КОНСТРУКЦИЯ ТЯРД – ЭСКИЗНАЯ ЭКСТРАПОЛЯЦИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

В данной статье первоначально не ставилась задача выбора наиболее оптимального варианта будущей концепции реактивного двигателя для космических полетов. Конструкций и схем подобных двигателей, за период практического освоения ядерной энергии и космоса, предложено чрезвычайное множество – от глубоко проработанных с точки зрения науки и технологии, и вплоть до откровенной антинаучной профанации. Тем не менее, необходимо отметить некоторые логические звенья, несколько важных моментов, приведших автора к выбору конкретной схемы вероятностной конструкции ТЯРД, которой и посвящена данная статья. А именно:

• Среди всех видов экзоэнергетических реакций, как то: химические реакции, ядерные реакции деления, термоядерные реакции синтеза, реакция аннигиляции вещества с антивеществом, наиболее перспективными, в т.ч. для применения в качестве источника энергии для космических полетов, являются термоядерные реакции синтеза.

При высочайшем энергосодержании на единицу массы, эти реакции наиболее хорошо изучены, в отличие от реакции деления выделение энергии происходит не в виде тепла, а в заряженных частицах,  они легко управляемы и относительно малорадиоактивны. Большую энергоемкость имеет только реакция аннигиляции антивещества. Тем не менее, в отличие от общераспространенного мнения насчет реакции аннигиляции, возникшем в основном под воздействием фантастической паранаучной литературы, реакция аннигиляции, даже при наличии достаточного количества антивещества, вовсе не настолько более энергоемка, что бы компенсировать колоссальные трудности возникающие при попытке ее использования для создания реактивного двигателя. 

· Среди всех видов термоядерных реакций синтеза, которых известно великое множество (все элементы, находящиеся в периодической таблице перед Fe в принципе способны к ним, и не менее трети из них – экзоэнергетические) наиболее перспективной для создания ТЯРД является реакция D + ³He =  ⁴ He (3,67 МэВ) + p (14,68 МэВ) Всего 18,35 МэВ, критерий Лоусона при 100кэВ n t =10²² м^-3с, тройное произведение - nT t =700-800.

Если рассмотреть ряд возможных ТЯ-реакций с участием легких элементов:

1. D + D = T + p + 4.0 МэВ (1) D + D = He³ + n+ 3.25 МэВ (2) (1-2 – практически равновероятные ветви)

2. D + T = He⁴ + n + 17.6 МэВ    (10 кэВ - n t =10²⁰ м ^-3 с / nT t =35-65)

3. p + B¹¹ = 3He³ + 8.7 МэВ

4. p + Li⁶ = He⁴ + He³ + 4 МэВ

5. p + B⁹ = He⁴ + Li⁶ + 2.1 МэВ

6. p + Be⁹ = D + Be⁹+ 0.6 МэВ

7. D + Li⁶ = p + Li⁷ + 5 МэВ

8. D + Li⁶ = T + Li⁵ + 0.6 МэВ

то окажется, что дейтерий - гелиевая реакция имеет наибольшее сечение при наивысшей энергоемкости. Единственная реакция, со значительно большим сечением - D + T = He⁴ + n + 17.6 МэВ, имеет неустранимый недостаток – выделение нейтрона с большой энергией. Нейтроны, унося 80% энергии реакции, практически бесполезны при создании реактивной тяги и вызывают огромные трудности при защите конструкции и полезной нагрузки от радиации. В то время, как у D + ³He  в виде нейтронов за счет побочных реакций D + D выделяется лишь 2-5% (зависит от конкретных условий) энергии и 25-34% в виде излучения (СВЧ и мягкий рентген) – остальные 60-70% энергии выделяются в виде заряженных частиц.

Реакции дейтерий-дейтерий, кроме меньшего, чем у D + ³He сечения, в общем, являются «энергетическим нонсенсом» - при достижении критерия Лоусона для этой реакции, создаются такие условия, при которых продукты этой реакции, He³ и T, неминуемо также вступят в реакцию с дейтерием. В результате собственно реакция D + D выделит лишь менее 17% энергии, а уровень нейтронной нагрузки будет сопоставим с D + T реакцией.

Реакции №№4-9, в которых участвуют ядра с большим зарядом, имеют на много порядков меньшее сечение, чем в случае изотопов водорода и гелия, и достигают заметной величины лишь при очень больших температурах (порядка 10⁹ градусов – ~1МэВ). При этом из за сочетания высокой температуры и большого заряда ядер, потери на тормозное рентгеновское излучение из плазмы оказываются всегда больше, чем выделившаяся при синтезе энергия – критерий Лоусона в стационарных условиях недостижим для них принципиально.

• Из всех принципиальных схем проведения термоядерных реакций синтеза наиболее перспективной для создания ТЯРД является стационарное магнитное удержание плазмы.  

