Ядерные Ракетные Двигатели, классические и перспективные концепции Опции

[Denis_Hliustin]

Каким должен быть ядерный ракетный двигатель ближайших десятилетий?
Можно ли стартовать на нём с Земли?
Возможен ли ЯРД внешнего горения, с газообразной активной зоной и скоростью истечения 100 км/сек при тяге достаточной для взлёта с Земли?



В РД-0410 применялся гетерогенный реактор на тепловых нейтронах, замедлителем служил гидрид циркония, отражатели нейтронов из бериллия, ядерное топливо — материал на основе карбидов урана и вольфрама, обогащение по изотопу U235 около 80 %. Получилось:

Тяга в пустоте — 3,59 тс (35,2 кН)
Тепловая мощность реактора — 196 МВт
Удельный импульс тяги в пустоте — 910 кгс·с/кг (8927 м/с)
Число включений — 10
Ресурс работы — 1 час
Компоненты топлива: рабочее тело — жидкий водород, вспомогательное вещество — гептан
Масса с радиационной защитой — 2 тонны
Габариты двигателя: высота 3.5 м, диаметр 1.6 м

Ресурс реактора соответствует расходованию 15 тонн водорода, тяга двигателя для взлёта с Земли с таким запасом - недостаточная. За время работы реактора образуются лишь 10 грамм осколков деления, пятитысячная часть от массы U235 в двигателе. Поэтому несмотря на конечную скорость ракеты, до 18 км/сек c таким двигателем, серийные ЯРД должны иметь более эффективное использование делящегося материала, обеспечивать выгорание уровня 10%.
Тонкие ТВЭЛы, нужные для высокой удельной мощности реактора, должны иметь высокую химическую стойкость в потоке горячего водорода.

Интересно отметить бытующее мнение о невозможности стартовать с Земли на ЯРД, основанное в частности на постулате о негерметичности ТВЭЛов ЯРД.
В первые минуты полёта осколки деления ещё не наработаны, поэтому старт из пустынной местности, с трассой разгона над океаном, потенциально возможный вариант. Это означает возможность выводить на орбиту одной тяжёлой ракетой не десятки-сотню, а тысячу тонн груза.

В связи с разработкой "марсианских" ЯРД представляет интерес обсудить идеи, которые могут быть положены в основу конструкции ЯРД.





Сообщение отредактировал Denis_Hliustin - 16.6.2013, 20:00

[или]

В природном вольфраме есть 14% W183. В молибдене есть четыре изотопа совсем не поглащающие нейтроны.Для устойчивости по кислорду
нужно взять некоторые изотопы платины и палладия, монетарные не обязательно, в продуктах деления есть платина и палладий.Из выше
указанных изотопов можно сделать сплав с термостойкостью 3050 градусов. И этот сплав не будет поглощать нейтроны.Дальше я думаю что
МОХ топливо не логично , надо что-бы в центре урановой таблетки была ещё таблетка с 5% плутония.По тому что кюрий образуется в количестве
60 грамм на тонну.И нужно иметь всё до калифорния и добывать это всё из 5% а не из тонны.Тогда будет ЯРД.

[Denis_Hliustin]

платина и палладий.Из выше указанных изотопов можно сделать сплав с термостойкостью 3050 градусов. И этот сплав не будет поглощать нейтроны.Дальше я думаю что МОХ топливо не логично , надо что-бы в центре урановой таблетки была ещё таблетка с 5% плутония.По тому что кюрий образуется в количестве
60 грамм на тонну.И нужно иметь всё до калифорния и добывать это всё из 5% а не из тонны.Тогда будет ЯРД.

Хорошая мысль. Нужно экспериментально исследовать этот сплав на эффект допплера при нагреве, на стойкость в водороде, прочность при высоких температурах и т.п. После 1991 года в Росатоме на сами по себе подобные работы один ответ: "это никому не нужно, нету средств и т.п." Совсем другое дело, когда они увязаны с перспективной практической задачей или, ещё лучше, конкретной разработкой.

Относительно же идей на качественном уровне, любопытно услышать оценки по следующему аспекту.
Есть классический ЯРД, прокачивание водорода вдоль тонких ТВЭЛов в термостойкой оболочке. Максимальная скорость истечения 9 км/сек. Как говорилось в соседнем обсуждении, осколки деления отбрасывать со скоростью истечения 13000 км/сек, если и было бы возможно, в ближайшие десятилетия неподъёмно по расходу делящихся материалов: основная энергия уносится с отбрасываемым материалом, а она пропорциональна квадрату скорости.

Скорость истечения 9 км/сек маловата для полёта даже к Марсу: оптимальна 'U' в два раза больше или меньше характеристической скорости всего полёта, в пределах 20 - 60 км/сек. Как этого добиться, на уровне идей?

Термостойкость ТВЭЛов даёт только 9 км/сек. Если водород диссоциировать на атомы, молярная масса вместо 2 станет 1, скорость истечения увеличится до 13 км/сек. Далее, внутри реактора делаем полость с водородом без ТВЭЛов, покрытую поглотителем тепловых нейтронов. Туда инжектируется, в поток водорода, газообразный UO2(NO3)2, образуется система связанных реакторов:
внешняя АЗ работает на быстрых нейтронах и подпитывает ими внутреннюю газообразную, развязанную по обратной связи, работающую на эпитепловых нейтронах вблизи резонанса 0.3 электрон-вольта где сечение высокое. Внутри потока водорода температура растёт до величин, более высоких чем позволяет реактор с твёрдой активной зоной. Это один вариант. Сложность в том, что мощность внутреннего реактора должна быть в несколько раз больше чем внешнего, только тогда есть смысл.

