Pikap24.ru

Автомобильный журнал
1 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.

Типы реакций и термоядерное топливо

ТЯРД может использовать различные виды термоядерных реакций в зависимости от вида применяемого топлива. В частности, на настоящее время принципиально осуществимы следующие типы реакций:

Реакция дейтерий + тритий (Топливо D-T)

2 H + 3 H = 4 He + n при энергетическом выходе 17,6 МэВ

Такая реакция наиболее легко осуществима с точки зрения современных технологий, даёт значительный выход энергии, топливные компоненты относительно дёшевы. Недостаток её — весьма большой выход нежелательной (и бесполезной для прямого создания тяги) нейтронной радиации, уносящей большую часть мощности реакции и резко снижающей КПД двигателя. Тритий радиоактивен, период его полураспада — около 12 лет, то есть его долговременное хранение невозможно. В то же время, возможно окружить дейтериево-тритиевый реактор оболочкой, содержащий литий: последний, облучаясь нейтронным потоком, превращается в тритий, что в известной степени замыкает топливный цикл, поскольку реактор работает в режиме размножителя (бридера). Таким образом, топливом для D-T- реактора фактически служат дейтерий и литий.

Реакция дейтерий + гелий-3

2 H + 3 He = 4 He + p. при энергетическом выходе 18,3 МэВ

Условия её достижения значительно сложнее. Гелий-3, кроме того, является редким и чрезвычайно дорогим изотопом. В промышленных масштабах на настоящее время не производится. Хотя энергетический выход реакции D-T выше, реакция D- 3 He имеет следующие преимущества:

Сниженный нейтронный поток, реакцию можно отнести к «безнейтронным»,

Меньшая масса радиационной защиты,

Меньшая масса магнитных катушек реактора.

При реакции D- 3 He в форме нейтронов выделяется всего около 5 % мощности (против 80 % для реакции D-T).Около 20 % выделяется в форме рентгеновского излучения. Вся остальная энергия может быть непосредственно использована для создания реактивной тяги. Таким образом, реакция D-3He намного более перспективна для применения в реакторе ТЯРД.

Другие виды реакций

Реакция между ядрами дейтерия (D-D, монотопливо) D + D —> 3 He + n при энергетическом выходе 3,3 МэВ, и

D + D —> T + p+ при энергетическом выходе 4 МэВ. Нейтронный выход в этой реакции весьма значителен.

Возможны и некоторые другие типы реакций:

p + 6 Li → 4 He (1.7 MeV) + 3 He (2.3 MeV) 3 He + 6 Li → 2 4 He + p + 16.9 MeV p + 11 B → 3 4 He + 8.7 MeV

Нейтронный выход в указанных выше реакциях отсутствует.

Выбор топлива зависит от многих факторов — его доступность и дешевизна, энергетический выход, лёгкость достижения потребных для реакции термоядерного синтеза условий (в первую очередь, температуры), необходимых конструктивных характеристик реактора и проч. Наиболее перспективны для осуществления ТЯРД т. н. «безнейтронные» реакции, так как порождаемый термоядерным синтезом нейтронный поток (например, в реакции дейтерий-тритий) уносит значительную часть мощности и не может быть использован для создания тяги. Кроме того, нейтронная радиация порождает наведенную радиоактивность в конструкции реактора и корабля, создавая опасность для экипажа. Реакция дейтерий- гелий-3 является перспективной в том числе и по причине отсутствия нейтронного выхода. В настоящее время предложена ещё одна концепция ТЯРД — с использованием малых количеств антиматерии в качестве катализатора термоядерной реакции.

Кто быстрее? Фатима Ибрахими разработала термоядерный космический двигатель, способный убить «Нуклон» в зародыше

Многие наши читатели смотрят сериал «Экспансия», поставленный по романам из серии «Пространство» Даниэля Абрахама и Тая Френка, пишущих под псевдонимом Джеймс Кори. И как вы все конечно знаете, в этом произведении говорится, что создание термоядерного двигателя «Эпштейна» дало возможность человечеству начать ту самую экспансию по колонизации планет Солнечной системы.

В наше время о космической экспансии, ради выживания человечества как вида, говорит основатель частной космической компании SpaceX Илон Маск. И он делает реальные шаги в этом направлении, создавая космический корабль Starship. Некоторые конечно справедливо говорят, что на химических двигателях далеко не улетишь. И это справедливо. Но немногие обратили внимание, что в одном из предыдущих своих интервью Маск заявил, что в ближайшем будущем появятся возможности долететь до Марса примерно за сутки, а не за месяцы.

