаги до бетона, учёные Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», которые всегда задавали тон исследованиям в этой области, представили уже новый проект — гибридный реактор.

Читать еще:  Что такое однополярный двигатель

Евгений Велихов, президент центра, в своём докладе в С.-Петербурге подробно рассказал о гибридных системах термоядерного синтеза, в котором реакции деления и соединения атомов дополняют друг друга и гармонизируют общий процесс. Такие системы замыкают ядерный цикл, позволяя воспроизводить топливо внутри себя, и становятся частью «зелёной энергетики».

Главная идея гибридных систем, как сформулировал её академик Велихов, основывается на том, что уже достигнуто. «Мы опираемся на результаты ядерной энергетики в целом, — сказал он, — потому что Курчатовский институт всегда рассматривал ядерную энергетику в широком смысле».

Зачем нужен ITER и кто за него платит?

Токамак ITER станет первым термоядерным реактором, который будет вырабатывать больше энергии, чем необходимо для нагрева самой плазмы. К тому же он сможет поддерживать ее в стабильном состоянии намного дольше ныне существующих установок. Ученые утверждают, что именно для этого и нужен столь масштабный проект.

С помощью такого реактора специалисты собираются преодолеть разрыв между нынешними небольшими экспериментальными установками и термоядерными электростанциями будущего. Например, рекорд по термоядерной мощности был установлен в 1997 году на токамаке в Британии — 16 МВт при затраченных 24 МВт, тогда как ITER конструировали с прицелом на 500 МВт термоядерной мощности от 50 МВт вводимой тепловой энергии.

На токамаке будут испытаны технологии нагрева, контроля, диагностики, криогеники и дистанционного обслуживания, то есть все методики, необходимые для промышленного образца термоядерного реактора.

Объемов мирового производства трития будет недостаточно для электростанций будущего. А потому на ITER отработают также технологию размножающегося бланкета, содержащего литий. Из него под действием термоядерных нейтронов и будут синтезировать тритий.

Однако не стоит забывать, что это пускай и дорогой, но эксперимент. Токамак не будет оборудован турбинами или другими системами конвертации тепла в электричество. То есть коммерческого выхлопа в виде непосредственной генерации энергии не будет. Почему? Потому что это только усложнило бы проект с инженерной точки зрения и сделало бы его еще более дорогим.

Схема финансирования довольно запутанная. На стадии строительства, создания реактора и прочих систем комплекса примерно 45% расходов несут страны Евросоюза, остальные участники — по 9%. Однако бóльшая часть взносов — это «натура». Большинство компонентов поставляются в ITER напрямую от стран-участниц.

Они прибывают во Францию по морю, а из порта к стройплощадке доставляются по дороге, специально переделанной французским правительством. На 104 км «Пути ITER» страна потратила 110 млн евро и 4 года работы. Трасса была расширена и усилена. Дело в том, что до 2021 года по ней пройдут 250 конвоев с огромными грузами. Самые тяжелые детали достигают 900 тонн, самые высокие — 10 метров, самые длинные — 33 метра.

Пока ITER не ввели в эксплуатацию. Однако уже существует проект электростанции DEMO на термоядерном синтезе, задача которой как раз и продемонстрировать привлекательность коммерческого использования технологии. Этот комплекс должен будет непрерывно (а не импульсно, как ITER) генерировать 2 ГВт энергии.

Сроки реализации нового глобального проекта зависят от успехов ITER, но по плану 2012 года первый пуск DEMO произойдет не раньше 2044 года.

Читайте также:

Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!

Быстрая связь с редакцией: читайте паблик-чат Onliner и пишите нам в Viber!

Движение на термоядерном синтезе с динамическим газовым зеркалом

Одновременно с VASIMR разрабатывается и система движения на синтезе с динамическим газовым зеркалом (GDM). В этом двигателе длинные тонкие мотки проволоки с током действуют как магнит, окружая вакуумную камеру, содержащую плазму. Плазма находится в ловушке магнитного поля, создаваемого центральной секцией системы. В каждом конце двигателя находятся зеркальные магниты, которые препятствуют слишком быстрому выбросу плазмы из двигателя. Разумеется, часть плазмы должна просачиваться и обеспечивать тягу.

Как правило, плазма неустойчива и ее сложно удержать, поэтому первые машины с таким механизмом давались очень сложно. Динамическое газовое зеркало позволяет избежать проблем неустойчивости, потому что построено длинным и тонким, поэтому магнитные линии выстраиваются по всей длине системы. Нестабильность контролируется тем, что позволяет определенному количеству плазмы протекать через узкую часть зеркала.

В 1998 году в рамках эксперимента было продемонстрировано, как GDM производит плазму в процессе работы системы впрыска плазмы, которая работает аналогично передней ячейке VASIMR. Она вводит газ в GDM и нагревает его микроволновой антенной, работающей на частоте 2,45 ГГц. Этот эксперимент проводится для подтверждения обоснованности концепции GDM. Исследователи также разрабатывают полноразмерную систему двигателя с этим механизмом.

Хотя многие передовые концепции двигателей NASA еще далеки от реализации, основа для двигателя на энергии синтеза уже заложена. Когда станут доступны другие технологии, которые сделают путешествие на Марс возможным, корабль с энергией синтеза придется как нельзя кстати. В середине 21 века поездки на Марс могут стать такой же рутиной, как и отправка еды на МКС.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector