КОНСТРУКЦИЯ И ПРЕПОЛАГАЕМЫЕ МАССОГАБАРИТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТЯРД

Представляя себе, термоядерный реактор грамотный человек, как правило, видит перед собой гигантское сооружение, со зданием в тысячи квадратных метров и установками весом в тысячи или даже десятки тысяч тонн.  И будет совершенно прав – например, только магнитная система строящегося токамака «ИТЕР» (кстати, его магнитные параметры близки к рассматриваемому в данной статье реактору) весит более 10000тонн. А каждая из четырех секций вакуумной камеры с патрубками - 6500тонн. И как всё это можно забросить на орбиту? Или даже построить в космосе?

Но это только кажущаяся проблема. Гигаваттная электростанция – целый небольшой городок, с высоченной железобетонной трубой и гигантскими бетонными градирнями. А вот ЖРД F-1 той же мощности весит всего…9 (не тысяч и не сотен – девять) тонн. С К.П.Д. выше, чем у гигаваттной электростанции…..

Космический термоядерный реактор должен использовать окружающий его даровой ресурс, которого в земных условиях нет и стоит он очень дорого – космический вакуум. Уровень вакуума требуемый, например, для работы установки ITER  и для создания которого используется тысячетонный корпус и вакуум-насосы потребляющие мегаватты электроэнергии, совершенно бесплатно достигается уже на высоте ~150км. А на орбите высотой 400-500км вакуум по чистоте превосходит все, что достигнуто в любой наземной установке. Поэтому никакого корпуса у ТЯРД не должно быть, мало того – необходимо минимизировать площадь обращенную в сторону плазмы у всех элементов конструкции. Токопроводящей стенкой для МГД-стабилизации плазмы, а так же отражателем СВЧ-излучения, служит сетка из микропровода, образующая цилиндр, охватывающий весь плазмоид, общим весом всего несколько десятков килограмм.

Итак, перейдем непосредственно к техническому описанию предполагаемого ТЯРД. Он должен состоять из следующих элементов:

• несущей трансформируемой размеростабильной ферменной конструкции.
• магнитной системы, включающей в себя центральный соленоид, два концевых пробкотрона, магнитное сопло и магнитный сепаратор ПЭСПП
• ПЭСПП
• ионных инжекторов- ускорителей и стартовых гиротронов
• холодильников-излучателей
• систем управления и преобразования энергии

Разберем каждый элемент в отдельности, стараясь при рассмотрении опираться на существующие аналоги.

Несущая трансформируемая размеростабильная ферменная конструкция. Оптимальным материалом для ее создания являются трубки из углерод-углеродных композитов, полученные методом намотки мононити. Такие конструкции уже производятся и применяются, в т.ч. и в космических исследованиях [7]. Углерод-углеродные композитные материалы (УУКМ) отличаются чрезвычайно высокой прочностью, модуль упругости не менее 100ГПа - прочнее стали в 5-7 раз, алюминиевых сплавов – в 10-12, температуростойкостью – в вакууме до 2500К с практически неизменной прочностью, и главное, крайне малым, не более 0,3x10^-6 К^-1 температурным коэффициентом расширения, что обеспечивает минимальные термические и механические деформации в процессе эксплуатации. Это важно для поддержания строгой геометрической аксиальной симметрии магнитной системы, влияющей на плазменные возмущения. Отдельные стержневые элементы фермы соединяются инваровыми шарнирами-замками и механическими актуаторами на основе элементов из сплавов с памятью формы. Секции фермы, вместе с несомыми ей элементами реактора, перед стартом складываются, при разворачивании конструкции в космосе на актуаторы подается электрических ток, нагревающих их. В результате ферма «раскрывается». Если оснастить шарнирные замки электромагнитными защелками и вторым набором актуаторов противоположного действия, то возможно и складывание конструкции в полете. 

Если исходить из применения в качестве стержневых элементов фермы УУКМ-труб погонной массой 2-2,5кг/м, то погонный метр, например, трехгранной фермы с боковой стороной в ~5 метров будет весить около 10 кг. Тогда 120 метровая ферма будет иметь массу в 1200кг.

Магнитная система: центральный соленоид, два концевых пробкотрона, магнитное сопло и магнитный сепаратор ПЭСПП Наиболее важное и, как представляется, громоздкое устройство в конструкции ТЯРД. Автор очень долго искал аналог – чрезвычайно трудно найти мощный соленоид больших габаритов предназначенный, например, для космических полетов. И тем не менее он был найден – в [6] описывается сверхпроводящий соленоид с безмашинным косвенным криостатированием в течении 6 суток работы при исследованиях на дрейфующих аэростатах на высоте до 40км (с теплофизической точки зрения – космических вакуум) с полем в 2,2Т длинной в 1,3 метра и диаметром в 1 метр. При этом стартовый вес этого, прочного, выдерживающего ударные нагрузки при парашютной посадке и защищенного от разряда при аварийной потере сверхпроводимости, прибора составляет всего 430 килограммов! Таким образом, совершенно очевидно, что масса магнитной системы не есть некая неизбежная константа, а полностью зависит от принимаемых конструкторских решений. Центральный соленоид реактора ТЯРД будет состоять из узких, не шире 100мм отдельных колец внутренним диаметром 2500мм, занимающих всего 10% длинны поля соленоида, как указывается в частности в [4] Всего будет 100 таких колец, с шагом в 1 метр. Каждое кольцо состоит из следующих конструктивных элементов (изнутри к наружи): -газоохлаждаемого экрана-поглотителя рентгеновского излучения – пакета толщиной ~50мм из листов вольфрамовой фольги, между которыми циркулирует газ-охладитель – дейтерий. К краям экрана крепится сетка из микропровода.

– выполненного из бериллия высокой чистоты, резервуара для кипящего жидкого дейтерия. Данный резервуар выполняет сразу три функции:  верхняя его поверхность выполняет функцию косвенного криостата для сверхпроводящих обмоток,  а так же функцию гиперпроводящего резистора[12] защиты от теплового удара при аварийной потере сверхпроводимости, а сам дейтерий и бериллиевая оболочка криостата – защиту СПО от нейтронного потока. Снизу и с боков резервуар окружен фольгированной вакуумной термоизоляцией. Резервуар имеет высоту 300мм.

-обмотки соленоида из ВТСП проводов, намотанная прямо на верхнюю поверхность бериллиевого резервуара. Обмотка выполнена из ВТСП, например [8] или [9], что позволяет ей эффективно работать при температуре кипения жидкого дейтерия (23,57К) Схема намотки ВТСП-провода - квазибезсиловая[13], что значительно снижает механические нагрузки на обмотку соленоида.

И, наконец, самая внешняя часть – силовой бандаж из углеволоконного композита, который непосредственно и крепится к несущей ферменной конструкции, а так же является узлом крепления для некоторых приборов, например для микрокриокулеров-реконденсоров жидкого дейтерия.

Поле соленоида на проводнике – 6,6Т. Масса одного кольца соленоида – 100кг, таким образом, масса всего центрального соленоида - 10 000кг. Примем массу катушек пробкотронов такой же – при значительно более мощном поле в 20Т, тем не менее, достигнутом при помощи ВТСП-магнитов [11], они имеют гораздо меньший диаметр. Масса магнитного сопла и сепаратора пусть также будет в этих пределах. Таким образом, общая масса всей магнитной системы составит 11000кг

ПЭСПП. Представляет собой экраны приема заряженных частиц параболической формы из тонкой, например, бериллиевой или титановой, т.е. легкой, прочной и термостойкой фольги, площадью в несколько десятков квадратных метров и кольцо, большого, около 20-30 метров, диаметра и шириной около метра для осаждения электронов. Примем (несколько волюнтаристски) массу данного устройства за 3000кг

Ионные инжекторы- ускорители и стартовые гиротроны Современные ионные инжекторы, например такие, как Старт-3, Старт-5 имеют довольно большую массу. Но она определяется в первую очередь массой очень массивного вакуумного корпуса и постоянных магнитов. При исключении из конструкции массивного корпуса и замене магнитных коллиматоров на сверхпроводящие, удельная масса инжекторов составит не более 50кг/МВт мощности. Производимые сегодня гиротроны имеют удельную массу около 300кг/МВт, но, как и у инжекторов, масса определяется в основном вакуумным корпусом. Поэтому их удельную массу примем за 100кг/МВт. Так как мощность инжекторов составляет 200МВт, а стартовых гиротронов – около 25МВт, то общая масса этих систем составит 12500кг.

Холодильники-излучатели(Х-И).  Наиболее эффективными на сегодня считаются [12][13] высокотемпературные Х-И на тепловых трубах(ВТХ-ИТТ) с удельной массой в 0,2кг/кВт излучаемой мощности и низкотемпературные жидкостные Х-И на капельном принципе(КХ-И), обладающие, кроме того еще и метеоритной стойкостью, и имеющие удельную массу 0,15кг/кВт. В предположении, что 25% из 75МВт тепловой мощности будет сбрасываться при помощи ВТХ-ИТТ и 75% - КХ-И общая масса этой подсистемы составит 12500кг.

Предварительная весовая сводка:

Так как мы не знаем масс многих элементов и устройств, и могли значительно ошибиться с массами вышеупомянутых систем возьмем коэффициент запаса в ~1,5 и примем общую сухую массу ТЯРД за 60 тонн.