Читать еще:  Двигатель 164fml какое масло лить

И что же это за возможности и технологии?

В предыдущие месяцы сеть была наполнена информацией о начале работ по постройке российского ядерного буксира «Нуклон». Это конечно классная технология по нашим временам, хотя и уходящая своими корнями в разработки ещё советских времён.

В «Нуклоне» ядерная энергетическая установка будет вырабатывать 500 кВт электроэнергии, необходимой для работы ионно-плазменных двигателей. Анонсируется, что мощности этих двигателей будет достаточно, чтобы долететь до Марса за 1,5 месяца. Сам аппарат планируется запустить в 2030 году.

Но 1,5 месяца это не 1,5 суток. О чём же говорил Маск?

Не секрет, что на всех спутниках, создаваемой SpaceX, сети Starlink имеется по одному ионному маневровому двигателю. Так что для SpaceX эта технология известна, и в необходимый момент она может быть масштабируема до необходимых размеров, и мощности. Так что, потенциально с «Нуклоном» уже было бы кому потягаться. Но и это не самое главное. И я не случайно вначале вспомнил двигатель Эпштейна из «Экспансии».

Встречайте двигатель Ибрахими

Американский физик Доктор Фатима Ибрахими, работающая в Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США, создала концепцию термоядерного двигателя, который будет способен доставить человека до Марса чуть более чем за сутки.

Фатима продолжительное время работает по проекту создания термоядерного ректора — National Spherical Torus Experiment (NSTX). Именно эта работа позволила ей разработать проект двигателя, работающего по принципу термоядерного реактора. Только если процессы в термоядерном реакторе проходят внутри него, то двигатель Ибрахими работает по принципу контролируемого магнитными полями выброса плазмы, которая создаётся внутри термоядерного реактора. Это очень похоже на то, как объяснялся принцип работы термоядерного двигателя Эпштейна в «Экспансии». И вот, теперь это вовсе не фантастика, а научно разработанный проект, основанный на реальной работе по созданию токамака.

Реактивную тягу создаёт плазма, а её импульс (скорость) контролируется напряжением магнитных полей.

Скорость космического аппарата с таким двигателем будет в пределах от 20 до 500 километров в секунду. А может и больше, в зависимости от состава реакторной массы.

Говорит Доктор Фатима Ибрахими: «Я уже давно готовлю эту концепцию. Эта идея у меня возникла в 2017 году, когда я думала о сходстве между выхлопом автомобиля и высокоскоростными частицами выхлопа. Во время работы Токамак производит магнитные «пузыри», называемые плазмоидами, которые движутся со скоростью около 20 километров в секунду, что мне показалось очень похожим на тягу. И почему бы это не использовать в качестве тягообразующей силы в двигателе космического корабля. Путешествие на большие расстояния занимает месяцы или годы, потому что удельный импульс химических ракетных двигателей очень мал, поэтому кораблю требуется время, чтобы набрать скорость. Но если мы создадим двигатели, основанные на магнитном пересоединении, то мы сможем выполнять дальние миссии за более короткий период времени. Используя больше электромагнитов и больше магнитных полей, вы фактически можете повернуть ручку для точной настройки скорости».

Итак, термоядерный реактор двигателя космического корабля создаёт плазмоиды (горячее заряженное состояние вещества, состоящего из свободных электронов и атомных ядер), которые, ограниченные магнитными полями, выбрасываются наружу, создавая тягу.

Несколько поколений учёных работали над созданием реактора термоядерного синтеза. Основной целью было производство чистой и дешёвой электроэнергии, а о термоядерных двигателях писалось только в фантастических романах. Теперь мы видим, что работы в этой программе позволили спроектировать термоядерный плазменный двигатель.

Кто-то, конечно, скажет с сарказмом, что осталось только построить работающий реактор, и не несколько секунд, а постоянно, стабильно работающий. И это верно. Но работы в этом направлении не останавливаются, ни на минуту. Российские учёные так же принимают участие в этом процессе в рамках международного проекта. Так что результат будет.

Компьютерное моделирование, выполненное на компьютерах PPPL (Принстонской лаборатории физики плазмы) и в Национальном вычислительном центре энергетических исследований, отделе научных исследований Министерства энергетики в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Беркли, Калифорния, показало, что новая концепция плазменного двигателя может генерировать «выхлоп» со скоростью в сотни километров в секунду, что в десятки раз быстрее, чем у существующих или разрабатываемых сейчас космических двигателей, в том числе и у «Нуклона».

Использование термоядерного синтеза для приведения в действие ракет не является новой концепцией, двигатель Ибрахими отличается от существующих устройств по трём параметрам.

Во-первых, изменение силы магнитных полей может увеличивать или уменьшать силу тяги, что позволяет лучше маневрировать в космосе.

Во-вторых, новый двигатель создаёт тягу, выбрасывая частицы плазмы и магнитные «пузыри», известные как плазмоиды.

Плазмоиды добавляют мощность двигательной установке, и никакая другая концепция двигателя не включает их.

Однако последнее различие между концепцией Ибрахими и другими заключается в том, что её концепция использует магнитные поля для выстрела частиц плазмы, нежели другие, уже проверенные в космосе двигатели, использующие электрические поля.

Использование магнитных полей позволяет учёным подбирать величину тяги для конкретной миссии, а астронавты смогут изменять величину тяги двигателя корабля при миссиях к далёким мирам. По словам Ибрахими, эта более высокая скорость космического корабля может сделать внешние планеты доступными для астронавтов.

«В то время как другим двигателям требуется тяжелый газ, состоящий из атомов, таких как ксенон, в этой концепции вы можете использовать любой тип газа, который захотите. В некоторых случаях учёные могут предпочесть лёгкий газ, потому что более мелкие атомы могут двигаться быстрее», — сказала Доктор Ибрахими.

Итак, мы с вами стали свидетелями зари новой космической эры. Не сомневаюсь, что Маск, говоря про полёт к Марсу чуть более чем за сутки, имел ввиду именно концепцию Фатима Ибрахими. И возможно, когда-то SpaceX поставит на свои Starship двигатели Ибрахими, открывая новую страницу Экспансии.

Читать еще:  Давление масла двигателя akq

Уважаемые читатели, чтобы не пропустить наши свежие статьи вы можете подписаться на наш Телеграм-канал . Оставляйте комментарии, ставьте лайки, делайте репосты (кнопки соцсетей есть в конце каждого материала). Ваше участие нам очень важно!

Из сборника РНФ «Я ученый!»: Молодой ученый из Новосибирска создал установку, которая станет частью международного проекта по получению доступной термоядерной энергии

На юго-востоке Франции, недалеко от Марселя строится одна из важнейших научных установок в мире – ИТЭР. Первый термоядерный реактор, который призван показать, что термоядерные реакции могут быть доступны людям. Дело в том, что по оценкам специалистов к 2050 году человечеству станет радикально не хватать энергии. Не только классические источники энергии, вроде атома, нефти, угля, газа, но и альтернативные – ветер и солнце – не спасут положение. Нужны альтернативы. Когда в конце 50-х годов прошлого века это осознали, начали пытаться получить энергию термоядерного синтеза.

– В принципе, энергия термоядерного синтеза у нас используется ежедневно, потому что это энергия Солнца и, соответственно, все, что греется под Солнцем, все, что растет под Солнцем, исходно идет от термоядерной реакции. Но мы ничего не можем сделать с ним, а хочется сделать что-то, что будет у нас в руках и даст какую-то разумную энергию, которую мы можем контролировать, – рассказывает Антон.

Чтобы у нас была термоядерная реакция, и чтобы мы могли из нее вытащить энергию, нам нужно удерживать вещество с температурой в 100 миллионов градусов в течение достаточно продолжительного времени. Никакая стенка такого не держит. Чтобы иметь возможность удерживать это вещество, придумали несколько вариантов. Один из них – использовать плазму: уже нагретое вещество, которое перестало быть простым газом и стало газом, состоящим из ионов, то есть из атомов, у которых «потерялись» электроны, и отдельных от них электронов. Какая должна быть форма устройства, чтобы наиболее успешно осуществить идею? Это либо магнитное поле в форме бублика: любая частица, которая оказывается на силовой линии, вращается внутри этого бублика и в первом приближении никуда не уходит. Или это длинная прямая труба, в которой посередине держится плазма, концы труб можно сильно зажать – создать там области с большим магнитным полем, чтобы плазма держалась в центральной части.

Первый путь исторически получил преимущество, начиная с 70-х годов прошлого века. Сейчас принцип лежит в основе самых топовых установок по термоядерному синтезу, которые вообще существуют в мире. Но проблема в том, что, по словам ученых, этот «бублик» инженерно очень сложен и затрудняет постройку электростанции.

