Двигатель для межзвёздных перелётов

[cryon]

Если у нас 50 кг урана 235 тонким слоем по сфере 45 см то снаружи нужен отражатель нейтронов для поддержания критичности? Ща. Прикинул вроде не нужен.

[cryon]

Температура внутри 2200 к, углерод справляется с теплопереносом.

Я готов доказать что вы тут несёте пургу. Не справится. От слова "совсем".
Давайте нарисуем ваш реактор по вашему описанию... я добавил к уже нарисованному.



И так. Вариант a, наиболее близкий к вашему. Весь уран 45 кг в центре, в виде сферы. И я добавил ваш безумный управляющий стержень. Канал и полувднивнул его. Рисунок с. Видите? Еще. В варианте а, между тонкой (графитовой?) оболочкой и самим урановым ядром - вакуум. Перенос тепла - радиационный. И как я посчитал, в этом случае вам нужно иметь температуру ядра 3414 К. Это - безумие. Вариант a поэтому откидываем.
Но вы хотите переносить тепло не радиационным переносом а за счёт теплопроводноси. Поэтому я в варианте с пространство между оболочкой и и ядром заполнил "серым". Графитный теплопроводник.
Первый вопрос: а сколько будет весить этот углерод? Объемы нам известны. Берём разность и зная плотность графита считаем... Опа! 140 с хвостиком кг только графита!!! То есть вариант c CРАЗУ ЖЕ отпадает в силу того что мы не вписываемся по массе в 90 кг (оболочка реактора должна иметь массу не более 45 кг вся! И регулирующий стержень тоже!)
Вариант с забраковали. Хорошо. Давайте заполним не всю оболочку, а построим теплопроводящие мосты к поверхности. См вариант d.
Заходим в раздел теплопроводность и берём формулу:



S - это поверхность малой внутренней сферы (столько же будет передано мостами наружу). l - разница между наружним и внутренним диаметром. Длинна тепловых мостов. χ - теплопроводность. Там в таблице для графита указан диапазон от 280 до 2400. Возьмём по-максимуму. 2400. И теперь постчитаем перепад температур перед и за тепловым мостом. ΔT . Я получил 510 К. То есть, если на поверхности 2000 К, то ядро будет 2500 К.
Никак не 2200 К.  Это - теоретически лучшая. Если же взять типичную теплопроводность в 500 (как у карбида кремния, например) то перепад получается совсем хреновый 2450 К, то есть ядро у нас разогреется до 4450 К.
Вообще говоря мы тут сильно тянули сову на глобус. Потому что теплопроводности, которые мы тут брали - комнатные.  Ну и последнее. Не стал считать массу тепловых мостов. Но боюсь она всё равно будет больше 45 кг...
В общем, идея негодная.
Явно негодная.
Вам нужно внутри от центра к стенке-излучателя что-то лепить воздушно-капельное. Лёгкое и очень эффективное как жаровые трубы. И без них ваша идея НЕ ЗАРАБОТАЕТ ни разу. Вариант d - отпадает тоже однозначно. Никакого наполнителя внутри не должно быть.  Дурная масса! Там всё должно быть полым. Как я сразу и сказал.
И мысль непроизвольно возвращается к самому термодинамически и механически лучшему варианту, варианту б... Но тут нужна смелость ума. А она есть у нас? Граждане?
 

Я раньше считал для беррилия и углерода получал что теплопроводности достаточно без перегрева реактора.
Но видимо нужно делать полую сферу из урана с регулирующим стержнем в центре но только половина нейтронов улетает наружу.

[alex_semenov]

По поводу конструктивна реактора если его сделать внутри полым с управляемым стержнем поглотителем то слой из 6 мм урана диаметром 45 см сможет обеспечить критичность? Компа прост щас нет чтобы считать сечение. Не в курсе?

Вы тоже видите что это "безумное" решение выглядит лучшим? А я с самого начала на это и намекал. Нам надо как-то "раскатать" реактор в фольгу.
Вопрос вы задаёте интересный.
Ну давайте прикидывать на лапоть.



Зависимость среднего числа нейтронов, испускаемых при делении от энергии нейтронов, вызывающих деление для различных ядер

Мы видим, что даже очень тепловые нейтроны дают коэффициент умножения для ²³⁵U  порядка 2,4. Ясно что если мы раскатаем уран тонким слоем по поверхности шара, то половина из этих нейтронов навсегда улетят наружу. То есть внутрь сферы полетят лишь  1.20 (мизерный процент застрянут в слое 3-6 мм, но это можно вообще пока не учитывать). Да, опять же далеко не все они пойдут в дело. Они могут просто тупо пролететь насквозь тонкой стенки с противоположной стороны, изнутри (3 мм? запросто!)... если их не замедлить. Чем они медленней, тем меньше шансов пролететь через те самые 3 мм. Хотя если сильно замедлить они будут там внутри болтаться пока... через 400 с не распадутся... Нужен некий баланс. Нам коэффициент умножения 1.20 не надо. У нас реактор. Нам надо 1.0..1. И есть подозрение, что правильно подобрав состав и плотность газа в сфере можно добиться желаемого. То есть 0.19... пропадут, а остальные таки поддержат цепной процесс.
Более того! Именно регулируя состав и плотность газа мы сможет тонок регулировать реактор. Никаких стержней нам не понадобится!
Но это - гипотеза.
Нужен более точный обнадёживающий расчёт.

Еще неприятность. 1.20 - это весь запас реактивности в таком случае. То есть мы не сможем тут добиться большой степени выгорания топлива.  Даже если все полетевшие внутрь нейтроны вызовут деление где-то на поверхности (так тонко и хорошо будет работать газ-замедлитель-регулятор внурти сферы), мы сможем выжечь только 17% от заложенного урана. Одну шестую. Это  плохо. Это очень плохо!
Можно, конечно попробовать плутоний... Но .... Хотя....

Я раньше считал для беррилия и углерода получал что теплопроводности достаточно без перегрева реактора.
Но видимо нужно делать полую сферу из урана с регулирующим стержнем в центре но только половина нейтронов улетает наружу.

Не знаю. Я считал на ходу, на коленку и получил так. Тут типичная ошибка - спутать радиус с диаметром. Такая ошибка работает в пользу считаемой идеи. Хотя...  l я посчитал вычитая радиус из радиуса или диаметр из диаметра?...  Всё верно. Радиус из радиуса...
В формуле теплопроводности всё линейно поэтому много зависит от коэффициента теплопроводности. Но всё равно, как-то некрасиво заполнять сферу тупо массой, когда мы на всём экономим. Хочется "воздушног" решения же!

[cryon]

По моему лучшее решение это полая сфера весом 100 кг из смеси углерода и урана 235, то есть реактор на частично замедленных нейтронах так как у них растет сечение в барнах при замедлении в уране 235 и при полной массе в 100 кг достигается реакция с регулированием температуры поглотителем в центре сферы и с выгоранием порядка 20% за миллиард секунд работы.

[alex_semenov]

На самом деле я тут высказал очень умозрительную и стрёмную идею. Был бы тут @AlexAV он бы точно с ходу сказал где я затупил и почему это невозможно. Но я пока нахожусь в прекраснодушних иллюзиях. 
Первое что надо точно пороверить. Есть ли ситуация, когда нейтрон с некоторой энергией (и сечением) делит уран в стенке толщиной всего 3-6 мм свероятностю заметно выше 50%.
Эта задача, сродне вот этой (тут и вся математика но надо взять другое сечение и нет никакого сжатия, это только в бомбе):



Тут считается вероятность деления темпера из 238-го урана термоядерными нейтронами. Но точно такая же задача у нас. Захватить и поделить в  то-о-о-нком листе 235 нейтрон, видимо, очень хорошо замедленный. Ну что бы прореагировало 80-90%... И вообще такое возможно?  Если нет (окажется что нужны сантиметры 235 урана даже для очень замедленных нейтронов) то вся идея  -псу под хвост. Не стоит и  продолжать.