Следующий вариант - развитие предыдущего: нужно вынести АЗ за пределы реактора. Пусть аппарат представляет собой летающую тарелку с вогнутым дном, покрытым вольфрамом или пиролитическим графитом. Принцип действия: по центру из аппарата вниз светят один или несколько водородных факелов обычных ЯРД, работающих при давлении уровня 200 атмосфер. Они образуют сверхзвуковой поток водорода, за бортом имеющий ещё существенную плотность. В этот поток с краёв тарелки инжектируются струи UO2(NO3)2 или UF6, сталкивающиеся под днищем летающей тарелки и распыляющиеся там. Образуется саморегулирующаяся по мощности область цепной реакции на нейтронах резонанса 0.3 эв, роль ракетного сопла выполняет вся нижняя вольфрамовая поверхность аппарата. Факел классических ЯРД обеспечивает термозащитный слой, и если он не перемешивается, тепловые нагрузки на вольфрам приемлемые.

Пусть масса дискообразного аппарата 1000 тонн, чуть больше крупнейших самолётов. При скорости истечения 50 км/сек для ускорения 1g потребуется мощность цепной реакции как минимум P = mgV = 500 ГВт. В яркий солнечный день столько приходит в круг диаметром 25 километров. Минимальный расход делящегося материала 6 грамм в секунду при кпд 100%.
Из примера видно, что начиная с некоторой величины летающей тарелки, большая величина критмассы на эпитепловых нейтронах изотопов Cm245 и Сf251 (десятки грамм) не препятствует созданию подобного аппарата. Требующийся секундный расход делящегося материала, определённый из его энергоёмкости, достаточен для образования критмассы под летающей тарелкой. Реакция внешнего горения пойдёт на термализованных нейтронах и может иметь саморегулирующийся характер.

Вопрос: можно ли это считать научной фантастикой?
Можно ли создать под днищем аппарата непрозрачный для ультрафиолетового излучения динамический слой водорода /и чего-то ещё/, не подверженный конвекции, чтобы 500 ГВт не расплавили днище аппарата? Кажется да, ведь при входе в атмосферу обдуваемый кислородом теплозащитный экран спускаемых аппаратов выдерживает сопоставимые тепловые потоки.

Сообщение отредактировал Denis_Hliustin - 17.6.2013, 0:47

[Denis_Hliustin]

Продолжаем, обсуждая научную фантастику, рассматривать соотношения в дискообразном летающем аппарате диаметром 100 метров, массой 4000 тонн и скоростью истечения водорода 50 км/сек. Минимальная полезная мощность для взлёта с Земли 2000 ГВт, расход водорода 800 кг/сек, удельная нагрузка на нижнюю поверхность 500 кг/м2 типична для реактивных самолётов.
Мощность 250 МВт/м2 типична для ракетных двигателей. При отводе всей этой мощности излучением Т должно быть 8000 градусов, однако основная часть энергии связана с отбрасываемым веществом, стенка двигателя теплоизолирована от основной части этой энергии и вольфрам не плавится.

Альтернативный принцип действия, по сравнению с названными ранее:
классические ЯРД инжектируют под днище водород со сторостью 1000 м/сек, туда же с частотой 10 Гц выстреливается шарик плутония массой 5 грамм. Аналогично лазерному термоядерному синтезу облучение шарика повышает плотность, и в случае сжатия материала, соответствующему КПД цепной реакции 50%, тепловая мощность составляет 2000 ГВт из которых, при подрыве шарика на расстоянии 50 метров от днища аппарата, основная часть проецируется на аппарат.

С частотой 10 Гц следуют циклы: классические ЯРД образуют под аппаратом столб водорода высотой 100 метров, в центре этого столба подрывается шарик плутония, разогретый водород отбрасывается со скоростью порядка 50 км/сек.

Центральная идея принципа действия: использовать не реакции синтеза, а делительные реакции на плутонии в той же лазерной концепции.
Формально говоря, надкритичность за счет сверхвысокого сжатия может достигаться при миллиграммовых массах /критмасса в случае без отражателя обратно пропорциональна квадрату плотности/. Однако стали считать, обнаружили: в ракетном применении главным фактором становится время развития цепной реакции. Чтоб не произошёл так называемый "проскок", минимальная масса плутония превращается в граммы, энергия лазеров или электронных ускорителей - в десятки мегаджоулей, минимальная выходная энергия при высоких выгораниях - тонны ТЭ.

Обратим внимание: эти величины не являются препятствием для создания ракеты на делящемся материале как транспортном энергоносителе. Для электронных ускорителей обеспечивающих сжатие шарика плутония, энергия должна запасаться в огромных электрических конденсаторах составляющих "кольцевую" часть летающей тарелки. Диэлектриком в них может являться дистилированная вода.

Нужно также отметить, сейчас и этот проект, и термоядерный ТОКАМАК кажутся фантастикой. Если же вдруг будут изобретены энергоёмкая взрывчатка на основе метастабильных ядер для первого проекта, и сверхпроводники с температурой 400 Кельвинов для второго, вся эта фантастика мгновенно перейдёт в практическую плоскость.





Сообщение отредактировал Denis_Hliustin - 28.6.2013, 2:07