Об установке

Поначалу второй способ казался не очень состоятельным: энергии можно было получить примерно столько же, сколько закачали, потому что часть плазмы вытекала из концов ловушки – силовые линии магнитного поля не могли удержать ее. Но потом в Институте ядерной физики РАН в Новосибирске создали установку – газодинамическую ловушку, где плазму нагрели до 10 миллионов градусов, чему некоторые во время ее строительства просто не верили. Потерь вещества стало гораздо меньше, но полностью не удавалось их избежать. Тогда придумали конструкцию, которая напоминает мясорубку.

– Представьте себе шнек мясорубки, который крутит измельченное мясо в нужном направлении. У нас аналогично с двух сторон от центрального отсека с плазмой создается винтовая «нарезка» поля, но при этом разная – с правым и левым винтом. С одной стороны, магнитное поле тащит плазму влево, с другой – вправо. Таким образом обе эти концевые секции закачивают плазму обратно, – поясняет Антон.

Идея показалась не только красивой, но и экономичной. Так, Антон Судников с командой решил воплощать ее в жизнь.

Источник: пресс-служба ИЯФ СО РАН

– В то время, когда на газодинамической ловушке получили такие интересные результаты, я только защитил диссертацию, и мне хотелось как-то развеяться, – вспоминает Антон. – Поэтому еще до того, как мы получили грант, я сделал некоторые теоретические расчеты: можно ли такое магнитное поле создать, и как это лучше сделать. Когда был объявлен конкурс на большие гранты РНФ, эту идею сделали одной из частей плазменного направления нашего гранта. Поскольку я уже включился во все эти оценки, мне стало интересно попробовать такой эксперимент провести, я начал всерьез прорабатывать идею и думать, как должна выглядеть экспериментальная установка, на которой можно было бы увидеть подобный эффект.

Установку создали за два года, в конце 2017 года ее запустили, получили плазму и взялись за полноценные эксперименты. В начале минувшего года Антон с коллегами увидел, что эффект действительно есть: поток плазмы подавляется в два раза.

– Наша установка может быть использована в ракетостроении, чтобы разгонять спутник в экономном режиме, чтобы он медленнее тратил свое рабочее тело, которое он выбрасывает, чтобы разгоняться, и чтобы тот же самый двигатель мог обеспечивать, без оглядки на эффективность по растрате рабочего тела, максимальную тягу. Для этого струя, которая вылетает из двигателя, должна иметь возможность разгоняться как до сравнительно небольших скоростей – несколько километров в секунду, так и в десять раз быстрее – несколько десятков километров в секунду. В таких пределах мы можем менять скорость истекающей струи. Например, мы можем сделать скорость поменьше, поддать побольше газу, и тогда будут большая тяга и большой расход. Либо мы можем сбавить газ, поменьше тратить вещества, и экономно, но эффективно по массе разгоняться до более высоких скоростей. Эта идея с плазмой, которая выбрасывается винтовым магнитным полем, в принципе, может пригодиться как раз для подобных двигателей. Чтобы брать и ускорять то вещество, которое мы выбрасываем, до скоростей порядка несколько десятков километров в секунду.


Фото: Антон Судников – кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Института ядерной физики им. Г.И. Будкера. Гранты РНФ: участник гранта «Развитие исследовательского и технологического потенциала ИЯФ СО РАН в области физики ускорителей, физики элементарных частиц и управляемого термоядерного синтеза для науки и общества» (в рамках конкурса на реализацию комплексных научных программ организаций, 2014–2018 гг.), руководитель гранта «Управление столкновительностью потока вращающейся плазмы в геликоидальном магнитном поле для улучшенного торможения плазмы в линейных магнитных ловушках» (в рамках Президентской программы исследовательских проектов, 2018–2020 гг.). Источник: пресс-служба ИЯФ СО РАН

Читать еще:  Шум в двигателе матиза причина

О конкурентах и партнерах

В США уже разработали плазменный двигатель, тестируются прототипы. Но он может подойти не для всех ситуаций. Кроме того, по словам Антона, у американского двигателя есть некоторые технические недостатки, которые ограничивают срок его службы.

