Концентрация нейтронов/неравномерность поля в реакторе, Какая достижима? Опции

[Татарин]

Вот темой про ЯРД навеяло...
Понятно, что энерговыделение в критмассе неравномерно - в центре больше.
А если поставить себе целью максимальную неравномерность, то какая достижима? И какими средствами/насколько сложно?

Полая сфера с отражателем и крупинкой делящегося материала в центре - интуитивно понятное решение. Опять же, интуитивно, все-таки основная энергия выделится в сфере. Так ли это? Можно ли что-то придумать лучше?

[AtomInfo.Ru]

Энерговыделение есть произведение потока нейтронов на макросечение деления, умноженное на константу.

С константой ничего не сделаешь, в дальнейших рассуждениях отбрасываем.

Исказить форму потока нейтронов достаточно сложно. Забудем.

Остаётся макросечение деления.

[AtomInfo.Ru]

Далее.

Макросечение деления есть произведение ядерной концентрации делящегося изотопа на его микросечение деления (в предположении, что у нас один делящийся изотоп; иначе это будет сумма таких произведений по изотопам).

Сильных изменений микросечения деления по реактору также добиться сложно.

Следовательно, остаётся последний множитель из исходной формулы, а именно, концентрация делящегося вещества.

И отсюда вытекает самый простой способ повысить неравномерность энерговыделения - профилировать по реактору обогащение (в предположении, что мы говорим о свежем уране).

То есть, располагаем в центре реактора (неважно сейчас, какой он формы) топливо с большим обогащением, на периферии - с малым. Et voila.

[Pakman]

То есть, располагаем в центре реактора (неважно сейчас, какой он формы) топливо с большим обогащением, на периферии - с малым. Et voila.

А как уважаемый автор собирается удерживать центр такой активной зоны от локальной закритичности?

[AtomInfo.Ru]

А как уважаемый автор собирается удерживать центр такой активной зоны от локальной закритичности?

Пока никак.
Вопрос был, что нужно сделать, чтобы обеспечить максимальную неравномерность энерговыделения.
Самый простой способ, прямо вытекающий из определения энерговыделения, он такой.

Далее следующие условия нужно поставить. И сначала даже просто по критичности всей системы, а не локальных масс.

[pappadeux]

Вот темой про ЯРД навеяло...
Понятно, что энерговыделение в критмассе неравномерно - в центре больше.
А если поставить себе целью максимальную неравномерность, то какая достижима? И какими средствами/насколько сложно?

Полая сфера с отражателем и крупинкой делящегося материала в центре - интуитивно понятное решение. Опять же, интуитивно, все-таки основная энергия выделится в сфере. Так ли это? Можно ли что-то придумать лучше?

ммм....

я б сказал, что если нужна максимальная неравномерность, то делать свечку/сигару с движущимся отражателем, разве нет?

[Татарин]

Следовательно, остаётся последний множитель из исходной формулы, а именно, концентрация делящегося вещества.

Это вот понятно, что где урана больше - там его больше и делится, но не очень интересно в контексте...

Вот смотрите: есть ЯРД, реактор+сопло, из которого выкидывается теплоноситель. И есть задача как можно сильнее теплоноситель этот нагреть.
Первое решение тривиально: берём ТВЭЛы на максимальную температуру, прокачиваем водород, нагреваем его как можем - выкидываем. Но результат - так себе, и удельный импульс максимум 800-900с, и без грязи наружу всё равно не очень получается.

Вторая ветка решений: создать критичность в урановой плазме и выкидывать водород, нагретый плазмой, а то и вовсе уран. Грязно, сложностей много, но зато удельный импульс большой, раза в полтора поднять можно. Одна беда: у плазмы плотность никакая. Либо с критичностью проблемы, либо с размерами этого ужаса, либо с нагревом твердотельной части, либо ещё с чем-нибудь, либо со всем вместе и ещё с чем-нить в довесок.

Есть третий вариант, Зубриным предложенный. Топливо - жидкое, раствор, реактор на тепловых нейтронах, мы это топливо в реакции греем до максимума, и за время термализации нейтронов выкидываем в сопло, где "запасённые" в растворе нейтроны "добивают" газ до температуры выше, чем мы могли бы удержать. Беда та, что получается лишь, что чуть выше... Много нейтронов не запасти, а в сопле вместе с потерей плотности раствора мы потеряем и критичность.

Поэтому возникает идея: запустить замедлитель, окружающий топливо (водород) со скоростью гораздо бОльшей, чем само топливо, и значительную часть тепла выносить вместе с запасёнными нейтронами. Но и тут нужно как-то изголиться и выправить энерговыделение по оси зоны, чтобы максимум был там, где надо.

Но, похоже, что никак.

[Татарин]

ммм....

я б сказал, что если нужна максимальная неравномерность, то делать свечку/сигару с движущимся отражателем, разве нет?

Ну да. Топливо должно давать нейтроны в одном месте, а получать их в другом. В этом идея Зубрина.
Но было интересно: может, ещё что-то есть.

...Просто это единственный реальный (на исторически обозримый срок) двигатель, который может дать одновременно и высокий УИ и какую-то разумную тягу, соизмеримую с человеческими масштабами.

[aprudnev]

Ну да. Топливо должно давать нейтроны в одном месте, а получать их в другом. В этом идея Зубрина.
Но было интересно: может, ещё что-то есть.

...Просто это единственный реальный (на исторически обозримый срок) двигатель, который может дать одновременно и высокий УИ и какую-то разумную тягу, соизмеримую с человеческими масштабами.

Ну, не забываем что со всеми этими двигателями есть проблема - чем выше УИ тем больше энергии уносится в выхлопе (импульс пропорционален скорости а энергия квадрату оной).

Но вот интересно, а нельзя просто часть нейтронов не замедлять а выкидывать в сопло? Так сказать, устроить нейтронную тягу причем они же как я понимаю весьма высокотемпературные получаются при делении. А то... сначала получаем нейтроны потом их охлаждаем а потом думаем как что-то там еще нагреть... нелогично...

(Подумал про нейтрино, но если даже умудриться их все в одном направлении излучать, то из за оной зависимости мощности и импульса... получится фотонный двигатель на нейтрино, а у него энергетическая отдача просто таки никакая... Хотя зато... безвредно, никто не видит никакого выхлопа, а он как тот сурок - есть и импульс дает надо писателям фантастам идею предложить...

Самое конечно разумное действительно топливо в виде плазмы и дожигать в процессе, все равно отработанное топливо никому не нужно уже и есть смысл его и использовать. НО я так подозреваю, что это все из области слегка научной но фантастики... и не разогреешь и не сфокусируешь в нужную сторону да плюс к тому шлейф выхлопа получится весьма интересным по вредоносным свойствам...

[alex_bykov]

А если скомбинировать? Ну, например, прокачка через почти критичный реактор плазмы/газа, содержащего делящееся вещество. При такой прокачке может происходить выход в критику...

[Татарин]

А если скомбинировать? Ну, например, прокачка через почти критичный реактор плазмы/газа, содержащего делящееся вещество. При такой прокачке может происходить выход в критику...

Да, большинство ГфЯРД проектов именно такие. Проблема в том, что большого выигрыша по сравнению с более простым и чистым первым вариантом (чисто твертоТВЭЛьный ЯРД) не выходит.
Где больше урана - там больше и энерговыделение. Основное энерговыделение в этом варианте и будет в твёрдом "почти критичном реакторе", а маленький довесок того, что выделяется в плазме добавит к удельному импульсу лишь совсем чуток сверху. Этот чуток не оправдывает значительно бОльший выброс грязи и следующие из этого проблемы.

ЯРД должен давать БОЛЬШИЕ преимущества перед всеми другими вариантами, иначе его просто не будут использовать.
Что и наблюдаем в реальности. Преимущества ЯРД есть, но недостатков они не оправдывают... и маемо шо маемо.

[Kapa6ac]

Энерговыделение есть произведение потока нейтронов на макросечение деления, умноженное на константу.

С константой ничего не сделаешь, в дальнейших рассуждениях отбрасываем.

Исказить форму потока нейтронов достаточно сложно. Забудем.

Остаётся макросечение деления.

Выход энергии на деление - константа.
Однако у разных делящихся изотопов выход энергии на деление разный и можно процентов 10 выиграть.

[AtomInfo.Ru]

Выход энергии на деление - константа.
Однако у разных делящихся изотопов выход энергии на деление разный и можно процентов 10 выиграть.

Согласен.

[Kapa6ac]

Ну, не забываем что со всеми этими двигателями есть проблема - чем выше УИ тем больше энергии уносится в выхлопе (импульс пропорционален скорости а энергия квадрату оной).

Но вот интересно, а нельзя просто часть нейтронов не замедлять а выкидывать в сопло? Так сказать, устроить нейтронную тягу причем они же как я понимаю весьма высокотемпературные получаются при делении. А то... сначала получаем нейтроны потом их охлаждаем а потом думаем как что-то там еще нагреть... нелогично...

(Подумал про нейтрино, но если даже умудриться их все в одном направлении излучать, то из за оной зависимости мощности и импульса... получится фотонный двигатель на нейтрино, а у него энергетическая отдача просто таки никакая... Хотя зато... безвредно, никто не видит никакого выхлопа, а он как тот сурок - есть и импульс дает надо писателям фантастам идею предложить...

Самое конечно разумное действительно топливо в виде плазмы и дожигать в процессе, все равно отработанное топливо никому не нужно уже и есть смысл его и использовать. НО я так подозреваю, что это все из области слегка научной но фантастики... и не разогреешь и не сфокусируешь в нужную сторону да плюс к тому шлейф выхлопа получится весьма интересным по вредоносным свойствам...

У мэвных нейтронов скорость ого-го - легко посчитать! Но концентрация нейтронов ничтожна. В обычном газе ~10^^20, в реакторе порядков на шесть меньше. И как получить концентрацию нейтронов порядка числа Авогадро/1000? Проблема!

[Kapa6ac]

А осколки деления в качестве выбрасываемого рабочего тела вместо нейтронов не спасут?

[Татарин]

А осколки деления в качестве выбрасываемого рабочего тела вместо нейтронов не спасут?

А как их фильтровать при приемлимой мощности?

В духе "ядерного паруса" (в смысле, плёнка огромной поверхности, из которой они прямо в космос выскакивают)?
С альфа-активными изотопами такое предлагалось (с тем же полонием), но им не нужно иметь критичность.

[VBVB]

А если скомбинировать? Ну, например, прокачка через почти критичный реактор плазмы/газа, содержащего делящееся вещество. При такой прокачке может происходить выход в критику...

Ранее уже предлагались газофазные ЯРД на гексафторидах и пентахлоридах урана и плутония. Но схемы предлагаемые обычно оперировали скорее промежуточным нейтронным спектром, чем тепловым или быстрым.

Можно сделать цилиндрическое сопло с провилированием по длине обогащения карбида урана-235, а в зоне выхода сопла иметь большой массы заметно меньшего сечения вставку из графита. Теплоносителем/рабочим телом может являться гексафторид урана-235 или плутония. Они до распада выдерживают нагрев свыше 1000С.

Проходя через профилированную по обогащению карбида урана-235 трубчатую и подходя к зоне с графитовым замедлителем/отражателем можно получить критичность почти на выходе из сопла. Тогда перегретый гегксафорид урана выходит частично в состояния плазмы, частично в виде продуктов деления, частично в виде плазмы из тетрафторида углерода (за счет взаимодействия атомарного фтора с графитом. По сути абляция графита в виде тетрафторида углерода и унос его в космос сможет позволит осуществлять теплозащиту концевой части сопла, но за счет его разгара. Тягу и мощность ЯРД можно регулировать через скорость подачи гексафторида урана/плутония. В качестве компонента топлива, увеличивающего тягу, можно использовать гексафторид углерода C2F6. Управление внешней активной зоной из карбида урана/плутония можно осуществлять посредством передвижного отражателя из вольфрама/рения/тантала, регулируя долю нейтронов утечки.

Такой ЯРД неприемлем в атмосфере Земли, но вполне пригоден для старта с низких оклоземных орбит.
Расход делящегося гексафторида урана/плутония в таком двигателе может достигать в 5-10 граммов в час, что эквивалентно тепловой мощности ЯРД на уровне 70-140 МВт. Практический же расход гексафторида урана/плутония будет на порядок больше, поскольку выгорать будет только малаяая часть газообразного ядерного топлива.
Вопрос оценки ресурса такого типа ЯРД сложен, но одного-пары часов тяги в нем добится можно.

Сообщение отредактировал VBVB - 9.10.2016, 22:44