В данной статье опускается огромный пласт полемики по поводу инерциального принципа УТС, как варианта платформы для ТЯРД[1]. Несмотря на то, что большинство ранних проектов ТЯРД, таких как всемирно известный проект межзвёздного зонда «Дедал» А.Бонда (1975-1978), проект VISTA (Ч.Орт, 1986) и др. базировались именно на импульсном инерциальном удержании, такой вариант следует признать малоперспективным, а ранние проекты – технически наивными[2]. Развитие термоядерной техники показало огромные трудности осуществления такого варианта УТС, а углубленное исследование инерциальных систем – их неискоренимые недостатки именно в приложении к ТЯРД. Инерциальные системы не допускают возможности развития самоподдерживающейся цепной (на ядрах отдачи) ТЯ-реакции - каждой мишени необходимо отдельно сообщать энергию зажигания, что приводит к огромной циркулирующей электрической мощности. Кроме того, по причине малого КПД драйверов (лазеров или ускорителей), необходимо отводить значительные тепловые мощности. При этом высокая энергия в импульсе  требует наличия магнитного сопла с большой напряженностью поля[3], гораздо большей, чем в стационарных системах магнитного удержания. Все это, в сочетании с грандиозными размерами требуемых таким двигателем драйверов, ведет к, очевидной даже на сегодняшнем этапе, недопустимо высокой абсолютной и удельной массам такого двигателя и, соответственно, чрезвычайно низкой удельной мощности.

• Из всех известных систем стационарного магнитного удержания плазмы наиболее перспективными для создания ТЯРД являются так называемые открытые линейные ловушки плазмы.

 Другие типы стационарного (квазистационарного)  магнитного удержания, такие как замкнутые ловушки –токамаки, сферомаки и стеллараторы, галатеи, миксины - левитирующие диполи и т.д., кроме некоторых, специфичных для них недостатков, не имеют в своей конструкции естественного пути выброса плазмы, что делает их использование в качестве платформы ТЯРД крайне затруднительным. Естественно, системы ТЯРД с промежуточным преобразованием энергии  не рассматриваютсявообще по причинетехнической абсурдности таких систем – имея на борту высокоэффективный источник термоядерной плазмы, являющейся практически идеальным рабочим телом для реактивного двигателя, преобразовывать ее энергию в другой вид и затем создавать тягу другим, заведомо менее эффективным способом, является полным алогизмом.

Таким образом, путем краткого (и не бесспорного) анализа автор пришел к выводу, что наиболее вероятным путем развития термоядерной космической техники станет создание ТЯРД на базе реакции D ³He в виде стационарной системы магнитного удержания типа линейной открытой ловушки.   

КОНСТРУКЦИЯ ТЯРД – ЭСКИЗНАЯ ЭКСТРАПОЛЯЦИЯ.

 Открытые ловушки (ОЛ), кроме принципиального для создания ТЯРД свойства – простоты организации истечения плазмы через торец магнитной системы в «конус потерь», имеют и другие важные преимущества. Открытые ловушки конструктивно и инженерно просты, их главная часть – соленоид, состоит из одинаковых элементов, позволяющих легко масштабировать от определенного уровня реакторные параметры. От замкнутых систем магнитного удержания ОЛ выгодно отличаются малой относительной массой конструктивных элементов на единицу объема удерживаемой плазмы и свойством «самоочищения» плазмы от посторонних включений и продуктов реакции. Наиглавнейшее же преимущество ОЛ перед практически всеми видами систем магнитного удержания – принципиальная и практическая достижимость высоких показателей β – отношение давления плазмы к давлению магнитного поля[4] , что делает осуществимым реакцию D³He и другие «тугоплавкие» реакции.

В свое время, из за нерешенной проблемы времени жизни частиц плазмы в ОЛ – продольного удержания в классическом пробкотроне, выяснилось, что Q – отношение энергии, полученной в результате термоядерных реакций, к энергии, затраченной на разогрев плазмы реакторов на основе ОЛ не может быть выше 1,1-1,4, что совершенно недостаточно для использования такого реактора в энергетических целях[5]. Либо реактор (например, т.н. «пролётотрон Морозова») должен иметь непомерную, порядка 30-40км длину.

Этот факт вызвал некоторую потерю интереса к ОЛ, переход к более интенсивному изучению закрытых ловушек, таких как стеллараторы и токамаки, как основы для термоядерной энергетики.[6] Тем не менее, за этот период проблема продольного удержания плазмы в ОЛ была и теоретически и практически решена. Появились различные типы ОЛ, как-то: амбиполярная ловушка (установка «Амбал»), газодинамические ловушки (ГДЛ), многопробочные ловушки и ловушки с «гофрированным» полем, центробежные ловушки, FRC (Field Reversed Configuration - обращённая магнитная конфигурация) – перспективная система, являющаяся гибридом между закрытым и открытым типом ловушек. Было также обоснованно комбинированное применение различных методов удержания на одной установке, что позволило бы исключить недостатки каждого метода при суммировании достоинств. 