Антон может говорить о своей разработке и всем, что связано с термоядерным синтезом, часами. Он знает ее до последней гайки, потому что в самом начале пути был практически единственным ее создателем. В первое время ему помогал только создатель концепции «мясорубки» – старший научный сотрудник ИЯФ Алексей Беклемишев – теоретик до мозга костей, который не любит заходить в экспериментальные зоны, говорит, вентилятор шумит. В команде на старте были инженер-конструктор и пару коллег, которые немного помогали с расчетами. Со временем Судников набрал в свою команду еще нескольких человек, воспитал одну аспирантку и обучает нескольких магистрантов и студентов. С июля этого года Антон – руководитель гранта Президентской программы исследовательских проектов. Грант позволит ему работать с установкой еще три года. Сейчас ученый ищет дополнительное финансирование для продолжения экспериментов. Помощь от бизнеса тоже будет не лишней.

– Некоторый интерес к этой теме есть у тех, кто занимается космическими двигателями. Одна из американских компаний следит за нашими разработками, как только мы достигнем интересующих их параметров работы, они готовы давать нам задачи по проработке двигателей. Совсем недавно немалый энтузиазм к нашей работе появился со стороны входящего в Роскосмос ОКБ «Факел» из Калининграда, который как раз занимается производством плазменных космических двигателей.

А пока шестиметровая СМОЛА, то есть Спиральная Магнитная Открытая Ловушка – так Антон назвал свою установку – ждет новых экспериментов.

– Естественно, нашу модель еще нужно проверять, оптимизировать, требуется большая опытно-конструкторская работа. Но уже сейчас ясно, что это начало интересной научной истории, в конце которой нас ожидают результаты, которые могут оказаться очень важными для термоядерной энергетики будущего.

Новый ядерный ракетный двигатель: в два раза быстрее

Спустя более 40 лет американское космическое агентство решило вернуться к своей программе. В 2018 году NASA снова начало работу над ядерным ракетным двигателем, назвав технологию такой, которая «меняет правила игры» в вопросах исследования глубокого космоса.

В теории космические корабли со световым парусом смогут долететь до Альфа Центавра за 20–30 лет

В отличие от традиционных ракетных двигателей, сжигающих топливо для создания тяги, в ядерной системе для нагрева рабочего тела (обычно жидкого водорода) используется непосредственно реактор. Водород выбрасывается через сопло, двигая космический корабль вперед. Это позволяет удвоить эффективность использования топлива, а значит — уменьшить размеры ракеты и сократить время полета.

В последние годы компании, занимающиеся строительством ядерных реакторов и атомных подлодок, представляли свои концепты NTP. Практически все они были так или иначе основаны на последней модификации ядерного ракетного двигателя NERVA NRX, разработанного в конце 1968 года в США.

Самую свежую проектную концепцию представила компания Ultra Safe Nuclear Technologies (USNC-Tech), которая участвует в программе, спонсируемой NASA.

Компания заявляет, что новая концепция более безопасная и надежная, чем предыдущие проекты NTP, и гораздо эффективнее, чем химическая ракета. ­Разработка обещает произвести революцию в дальних космических путешествиях, сократив время на полет от Земли до Марса до трех месяцев. На данный момент такой путь займет около семи-восьми месяцев, если планеты находятся в удачном расположении.

Тогда многие эксперты предположили, что ядерный двигатель является потомком РД-0410.

Тепловая тяга на Западе

Если Россия пошла по пути создания ядерной энергодвигательной установки, то в США изучают привлекательность ядерной тепловой тяги. По мнению специалистов американского аэрокосмического агентства NASA, сегодняшние достижения в области материалов и разработки реакторов дают стимул для оценки перспективности этой технологии. Ведь ядерные двигатели на ракетах видели не только фантасты — сами специалисты NASA еще в 1961 году совместно с Комиссией по атомной энергии начали реализацию программы «Ядерный двигатель для ракетных транспортных средств» (NERVA).

Два года назад Дойс Митчелл, руководитель перспективного проекта ядерной тепловой тяги в Центре космических полетов имени Джорджа Маршалла, рассказывал, что ядерная двигательная установка способна в два раза сократить время на транзит между Марсом и Землей, и для миссии необязательно будет поджидать момент, когда обе планеты будут в наиболее благоприятных положениях друг относительно друга. Сокращение длительности полета уменьшит воздействие радиации и микрогравитации на пассажиров.

К тому же, по мнению представителей департамента энергетики США, ракеты на ядерной тепловой тяге в два раза эффективнее существующих химических ракет. Удельный импульс последней, сжигающей водород и жидкий кислород, оценивают в 450 секунд, для ядерных ракет этот показатель оценочно достигает 900 секунд.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector