Звездолет, использующий нейтроны из термоядерного двигателя на дейтерии для деления в «делящемся парусе»

https://arxiv.org/abs/1408.6225

При термоядерном горении дейтерия (если предполагать сгорание и получающегося трития) только треть выделяющейся энергии передается заряженным продуктам реакции, которыми можно управлять с помощью магнитного поля и собрать в реактивную струю двигателя. Остальное уносится нейтронами.

Авторы предлагают эти нейтроны охлаждать и использовать для облучения тонкой пленки, покрытой делящимся веществом, чтобы осколки деления давали дополнительный импульс.

Длина пробега осколков в металлическом уране – 6.6 мкм. Длина пробега нейтрона до поглощения (равная расстоянию, на котором число первичных нейтронов уменьшается в e раз) будет меньше 6.6 мкм, только если сечение поглощения больше 32 килобарн. Сечение деления зависит от скорости нейтрона как 1/v^{1/2}, но для урана-235 сечение деления в 32 кбарн достигается только при температуре нейтронов около 0.1К, для плутония-239 – при 0.17К.

Во избежание сильной потери кинетической энергии осколков, толщина слоя урана должна быть еще меньше, не более 3 мкм. Чтобы такой же величине равнялась длина пробега нейтронов, сечение поглощения должно быть 70 кбарн.

Однако, если преобразование энергии в тягу для собственно дейтериевого двигателя невелика, за счет деления обеспечивается заметная прибавка к тяге, даже если только небольшая часть нейтронов поглощается пленкой. Авторы рассчитали, что при эффективности преобразования равной 0.1, даже при сечении деления 3 кб (для U-235 оно достигается при 10К), тяга от «делящегося паруса» будет превышать тягу от дейтериевого двигателя в 4 раза.

Охлаждать нейтроны авторы предлагают путем пропускания их сквозь слой твердого дейтерия, который заодно является запасом горючего. Регенерировать слой делящегося вещества на парусе предлагается путем окуривания пленки урановым паром.

На картинке: A – термоядерный двигатель на дейтерии, В – основная часть корабля, C – баки с дейтерием, D – радиатор, E – распылитель делящегося материала для регенерации пленки на парусе.

--------

AlexAV предложил три усовершенствования для этой схемы:

1) Сделать парус двусторонне-прозрачным для осколков, а осколки отражать электростатическим парусом-ситечком https://vk.com/wall-147618894_704. Это увеличит удельный импульс и тягу в 4 раза.

2) Использовать в делящемся парусе изотоп Am-242m. ПИ: Для данного изотопа америция сечение деления в 32 кбарна достигается при температуре нейтронов около 10 кельвинов.

3) Заменить дейтериевый термоядерный двигатель на реактор деления на Cf-251. Коэффициент размножения нейтронов у этого изотопа калифорния = 4.32. Это позволяет получить до 3 делений в парусе на одно в реакторе-источнике.

-------

Комментарий ПИ:

Главной технической проблемой в любом из вариаций данной схемы (что с калифорнием, что с дейтерием) является сочетание необходимости отвода огромного количества тепла от реактора с необходимостью поддержания очень низкой температуры окружающего реактор замедлителя.

В общих чертах схему охлаждения можно представить такую. Нейтроны еще в реакторе остывают до температур менее 2000К. Потом они попадают во вторичный замедлитель, охлажденный до очень низкой температуры. Вместо твердого дейтерия предпочтительнее использовать жидкий сверхтекучий гелий-4. Он не поглощает тепловые нейтроны (так что нет ограничения на количество столкновений, ограничивающего продолжительность охлаждения нейтронов в любом другом веществе), от него благодаря сверхтекучести легко отводить тепло, и охладить его можно до сколь угодно низкой температуры (в принципе).

Поскольку в абсолютном количестве нейтронов мало, сами они при попадании во вторичный замедлитель переносят довольно мало тепла (в миллионы раз меньше, чем мощность реактора). Но нужно еще надежно изолировать слой вторичного замедлителя от теплового излучения реактора, обеспечив при этом отвод тепла от реактора.

В качестве перспективной схемы мне видится «полярная звезда» https://vk.com/wall-147618894_655?reply=663&threa=.., центральный реактор которой окружен оболочкой со слоем жидкого гелия. В оболочке придется сделать узкие прорези для пропуска лент-ТВЭЛов-радиаторов. Внутрь щелей придется втиснуть надежную теплоизоляцию, поскольку нагретые ленты будут излучать около 100 кВт/м2. Но ничего невозможного в этом нет. В современных токамаках со сверхпроводящими обмотками жидкий гелий находится буквально в нескольких сантиметрах от внутренней стенки камеры, на которую падает поток энергии порядка 1 МВт/м2.

НАБРОС (т.е. оригинальное творчество ПИ)

Звездолет «Морской ёж»

Остроактуальная проблема создания концепции звездолета, способного долететь до ближайших звезд за время порядка столетия и донести при этом груз более чем в граммы весом, пока что не нашла достойного решения.

Хороший проект автономного реактивного звездолета должен удовлетворять двум условиям:

1) удельная энерговооруженность порядка одного мегаватта на килограмм;

2) Скорость истечения реактивной струи порядка 10 тыс. км в сек.

Популярная концепция звездолета – ядерного взрыволета «Орион» https://en.wikipedia.org/wiki/Project_Orion_(nuclear_.. имеет тот дефект, что ядерные бомбы с большой удельной мощностью излучают большую часть энергии в рентгене, которым нельзя толкать звездолет.

«Делящийся парус» https://vk.com/wall-147618894_139 требует использования изотопа Cf-254, который имеет период полураспада всего 60 дней и который даже в количестве граммов накопить весьма сложно.

Ракетный двигатель на осколках деления https://vk.com/wall-147618894_655 с магнитным выводом осколков деления, во-первых, требует изотопа Am-242m, а во-вторых – не работоспособен (условия вывода осколков из реактора несовместимы с условием удержания нейтронов в нем).

Прочие концепции упираются в малую удельную энерговооруженность (вот так вот отвергнем их всех скопом).

В поисках решения проблемы я сначала пришел к идее «Делящегося паруса с нейтронной лампой». Т.е. сделать тонкопленочный парус из плутония или урана, и вызывать деление в нем за счет внешнего источника медленных нейтронов («нейтронной лампы»), расположенного в центре паруса таким образом, чтобы нейтроны от лампы пересекали большой слой делящегося вещества (двигаясь под малым углом к касательной поверхности паруса), а осколки могли вылетать из паруса (вдоль нормали к поверхности).

К сожалению, элементарные математические выкладки показывают https://vk.com/wall-147618894_655?reply=689&threa=.., что при одновременном выполнении трех необходимых условий - постоянства поверхностной плотности, перехвата всех нейтронов из расходящегося пучка, и обеспечения достаточно большого слоя вещества на пути нейтрона – внешний радиус паруса обязан быть больше внутреннего в exp(1/theta_0) раз. Здесь theta_0=lambda_f/lambda_n, а lambda_f и lambda_n – длина пробега осколков деления и длина пробега нейтронов в веществе паруса соответственно. Учитывая, что для плутония 1/theta_0 порядка 200, а для урана-235 и уран-233 – 300, не факт, что парус уместится в видимой части Вселенной…

После этой длинной преамбулы, демонстрирующей, с какими проблемами сталкивается поросенок Петр, желающий свалить из солнечной систяшки, уже на стадии эскизного проектирования межзвездного трактора, перейдем к собственно предлагаемому проекту.

Проект «Морской ёж» есть продвинутый вариант «Делящегося паруса с нейтронной лампой», в котором проблема экспоненциальной расходимости размеров паруса решается за счет предотвращения расходимости пучков нейтронов от лампы.

Концепция основана на явлении зеркального отражения нейтронов от поверхности раздела вакуум-вещество https://en.wikipedia.org/wiki/Ultracold_neutrons#Refl.. (не путать с более известным эффектом диффузного отражения нейтронов от слоя замедлителя). Для зеркального отражения нужно, чтобы нормальная к поверхности раздела компонента скорости нейтрона была ниже критической скорости v_C. Далее мы будем предполагать в качестве материала отражателя металлический бериллий, у которого v_C=6.89 м/с. Это меньше, чем рекордная v_C= 8.14 м/с для никеля-58, но бериллий для наших целей значительно лучше никеля – у него гораздо меньше плотность и сечение поглощения нейтронов.

Пусть у нас есть нейтронный источник диаметром d_0, испускающий тепловые нейтроны со скоростью менее v. Такие нейтроны будут зеркально отражаться от бериллия, если их угол падения к касательной меньше theta_С=v_C/v. Окружим нейтронный источник направленными вдоль направлений на источник нейтроноводами в виде полых труб из бериллиевой пленки, входы которых расположены на сфере с радиусом r_1=d_0/theta_С. Тогда, если диаметры нейтроноводов w=<d_0, и их входы сплошь покрывают сферу, все нейтроны будут перехватываться и дальше идти уже по нейтроноводам.

На концах нейтроноводов размещаем осколковыделяющие элементы (ОВЭлы). Конкретный вид ОВЭлов на нашем уровне рассмотрения не очень важен. Это могут быть просто трубы - продолжения нейтроноводов с утонченными стенками, заполненные левитирующей пылью из оксида урана или плутония, могут быть трубы, покрытые пленкой урана или плутония вместо бериллия, и т.п.

Обозначим f длину ОВЭл. Для максимизации поглощения нейтронов (движущихся вдоль ОВЭл) при минимизации поглощения осколков (при вылете поперек ОВЭл) при фиксированном диаметре ОВЭла w его длина f должна быть как можно большей. Но величина f ограничена тем, что после выхода из нейтроновода нейтронный пучек начинает расходится, с углом расходимости равным тем, с которым он вошел в нейтроновод, т.е. theta_С. Исходя из этого получается, что оптимальная длина ОВЭла должна быть порядка r_1.

Если нейтроноводы прямые и постоянного радиуса, средняя плотность вещества стенок нейтроноводов на единицу объема пространства, сквозь которое они проходят (т.е. какая была бы плотность вещества, если его однородно размазать по объему), будет квадратично падать с расстоянием. Так что средняя длина пробега осколка деления, вылетевшего с конца нейтроновода длины R, пропорциональна (R/r_1)^2. С другой стороны, среднее расстояние l, которое нужно пройти осколку, чтобы покинуть лес из ОВЭлов, порядка (Rf)^(1/2).

Учитывая все это и полагая, что f=r_1, получаем, какой длины должны быть нейтроноводы, чтобы осколки могли вылететь из «ежа»:

R=r_1/theta_0^(2/3)

Здесь theta_0=lambda_f/lambda_n, а lambda_f и lambda_n – длина пробега осколков деления и длина пробега нейтронов в делящемся веществе при единичной плотности.

Суммарная масса всех нейтроноводов:

M=16pi sigma_1 d_0^2 / (theta_0^(2/3)*theta_С^3)

Здесь sigma_1 – поверхностная плотность пленки, из которой сделаны нейтроноводы. При отражении нейтроны проникают в материал на глубину порядка их длины волны. Длина волны при скорости v_C около 50 нм. Так что слоя бериллия толщиной 0.5мкм и поверхностной плотностью sigma_1 = 1 г/м2 должно хватить для отражения. Бериллиевую пленку придется посадить на что-то типа ткани из нанотрубок, но не будем учитывать добавку в поверхностную плотность от нее.

Средняя скорость тепловых нейтронов при температуре 300К равна v=2 км/с. Максимальный угол отражения для нейтронов со такой скоростью равен theta_C=0.003 радиана. Для плутония theta_0=0.005. Если радиус источника нейтронов d_0=1 м, радиус «ежа» получается R=12 км, а масса - приблизительно М= 50 тысяч тонн. И это только нейтроноводы… Радиус внутренней камеры (так сказать тела «ежа») r_1=300 м.

Если полагать удельную мощность 1 МВт/кг, то полная мощность получится 50 тераватт, что в несколько раз больше современной суммарной выработки энергии человечеством. Да, как говорится, «межзвездные перелеты – это вам не лобио кушать»…

С другой стороны, масса М очень сильно, как v^(11/3), зависит от скорости нейтронов (здесь учтено, что сечение деления и соответственно theta_0 подчиняются закону 1/v). Так что чем сильнее удастся охладить нейтроны, и чем компактней их источник, тем менее громоздкой будет установка. Уменьшить источник до размеров много меньше d_0=1 м нельзя, так как величина длины замедления для лучших замедлителей – около 10 см. Но если при диаметре источника d_0=1м удастся охладить нейтроны до температуры сверхтекучего гелия (v=200 м/с), то суммарная масса нейтроноводов будет всего порядка M=10 тонн, радиус – R=300 метров (и радиус внутренней камеры r_1=30м).

В качестве источника тепловых нейтронов для крупного варианта звездолета (это который 50 тысяч тонн) можно предложить дейтериевые микрозаряды с мощностью порядка 10 гигаджоулей каждый, помещенные в трехслойные оболочки: 1) слой первичного замедлителя, поглощающий большую часть энергии быстрых нейронов и нагревающийся до миллионов градусов; 2) тяжелая оболочка из свинца-208 (у него очень низкое сечение поглощение тепловых нейтронов); 2б) вакуумный промежуток; 3) слой вторичного замедлителя, например, из тяжелой воды. Идея состоит в том, что нейтроны должны успеть охладится и улетучится до того, как расширяющаяся свинцовая оболочка разрушит и нагреет внешней замедлитель. Водяной пар и свинцовая дробь рассеиваются внутри тела «ежа», остывают, захватываются и тут же используются для изготовления оболочек новых зарядов.

Исходя из количество энергии, выделяющейся при получении одного нейтрона при сгорании дейтерия, получается, что тепловая мощность источника нейтронов должна составлять около одной десятой от суммарной мощности ОВЭлов. То есть придется взрывать около тысячи бомбочек в секунду …

Нейтронный источник для малой, десятитонной модели, видится в общих чертах так: импульсно горящий дейтериевый огонек в центре (серия микровзрывов). Его окружают быстро вращающиеся проволочные кольца первичного замедлителя-радиатора, собранные в тороидальную структуру. Чтобы было понятнее – кольца замедлителя расположены как витки тороидальных катушек в токамаке, а камера с горящим дейтерием расположена на месте центрального индуктора токомака. В первичном замедлителе нейтроны охлаждаются до энергии порядка эВ, нагревая часть замедлителя, прилегающую к камере. Так как кольца первичного замедлителя вращаются, тепло распределяется по тору равномерно и переизлучается в космос. После прохождения первичного замедлителя нейтроны попадают во вторичный замедлитель – бак с кипящим гелием. Охлажденные нейтроны вместе с потоками газообразного гелия разлетаются во все стороны и попадают во входы нейтроноводов. Входы нейтроноводов закрыты тонкой пленкой, прозрачной для нейтронов, но не для гелия. Газообразный гелий откачивается насосами, охлаждается, сжижается, и возвращается в бак.

Учитывая, что даже в компактном варианте необходимое число нейтроноводов исчисляется тысячами, с стороны эта штука будет похожа скорее не на ежа, а на меховой шар, с кончиками волос, светящимися багровым светом. Для того, чтобы охлаждать нейтронный источник, в шерсти придется сделать окна, при взгляде сквозь которые в центре шара будет виден сравнительно небольшой светящийся бублик. При взгляде строго вдоль оси «бублика», в центре будет видна мигающая ослепительная голубоватая точка. Не спрашивайте про схему поджига дейтерия – this issue is beyond the scope of the present work (тм).

Все это спереди придется окружить электростатическим «парусом-сеточкой» им. AlexAV, отражающим испущенные «ежом» осколки деления назад и создающим тягу. А позади, достаточно далеко для того чтобы ему не угрожали потоки нейтронов и гамма-квантов, полезный груз корабля. «Парус-сеточка», «еж» и груз соединены тросами.

На картинках – нейтроновод и морской еж.

Snailmaster

Космические улитки любят жрать гречневую кашу, поэтому мой звездолет нагружен несколькими тысячами тонн гречки. Раньше это был один из флагманских кораблей, предназначенный для исследования самых дальних закоулков вселенной, а я - перспективным ученым, жаждущим великих открытий. Но с течением времени мне все надоело, исследования закрыли, я присвоил этот корабль себе и отправился бродяжничать по галактикам, слушая пение и мычание космических улиток. Совсем недавно – буквально несколько сотен лет назад космических улиток использовали как бесплатное и доступное топливо для межгалактического флота, но вскоре среди множества бесполезных организаций Земли возникло общество защиты прав космических моллюсков и звездолеты вновь перешли на ядерное топливо и другие виды энергии. Однако настороженное отношение у улиток к людям осталось и по сей день.

Несмотря на свое добродушие, лень и неподвижность некоторые улитки таят для меня опасность. Это касается самых древних, выросших до размеров средних планет, ровесниц космоса, выщипывающих себе брови, каждый волосок из которых способен разнести мой корабль в щепки. Никто всерьез не занимался изучением этих жительниц вселенной, однако мне кажется, что они достаточно смышлёны и каким-то образом обмениваются информацией, несмотря на множество световых лет между собой. Наиболее дружелюбные из них, извещенные о моем скором появлении, разливают по банкам какой-то тягучий кисель кислотного цвета, а затем пытаются угостить меня, приветливо махая своими рожками, но мне немного страшно это пробовать.

Я стараюсь записывать все песни улиток. Если искусственный интеллект корабля замечает их на каком-то расстоянии, то я ставлю им, что то из земной классики, и если мой звездолет улавливает звуки в ответ, то он автоматически записывает их, и мы меняем курс в сторону добродушной поющей слизистой твари. Меня интересуют только поющие особи, наверное, потому что в них есть жизнь, которая закончилась во мне. Вместе с ними я иногда переслушиваю джаз и свинг, от звуков которого некоторые начинают проявлять совершенно несвойственную им активность, похожую на земные танцы и обрызгивать жижей мой корабль.

Иногда, если у меня бывает хорошее и озорное настроение, я таскаю у них будильники. Улитки продолжают спать, а собрав значительное количество будильников я завожу их на одно и тоже время на какой-то самой удаленной планете и затем наблюдаю, как ошалевшие от продолжительного сна эти громадные моллюски торопятся со всех окраин космоса, что бы выключить трезвонящие часики и забрать их себе обратно.

Бывшая гордость конструкторов межпланетного альянса, превратившаяся в видавший виды зачуханный грузовик, набитый гречкой, уже давно лишилась своих привилегий при движении в космосе и утратила свое прежнее бравое имя. Теперь корабль называется «Snailmaster» - повелитель улиток, на нем работает только 30% от всех систем, так как мне их лень чинить. Несколько недель назад мой звездный рыдван с замершими двигателями лег в дрейф в какой то дремучей провинции галактики NS 784/35B, название которой высвечено на карте полета. Глядя на отражение своей небритой рожи, и думая, что долетел до финиша, я чувствую ощутимый толчок, словно при запуске всех реакторов. Корабль начинает двигаться, несмотря на отсутствие энергии. Подняв огромные экраны с обзорной капитанской площадки, я вижу, что мой уставший звездолет тащат космические улитки. Облепив его со всех сторон, они пыхтят и хором мычат мою любимую песню. Мы набираем скорость, гречки нам хватит еще надолго.

Из документа на сайте проекта Икар
(PROJECT ICARUS: PROJECT PROGRAMME DOCUMENT (PPD))
Я узнал что в радиусе 15 световых лет на термоядерных технологиях можно добраться за 100 лет

Я предполагаю, через век экономика сможет осилить технологии и строительство звездолета, а медицина сможет значительно повысить продолжительность жизни, и пилотируемые межзвездные перелеты в радиусе 15 световых лет, станут возможными.

Я даю в пример проект Икар потому что он быстрее взрыволета Орион (Орион мог лететь 130 лет к ближайшей звезде), а другие технологии являются по моему мнению, более трудными в осуществлении для пилотируемого перелета.

Куда летим?
В радиусе 15 световых лет, найдено 40 экзопланет из которых 9 потенциально способны иметь жидкую воду на поверхности, в том числе планета Proxima Centauri b всего в 4.24 св. годах от Солнца. Неизвестно есть ли у нее плотная атмосфера.

Большинство известных нам звёзд - Красные Карлики.

Планеты в обитаемой зоне красных карликов, расположены очень близко к своей звезде и подвергаются сильным звездным вспышкам, а гравитационное влияние может приводить к синхронному вращению, когда планета делится на регионы с вечным днем и вечной ночью.

В связи с этим, особое внимание заслуживает звезда Тау Кита (Tau Ceti) на расстоянии 12 световых лет от Солнца. Это ближайшая одиночная звезда класса G (желтый карлик, как и наше Солнце). Звезда выглядит стабильной.
Предполагается что она имеет минимум 4 планеты, и как минимум одна из которых находится в обитаемой зоне.

Тау Кита входит в список 30 наиболее перспективных систем из 5000 в пределах 100 световых лет от Солнца для поиска внеземной жизни.

Предсказать условия на перечисленных выше планетах на сегодняшний день можно лишь используя симуляции в основе которых лежат допущения и предположения.
Вероятно в ближайшие годы с запуском новых телескопов, мы выясним на порядок больше о соседних звездных системах.

Список ближайших экзопланет
Пилотируемый Икар
Мы в телеграмме
Мы в ВК