Плазменная схема опытной установки с амбиполярным удержанием «Амбал-М» ( Институт Ядерной Физики имени Г.И. Будкера, Новосибирск, Россия ) Является продольно-ассиметричным ( правая половина ) прототипом. [3]

На рисунке слева – полная схема установки «Амбал-М» , справа  - схема ионной инжекции в пробкотрон.[4]

Рассматриваемый в данной статье проект вероятностного ТЯРД основан на концепции энергетического реактора, предложенного группой И.Н. Головина [4] на основе более чем 10-летнего развития концепции «предельно чистого термоядерного реактора».

Приведем некоторые ключевые параметры данного реактора:

Для «конвертирования» данного энергетического реактора в ТЯРД внесем некоторые изменения, тем не менее, не нарушая основных термоядерных параметров данного проекта. Снизим температуру плазмы с 70кэВ до 65кэВ, что согласно [2войется прототипом вки,                   ] приводит к снижению нейтронного излучения до 2% E_fus, а доли потерь на излучение с 34% до как минимум 30%. При этом изменится и общая и погонная/объемная мощности: с 3400МВт до 3000МВт, с 34Мвт/м до 30МВт/м и с 10,8 МВт/м³ до 9,55МВт/м³.  При этом необходимая для создания амбиполярного барьера мощность инжекции в концевые пробкотроны останется прежней – 200МВт. Так как нам желательно достичь продольной асимметрии (что, строго говоря, не необходимо) в конусах потерь, перераспределим энергию инжекции с отношения 100МВт:100МВт к 40МВт:160МВт, достигая, таким образом, соотношения запирания на разных концах[7] реактора  максимум 1:4 – считается, что большая асимметрия может вызывать плазменные неустойчивости. На переднем конце реактора, за последней магнитной пробкой, расположено устройство называемое «магнитным соплом» - важная часть конструкции, обеспечивающая как организацию истечения плазмы и «прием» тяги так и возможность инжекции в плазменную струю дополнительного холодного рабочего тела для форсажа по тяге. С заднего конца реактора располагается другое важное устройство – прямой электростатический преобразователь-приемник плазмы (ПЭСПП), устройство для получения необходимой для функционирования ТЯРД электроэнергии и обеспечивающее часть тяги. Конструктивно он состоит из следующих элементов:

-магнитного сепаратора («сопло наоборот») предназначенного для сепарации из потока плазмы электронов и осаждения их на отдельном кольцевом приемнике большого диаметра

-последовательно расположенных пластин-плазмоприемников.

Принцип работы прямого электростатического преобразователя-плазмоприемника заключается в следующем: поток плазмы и высокоэнергичных частиц-продуктов реакции из конуса потерь отделяется при помощи магнитного сепаратора от электронов – электроны значительно сильнее реагируют на магнитное поле ввиду более чем на три порядка меньшей массе при равном заряде, и уводятся почти перпендикулярно потоку на кольцо-приемник. Некоторая потеря энергии при этом вполне допустима, так как электроны несут ничтожную её долю. Ионы же, практически не изменяющие под воздействием поля сепаратора траектории, продолжают движение, разлетаются на значительное расстояние друг от друга, переставая вести себя как плазма, а превращаясь в поток взаимонезависимых частиц. После этого они встречают на своем пути пластины, имеющие электрический потенциал ~ равный их энергии. Так как истекающая из реактора плазма состоит из дейтронов с энергией 65кэВ (основные ионы мишенной плазмы с некоторой примесью атомов ³Heне успевших прореагировать ) и продуктов реакции – α-частиц с энергией 3,67 МэВ и 14,68 МэВ протонов, то пластин должно быть три. Вначале осаждаются дейтроны, затем α-частицы и на последней – протоны. При этом каждая из пластин имеет толщину делающую её прозрачной для частиц с большей энергией. Тормозясь электростатическим полем, частица наводит Э.Д.С. в цепи, а осаждаясь при околонулевой энергии – передает и заряд. Этот вид преобразования энергии чрезвычайно эффективен – теоретический К.П.Д. преобразования энергии пучка частиц с моноспектром близок к 100%. Практически на опытных установках получен К.П.Д. преобразования энергии пучка из смеси заряженных частиц в электрическую энергию около 83% [1] Таковой мы и примем за исходный для нашей системы. Надо также обязательно отметить, что заряженная частица, тормозясь в электрическом поле, передает пластине и механический импульс.  Фактически пластины ПЭСПП выполняют функцию задней стенки камеры сгорания ЖРД, принимающей на себя давление продуктов сгорания. После осаждения на пластине, образовавшийся газ откачивается для повторного использования (дейтерий) либо сброса (гелий и водород). Пластины ПЭСПП так же достаточно сильно нагреваются – 17% энергии выделяется в виде тепла. Это тепло необходимо либо просто сбросить, либо также преобразовать в ЭЭ, например, в турбомашинном по цикле Брайтона (ТМП) с К.П.Д. около 40%. Но так как энергия, выделяющаяся в виде тепла, составляет незначительную часть общей энергии, то гораздо выгодней сбросить её в пространство при помощи холодильников-излучателей, которые значительно легче, чем турбомашинные преобразователи.  

Таким образом, мы можем принять следующие параметры предполагаемого ТЯРД: