Плазменные кристаллы и ракетные двигатели на осколках деления

2В закладки
Аудио
Первый плазменный кристалл, полученный на кафедре Физики Плазмы в МИФИ

Всем, кто более или менее давно интересуется космическими исследованиями, известны проекты ядерных и термоядерных ракетных двигателей.

Ядерные ракетные двигатели (ЯРД) используют реакцию деления урана, плутония или иного делящегося материала чтобы нагреть водород или иной лёгкий газ до нескольких тысяч градусов и затем выбросить этот газ через обычное металлическое сопло. На практике такие двигатели обеспечивали удельный импульс в 800-900 секунд (эффективная скорость реактивной струи 8-9 км/с), что вдвое выше, чем у лучших ЖРД. Гипотетические проекты, в которых делящийся материал нагревался выше температуры своего кипения, так называемые газофазные ЯРД, должны обеспечить удельный импульс уже в тысячи секунд, на равных соревнуясь по этому показателю с плазменными ракетными двигателями. При этом ЯРД могут обеспечивать огромную тягу, десятки и сотни тонн-силы, оставаясь при этом весьма компактными. Но, к сожалению или к счастью, ракеты с ЯРД никогда никуда не летали, и дальше стендовых испытаний дело не зашло. Отчасти из-за экологических проблем, отчасти из-за сложности и дороговизны технологии.

ЯРД Kiwi-A (слева) и Phoebus-1. Последний имел тепловую мощность более 1 ГВт

Термоядерные ракетные двигатели (ТЯРД) должны использовать реакцию ядерного синтеза в изотопах водорода и гелия чтобы получить температуры в сотни миллионов градусов. Полученная таким образом горячая плазма направляется в магнитное сопло и выбрасывается из двигателя. Проектный удельный импульс начинается от примерно 5000 секунд (соответственно 50 км/с эффективная скорость струи) и доходит до более чем 2 000 000 секунд — 20 000 км/с! Однако есть пара проблем…

Во-первых, человечество пока так и не освоило управляемый термоядерный синтез, а потому ТЯРД остаются чисто «бумажными» проектами. В течение ближайших пары-тройки десятков лет ожидать их внедрения не стоит.

Во-вторых, такие двигатели даже «на бумаге» обладают очень низкой плотностью мощности. Т.е. они будут очень большими, а тяга при этом будет весьма незначительной. Особенно малая тяга получается в том случае, если мы хотим 1 000 000+ секунд удельного импульса: даже при 1 ГВт термоядерной мощности тяга составит лишь около десятка килограмм-силы. А ведь гигаваттный ТЯРД — это махина, чьи размеры будут измеряться сотнями метров!

Газодинамическая открытая плазменная ловушка ГДЛ. Одна из установок, способных стать прототипом ТЯРД

Как бы хотелось соединить вместе невероятный удельный импульс ТЯРД с хорошо освоенной реакцией деления тяжёлых ядер, компактность и гигантскую мощность ЯРД…

Вот тут-то на арену и выходит малоизвестный, но от этого не менее интересный класс ракетных двигателей — двигатели на осколках деления. Они же — Fission Fragment Rocket Engine (FFRE).

Но давайте сейчас немного отвлечёмся от двигателей и поговорим о таком явлении, как плазменный кристалл. Потом поймёте почему.

Само выражение «плазменный кристалл» выглядит оксюмороном: плазма — это предельно хаотическое состояние вещества, в то время как кристалл — предельно упорядоченное. Как кристалл может быть плазменным?..

Ну, если у нас совершенно чистая плазма — да, так и есть, ни о каком кристалле говорить не приходится. Но что если у нас в плазму попала пыль, если у нас так называемая «пылевая плазма»?.. Электроны в плазме обычно движутся намного быстрее ионов, а потому на упавшую в плазму пылинку прилетает куда больше электронов, чем ионов. Пылинка получает всё больше отрицательного заряда. Отрицательный заряд пылинки начинает отталкивать электроны и притягивать ионы, постепенно уравнивая их потоки. В какой-то момент наступает равновесие: пылинка имеет стабильный отрицательный заряд, а плазма вокруг неё — стабильный положительный заряд (т.к. часть её электронов теперь «живёт» на пылинке).

Если пылинок много, то мы получаем ситуацию, очень похожую на металл: множество тяжёлых частиц с одним зарядом, находящихся в газе с противоположным зарядом. У металла тяжёлые частицы — это положительно заряженные ионы, а газ состоит из лёгких электронов с отрицательным зарядом. Тут у нас тяжёлые пылинки с отрицательным зарядом, помещённые в положительно заряженную плазму.

Как и ионы металла, заряженные пылинки могут начать выстраиваться в упорядоченные структуры. В самом начале статьи вы можете увидеть фотографию плазменного кристалла, полученного в 2008-м году на кафедре Физики Плазмы в МИФИ. Фотография сделана обычной «мыльницей» без применения микроскопа или каких-то других увеличивающих приборов. Т.е. это кристалл, где отдельные его частицы видны невооружённым глазом. Невооружённым глазом можно видеть, как при изменении условий эксперимента кристалл «плавится» и вновь «твердеет», меняет тип своей решётки. Конечно, именно на этой фотографии кристаллическая решётка имеет так много дефектов, что «кристалл» скорее похож по структуре на аморфное тело. Но это — историческое фото, на нём самый-самый первый кристалл, полученный на кафедре, а не самый совершенный.

Впрочем, получить идеальный плазменный кристалл на Земле вообще практически невозможно — мешает сила тяжести. Прочности у плазменных кристаллов практически нет, поэтому даже свой собственный вес приводит к значительной деформации. Чтобы изучать идеальные плазменные кристаллы учёным пришлось отправиться на МКС. Ну, точнее, отправить туда специальное оборудование и обучить им пользоваться космонавтов. Вот тут есть длинный список научных публикаций, сделанных по результатам исследований на МКС.

Ну вот теперь мы наконец-то готовы вернуться к FFRE.

И так, в чём же идея двигателя на осколках деления? У нас есть ядро, например, урана-235, которое поглотило тепловой нейтрон и раскололось на два осколка и несколько нейтронов. Например, на криптон-92, барий-141 и три нейтрона. Ядро криптона-92 при этом будет иметь кинетическую энергию где-то в 101 МэВ и скорость 14 500 км/с, а ядро бария-141 — 66 МэВ и 9 500 км/с. Усреднённая с учётом массы скорость осколков деления получается 11 500 км/с!

Если мы научимся выбрасывать из сопла непосредственно сами осколки деления, то удельный импульс двигателя может достигнуть 1 000 000 секунд или 10 000 км/с — на уровне лучших проектов ТЯРД! При этом скорость цепной ядерной реакции деления ограничена лишь нагревом элементов двигателя, в отличии от ТЯРД, где скорость реакции в добавок ограничивает температура и плотность плазмы.

Но как нам выбросить из двигателя эти осколки? Ведь их средний пробег в ядерном топливе едва достигает 10 мкм, в твёрдом веществе они почти мгновенно теряют свою скорость…

Первая идея была предложена в конце 80-х годов. И суть её довольно простая: давайте изготовим ядерное топливо в виде тончайшего, около 1 мкм, слоя карбида урана-235, плутония-239 или иного делящегося материала на поверхности тончайших, несколько микрон, углеродных волокон, а из этих волокон сделаем тончайшие листы. Тогда осколки деления смогут покинуть ядерное топливо, сохранив при этом в среднем половину своей энергии или даже больше.

Проект FFRE 1988-го года от Ливерморской национальной лаборатории

Разумеется, даже если добиться от такой схемы почти нереальной эффективности в районе 80%, всё равно потеря осколками 20% их энергии внутри тончайшего листа привела бы к сильнейшему разогреву. Поэтому листам предполагалось придать форму дисков, насаженных целой стопкой на единую ось. Диски входят в щели активной зоны, содержащей отражатель и замедлитель нейтронов, а также мощную магнитную систему. Ось с дисками вращается, постоянно вводя внутрь активной зоны новые, успевшие остыть, участки дисков, и выводя из неё те участки дисков, что успели нагреться до максимальной допустимой температуры. Мощная магнитная система, как не сложно догадаться, улавливает положительно заряженные осколки деления и формирует из них направленную реактивную струю.

Концепция содержит целый ряд серьёзных недостатков:

  • лишь малая доля массы дисков преобразуется в поток осколков деления. В результате хоть скорость реактивной струи и составит почти 10 000 км/с, удельный импульс оказывается на порядок ниже;
  • вы не можете осуществлять непрерывную подачу рабочего тела в двигатель. Вам нужно загрузить в него стопку дисков, выработать её, остановить двигатель и заменить стопку на новую. При этом непонятно, что делать со старой стопкой дисков, представляющей собой радиоактивные отходы максимального класса опасности;
  • новые диски в большом количестве (а на ракете нам нужно иметь их много) крайне опасны, т.к. в них может начаться самопроизвольная цепная ядерная реакция.

Размышляя на тему использования осколков деления в качестве рабочего тела ракетного двигателя автор статьи с десяток лет назад пришёл к мысли преобразовать ядерное топливо в плазму, которую затем удерживать с помощью магнитного поля. Причём поле должно собирать урановую или плутониевую плазму в набор тонких параллельных плазменных цилиндров, в своего рода плазменные ТВЭЛы, разделённые большими вакуумными промежутками. Имея огромную кинетическую энергию, осколки деления легко преодолели бы магнитное поле, удерживающее урановую плазму, и вышли бы в вакуумные промежутки. Там осколки должны быть захвачены другим магнитным полем, которое направит их в магнитное сопло.

Чтобы урановая плазма достигла критической массы, её нужно будет окружить слоем замедлителя и отражателя нейтронов. Но можно ещё добавить слой воспроизводства… Если в качестве ядерного топлива использовать уран-233, а вокруг активной зоны расположить слой природного тория-232, то мы сможем производить из тория новый уран-233. Таким образом решается проблема с безопасным хранением запаса рабочего тела: торий-232 сам по себе не поддерживает цепную реакцию, а потому может безопасно храниться на борту космического корабля в любых количествах. Опасный же уран-233 в каждый момент времени будет присутствовать лишь в минимальных необходимых количествах.

Разумеется, сразу возник вопрос: а не предлагал ли кто-нибудь другой что-то похожее? Поиск в литературе дал ответ: предлагали идею, которая даже лучше! Как вы, наверное, уже догадались, предложение заключалось в создании плазменного кристалла, где мельчайшие, менее микрона в диаметре, пылинки состояли бы из урана или плутония. Малый размер частиц позволит осколкам деления свободно выходить из топлива в очень разрежённую, а от того почти не мешающую движению, плазму.

Проект FFRE, предложенный в рамках первой фазы NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) 2011-го года
Более общий вид того же 1 ГВт двигателя

Как создать плазменные ТВЭЛы вообще говоря не очень понятно. Ещё менее понятно, получится ли сделать их достаточно плотными, чтобы запустить цепную реакцию, но при этом достаточно разрежёнными, чтобы осколки деления выходили в вакуумный промежуток между ними. А вот сомнений в возможности создания пылевой плазмы с частицами урана или плутония нет никаких. Т.е. двигатель на основе пылевой плазмы на первый взгляд выглядит чем-то действительно осуществимым, причём уже при современном уровне технологий.

Почему же никто не ведёт интенсивных разработок в этом направлении? Увы, но как и у любой другой фантастической по своим возможностям технологии, у этой при детальном разборе обнаруживаются не менее фантастические проблемы.

Во-первых, стендовая отработка. FFRE может работать только в вакууме, а значит отрабатывать его нужно в герметичной вакуумной камере. И вакуум в камере должен поддерживаться в течение всей работы двигателя, а значит нам нужно непрерывно откачивать из неё огромное количество разогретой до миллионов градусов высокорадиоактивной плазмы. Как это сделать решительно непонятно.

Во-вторых, безопасность. В традиционных ядерных реакторах практически все осколки деления надёжно удерживаются внутри прочных оболочек ТВЭЛов. Здесь же мы их выбрасываем в виде раскалённой плазмы наружу. Любые неполадки со стендом грозят огромными радиоактивными выбросами.

В-третьих, сложности ремонта и модернизации двигателя на стенде. После первого же запуска в закрытой камере все элементы двигателя покроются слоем высокоактивных осколков деления, а потому работать с ними смогут только роботы.

В-четвёртых, наземная отработка может оказаться просто бесполезной… Как уже говорилось выше, сила тяжести на Земле сильно деформирует плазменные кристаллы. В результате идеально работающий в лаборатории двигатель может вообще не запуститься в космосе, и наоборот.

По всей видимости отрабатывать такой двигатель можно только уже в космосе. Причём, по соображениям безопасности, делать это необходимо выше радиационных поясов Земли. Замечу: «отрабатывать», а не просто испытывать… У разработчиков должна быть возможность не просто включить двигатель, но и оперативно изучить состояние всех частей двигателя и, при необходимости, быстро изготовить новые детали, заменить ими те, что не выдержали испытаний.

По сути дела нам нужна база на каком-нибудь астероиде. На базе будут находится разработчики, использовать его ресурсы для производства, а с противоположной стороны астероида будет стоять испытуемый двигатель: постоянно рядом с инженерами, но одновременно отделённый от них километрами породы, чтобы обеспечить безопасность людей.

Ну и пятая проблема — управление цепной реакцией… Выше я привёл пример реакции деления, в которой образуется криптон-92. Это — радиоактивный изотоп с периодом полураспада 1,84 секунды, 0,03% распадов которого сопровождается испусканием нейтрона. Ряд других осколков деления тоже обладает свойством иногда испускать нейтрон. Такие нейтроны называются запаздывающими, и они позволяют очень плавно менять скорость ядерной реакции. По сути вы могли бы двигать управляющие стержни ядерного реактора просто руками: благодаря запаздывающим нейтронам скорости вашей реакции вполне хватило бы. Но в FFRE мы выбрасываем все осколки деления из двигателя, их распад, а значит и образование запаздывающих нейтронов, происходит за тысячи километров. Реактор будет работать на мгновенных нейтронах, а это значит, что за миллисекунду мощность реакции может измениться на порядок!

Ядерный ракетный двигатель Kiwi работает на мгновенных нейтронах

На данный момент единственный гарантированно работоспособный способ сделать реакцию в FFRE стабильной — это сделать двигатель столь мощным, чтобы можно было регулировать его работу просто скоростью подачи топлива. А это — мощности в тераватты и даже десятки тераватт. Управление же более реалистичными двигателями, от сотен мегаватт до единиц гигаватт, будет составлять крайне нетривиальную проблему.

Так что в итоге?..

В итоге ракетный двигатель на осколках деления оказывается достойным конкурентом для ТЯРД. Достойным конкурентом как по возможностям, вплоть до межзвёздных перелётов, так и по техническим сложностям. FFRE может быть одновременно на порядок меньше и мощнее, чем ТЯРД, но его создание потребует мощнейшей космической инфраструктуры.

Проект пилотируемого космического корабля с двигателем на осколках деления

Подробнее про FFRE можно почитать здесь:

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

51
Войдите, чтобы видеть ещё 75 комментариев, участвовать в обсуждении и не видеть рекламу.
Грустный Илон
Вечность назад

Просто отличная задумка и описание идеи. Даже я, человек без особого образования смог более ли менее понять как это все работать может.

Пол Атрейдес
Вечность назад

Классный материал. Спасибо

Юрий Г.
Вечность назад

Может идея таких двигунов по своей сути и хороша, но очень трудна в практической реализации (о чём и написано в статье). А судя по описанным цифрам энергий, которые там получаются, то с такими большими энергиями, на скольно я понимаю, и обычные плазменно-ионные двигуны можно очень даже неплохо разогнать, чтобы, скажем, "к Марсу долетететь за 39 дней", как в одном извстном проекте VASIMR Чанг-Диаза, ну или подобных ему, и к тому же, без опасных выбросов радиоактивных веществ.

Показать скрытые комментарии

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
Если не получается зайти отсюда, попробуйте по ссылке.