[cryon]

Нет при массе смеси урана 235 и углерода порядка 100 кг поддерживать критичность точно можно ведь критическая масса водного раствора солей урана всего 0.8 кг.

[библиограф]

   Есть ли ситуация, когда нейтрон с некоторой энергией (и сечением) делит уран в стенке толщиной всего 3-6 мм свероятностю заметно выше 50%.     

Да, не вопрос! Нейтронов надо очень много
Царь- бомба, 58 МТ в тротиловом эквиваленте, деление синтез деление,
Для третьей стадии предполагалось окружить ее слоем урана 238, тогда 100МТ.
Чтобы избежать чрезмерного загрязнения местности продуктами деления , вместо урана взяли свинец.
Посчитайте теперь сами эффективность деления на термоядерных нейтронах, если масса урановой оболочки примерно, 15 тонн,
и вклад в энерговыделение взрыва 40 МТ.
Заодно,сразу, можете прикинуть плотность нейтронного потока и флюенс 

   По этому делаем кольцо из поглотителя нейтронов и далее именно урана как лучшего поглотителя гамма квантов для защиты электроники в плоскости фотоэлементов.
По поводу конструктивна реактора если его сделать внутри полым с управляемым стержнем поглотителем то слой из 6 мм урана диаметром 45 см     

Реактор на высокообогащенном уране можно сделать почти любой геометрии. Но отражатель всё
равно нужен. Можно также сделать газофазный реактор. Про шестифтористый уран
каждый знает, он кипит  при 56 С, а соединения урана летучие при 2000К тоже есть и немало.
Двуокись урана, к примеру, кипит без разложения при 1600  С
Прежде чем поглотить нейтроны, их надо замедлить.
Итак
Диаметр реактора 45 см.
Замедлитель бериллий 20 см
Поглотитель нейтронов гадолиний 157 толщиной 1 см
Дальше урановая защита диск  45 см высотой и несколько десятков см толщиной. С отверстием 45 см.
Сколько он будет весить?

[Алексей Николаевич.]

А чего он у вас по кругу весь светится? Шар то и не нужен светящийся.
Хватит и с двух сторон, чтобы светило на обе плоскости. А середина в виде кольца, может быть и холоднее,(ей то куда светить, в торец что ли), и там как раз те стержни присобачить и механизмы и крепления.
Да и вообще, можно в виде фонаря сделать, а те фотоэлементы в виде паруса прикрепить.

[cryon]

   Есть ли ситуация, когда нейтрон с некоторой энергией (и сечением) делит уран в стенке толщиной всего 3-6 мм свероятностю заметно выше 50%.     

Да, не вопрос! Нейтронов надо очень много
Царь- бомба, 58 МТ в тротиловом эквиваленте, деление синтез деление,
Для третьей стадии предполагалось окружить ее слоем урана 238, тогда 100МТ.
Чтобы избежать чрезмерного загрязнения местности продуктами деления , вместо урана взяли свинец.
Посчитайте теперь сами эффективность деления на термоядерных нейтронах, если масса урановой оболочки примерно, 15 тонн,
и вклад в энерговыделение взрыва 40 МТ.
Заодно,сразу, можете прикинуть плотность нейтронного потока и флюенс 

   По этому делаем кольцо из поглотителя нейтронов и далее именно урана как лучшего поглотителя гамма квантов для защиты электроники в плоскости фотоэлементов.
По поводу конструктивна реактора если его сделать внутри полым с управляемым стержнем поглотителем то слой из 6 мм урана диаметром 45 см     

Реактор на высокообогащенном уране можно сделать почти любой геометрии. Но отражатель всё
равно нужен. Можно также сделать газофазный реактор. Про шестифтористый уран
каждый знает, он кипит  при 56 С, а соединения урана летучие при 2000К тоже есть и немало.
Двуокись урана, к примеру, кипит без разложения при 1600  С
Прежде чем поглотить нейтроны, их надо замедлить.
Итак
Диаметр реактора 45 см.
Замедлитель бериллий 20 см
Поглотитель нейтронов гадолиний 157 толщиной 1 см
Дальше урановая защита диск  45 см высотой и несколько десятков см толщиной. С отверстием 45 см.
Сколько он будет весить?

Делаем реактор больше диаметром 0.8 метра на 2 мегаватта массой 220 кг и так как внутри уже есть оксид беррилия для частичного замедления вокруг реактора 15 см слой оксида беррилия 1 см галлодиния и поглотитель гамма квантов получится при толщине в 2 см ( так как расстояние между реакторами 32 метра то слоя в 2 см хватит чтобы обеспечить 4 грудуса защиты от радиации для размещения электроники) те же 220 кг на радио защиту. При генерации 600 киловатт электричества нормальная масса.

[библиограф]

       поглотитель гамма квантов получится при толщине в 2 см ( так как расстояние между реакторами 32 метра то слоя в 2 см хватит чтобы обеспечить 4 грудуса защиты от радиации для размещения электроники   

Это переворт в физике защиты реакторов. Я хотел бы увидеть  математическое обоснование этого.

[alex_semenov]

Заодно,сразу, можете прикинуть плотность нейтронного потока и флюенс

А картинка выше какую задачу решала?
* * *

Значит так. Посчитал кое-что. Перековал мечи на орала. Получилось тик в тик.



Для того чтобы 200 барные нейтроны перехватывались тонкой стенкой урнана-235 на 90% (то есть приводили к делению в 90% случаев, хотя хватило бы и 80%) достаточно стенки толщиной 2.4 мм.
Почему 200 барн? Потому что такое сечение деления нейтронами урана-235 при энергии порядка 0,1 эВ.



Почему 0.1 эВ, а не 0.01 (там вообще до 1000 барн!)
Потому что 1 эВ это температура в  11 604 К
Значит ~0.1 эВ это 1000 - 2000 К. Охладить нейтроны до меньшей температуры мы не можем в нашем горячем реакторе. В более холодном реакторе (при комнатной температуре нейтронов и реактора) мы вообще могли бы иметь стенку урана в 0.5 мм!!!

И так. Если мы сделаем сферу со стенкой 3 или более мм из U-235 и создадим внутри условия (закачав туда подходящий газ под подходящим давлением) для замедления и термолизации нейтронов, то мы запустим реактор.
Интересно что у такого реактора будет хороший коэффициент температурной отрицательной реактивности. То есть он по-идее должен хорошо самостабилировать свою работу через темпераруру. Температура упала, нейтроны охладились больше, реактивность возросла, пошёл нагрев. Реактор и газ нагрелся, реактивность упала...
Интересно девки пляшут!
Пустотелый реактор! Тонкая оболочка а внутри замедляющий и регулирующий газ!
Как-то и не верится даже!
Где-то должна быть засада (не бывает всё хорошо)... Возможно в замедляющем газе?...
Гм...

[alex_semenov]

Где-то должна быть засада (не бывает всё хорошо)... Возможно в замедляющем газе?...
Гм...

Ну конечно же! Вспомним нейтронную бомбу! Хотя там, конечно, нейтроны на порядок энергичней чем от деления...



... но в воздухе при атмосферном давлении нейтроны пробегают достаточно далеко (до километра-полтора) прежде чем среда их полностью поглотит или рассеет (термализует). То есть, нам в полую сферу нужно будет или закачать газ под очень большим давлением или использовать какой-нибудь специфический газ с хорошим сечением рассеивания, а скорей всего и то и другое.
На худой конец, можно тупо вставить ядро из конденсированной среды, того же графита! Скажем, пористого.
Кстати. Эта идея не так уж и плоха... Гм... Вернее все они вместе...

Кстати, блин, вот же полная инструкция в википедии!
И даже табличка с подходящими нам параметрами замедления от 1 МэВ до 0.1 эВ! Тик в тик то что надо!

В графите L_b 43 см. Это значит что мы должны плотно набить всю сферу графитом.... Гм... Плохо. Это слишком тяжёлое решение... Это за 200 кг графита точно!
Или?
У нас слишком маленький единичный реактор...


А вообще разнообразие материалов и газов (бериллий? литий? гелий?) дают пространство для манёвра. Кстати, бериллий еще может нейтроны и размножать.Литий тоже. Мелочь, но может быть важная. Бор-10 нейтроны может поглащать (и выделять дополнительную энергию) тоже может пригодиться. То есть, концепция по-идее годная!
Просто никому в голову не приходило делать реактор шиворот-на-выворот, чтобы он не грел внутри, а светил наружу, в вакуум!

[библиограф]

     газ под очень большим давлением или использовать какой-нибудь специфический газ с хорошим сечением рассеивания, а скорей всего и то и другое.   

Газообразный литий-7, кипит при 1340С и не поглощает нейтроны. Сечение взаимодействия 0,03 барна.
для тепловых нейтронов.

[Андрей 2]

Здравствуйте коллеги, давно хотел спросить у вас, представим себе такую ситуацию: в нашу эпоху ( то есть при нашей жизни ) к нашей системе приблизилась другая, пусть это будет красный карлик с тремя - четырьмя планетами, и по мере сближения она подходит на расстояние в 1 световой год, после чего начнёт удалятся, так вот , вопрос такой: РЕАЛЬНО ЛИ В БЛИЖАЙШИЕ ГОДЫ СОЗДАТЬ И ОТПРАВИТЬ В ЭТУ СИСТЕМУ НАПРИМЕР АВТОМАТИЧЕСКИЙ ЗОНД ДЛЯ ЕЁ ИЗУЧЕНИЯ? КОТОРЫЙ ПРИБЫЛ БЫ ТУДА В РЕАЛИСТИЧНЫЕ СРОКИ (20-40 ЛЕТ) НА КАКОЙ ИЗ ПРЕДСТАВЛЕННЫХ ЗДЕСЬ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК МОЖНО БЫЛО БЫ СОЗДАТЬ ТАКОЙ ЗОНД?

[cryon]

       поглотитель гамма квантов получится при толщине в 2 см ( так как расстояние между реакторами 32 метра то слоя в 2 см хватит чтобы обеспечить 4 градуса защиты от радиации для размещения электроники   

Это переворт в физике защиты реакторов. Я хотел бы увидеть  математическое обоснование этого.

Нет это я 2 года тупил=)
Так как поверхность реактора излучает под разными углами сделать легкую защиту от радиации нельзя.
Ведь и нейтроны и гамма кванты летят на 180 градусов от поверхности и если сделать тонкую защиту то с верхней и нижней части реактора на фотоэлементы все равно попадет излучение.
Надо делать локальную защиту от радиации непосредственно на электронике и модуле полезной нагрузки.
Все равно приемлемо если вынести двигатели и полезную нагрузку далеко назад и по сути на фотоэлементах останется только датчик температуры реактора и управляющий стержень, окружить его электронику защитой локально а провода от фотоэлементов и так под радиацией понесут ток далеко назад на модуль двигателей и полезной нагрузки.

[alex_semenov]

Газообразный литий-7, кипит при 1340С и не поглощает нейтроны. Сечение взаимодействия 0,03 барна.
для тепловых нейтронов.

Ага. Да. Собственно, вот есть картинка  отсюда (там и хороший график для сечений деления урана-плутония, сетка логарифмическая хорошо нанесена):



Сплошное- сечение упругого рассеивания, пунктиром - поглащение. В общем, вот тебе мальчик мяч, бери - и в скач! Всё есть. Садись и считай!

[DRUID_3]

НА КАКОЙ ИЗ ПРЕДСТАВЛЕННЫХ ЗДЕСЬ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК МОЖНО БЫЛО БЫ СОЗДАТЬ ТАКОЙ ЗОНД?

Ни на какой! Тема давно скатилась в завуалированный стеб и троллинг с элементами графомании. Когда наберется 1000 страниц надо будет издать и продавать на Бетта Кентавра в отделе гуморесок.

[cryon]

Заодно,сразу, можете прикинуть плотность нейтронного потока и флюенс

А картинка выше какую задачу решала?
* * *

Значит так. Посчитал кое-что. Перековал мечи на орала. Получилось тик в тик.



Для того чтобы 200 барные нейтроны перехватывались тонкой стенкой урнана-235 на 90% (то есть приводили к делению в 90% случаев, хотя хватило бы и 80%) достаточно стенки толщиной 2.4 мм.
Почему 200 барн? Потому что такое сечение деления нейтронами урана-235 при энергии порядка 0,1 эВ.



Почему 0.1 эВ, а не 0.01 (там вообще до 1000 барн!)
Потому что 1 эВ это температура в  11 604 К
Значит ~0.1 эВ это 1000 - 2000 К. Охладить нейтроны до меньшей температуры мы не можем в нашем горячем реакторе. В более холодном реакторе (при комнатной температуре нейтронов и реактора) мы вообще могли бы иметь стенку урана в 0.5 мм!!!

И так. Если мы сделаем сферу со стенкой 3 или более мм из U-235 и создадим внутри условия (закачав туда подходящий газ под подходящим давлением) для замедления и термолизации нейтронов, то мы запустим реактор.
Интересно что у такого реактора будет хороший коэффициент температурной отрицательной реактивности. То есть он по-идее должен хорошо самостабилировать свою работу через темпераруру. Температура упала, нейтроны охладились больше, реактивность возросла, пошёл нагрев. Реактор и газ нагрелся, реактивность упала...
Интересно девки пляшут!
Пустотелый реактор! Тонкая оболочка а внутри замедляющий и регулирующий газ!
Как-то и не верится даже!
Где-то должна быть засада (не бывает всё хорошо)... Возможно в замедляющем газе?...
Гм...

Замедлять нейтроны надо минимум до 1 ев чтобы не было области колебаний сечения их. это 70% типичной толщины слоя замедлителя указанной в таблице в вики. Слой урана 235 может быть в несколько раз больше чем 2.4 мм, часть нейтронов пролетает двойной слой толщины замедлителя проходя сквозь полость сферы, так что если использовать оксид бериллия то потребуется 10 см слоя. И полный вес реактора на 2 мегаватта в 700 кг уже что говорит о том что вес фотоэлементов уже не основа полной массы а делит ее с реактором.

НА КАКОЙ ИЗ ПРЕДСТАВЛЕННЫХ ЗДЕСЬ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК МОЖНО БЫЛО БЫ СОЗДАТЬ ТАКОЙ ЗОНД?

Ни на какой! Тема давно скатилась в завуалированный стеб и троллинг с элементами графомании. Когда наберется 1000 страниц надо будет издать и продавать на Бетта Кентавра в отделе гуморесок.

А на моей в принципе можно но за 140 лет а не за 30.
И опять же ближайшая главная проблема развитых стран это отрицательная демография которая не позволяет думать о заселении космоса.
А тема как бы начинается с описания многокилометровой долины в космосе весом 30 миллионов тонн, что как бы говорит об отсутствии прагматичного мышления автора.

[Андрей 2]

А на моей в принципе можно но за 140 лет а не за 30.

http://www.youtube.com/watch?v=uvxIyW2e1Ow

Хотелось бы поскорее.

[cryon]

А на моей в принципе можно но за 140 лет а не за 30.

http://www.youtube.com/watch?v=uvxIyW2e1Ow

Хотелось бы поскорее.

Системы на электричестве упираются в удельную мощность а следовательно даже на 1 световой год лететь слишком быстро не получится.