Двигатель для межзвёздных перелётов

[alex_semenov]

Для тех кто тут случайно одним глазом и не следит за петляниями местной коллективной конструкторской мысли.
Возникла необходимость в реакторе, весь делящийся материал которого находится снаружи.
Это возможно?
Да, отвечает смелая, молодая (слегка радикулит,слегка холецистит), конструкторская мысль!
 



Главная идея - добиться баланса нейтронов из поколения в поколение (без нарастания и затухания). Пусть в точке А произошло деление. Так как стенка ДМ тонкая, а поверхность почти плоская, с большой точностью можно сказать что половина нейтронов улетит наружу и потеряется, а половина улетит внутрь сферы не разделив в окрестности ни одного ядра U-235.
Число вторичных нейтронов в случае урана-235  их 2,4, в случае плутония до 2,8.   То есть внутрь сферы полетит больше 1 нейтрона на деление.  Часть этих нейтронов всё равно могут потеряться. Но условия таковы что по-крайней мере 1 нейтрон замедлится с 1 МэВ до 0,1 эВ и попадёт на стенку из тонкого делящегося материала изнутри сферы в некой точке Б. И вот тут мы уже посчитали что из-за того что сечение взаимодействия его из ~1 барна  в начале, теперь стало  ~ 200 барн, тонкая стенка его почти наверняка "не пропустит" наружу. С вероятностью 90% этот нейтрон вызовет деление. В итоге мы получим самоподдерживающися цепной процесс.
Разумеется, ключевая сложность, потерять как можно меньше нейтронов, которые полетели внутрь. Для этого нужен очень качественно подобранный замедлитель. Использование плутония сильно бы облегчило бы задачу из-за большего количества нейтонов, рождающихся при делении плутония.
Если нам не хватит совсем немного нейтронов, скажем 0.01 на деления, мы могли бы попробовать чуть-чуть размножать нейтроны внутри замедлителя. Но это - запасное решение на всякий случай. Пока же, даже для U-235 вполне мыслимо свести баланс. Хотя всегда есть поглощение нейтронов на любом замедлителе, плюс чисто статистические потери незамедленных блуждающих нейтронов из сферы. Так что надо еще более точно считать.
Я специально нарисовал среду ближе к центру как бы плотнее. Интуиция подсказывает, что если замедляющую среду сделать так, это улучшит вероятность необходимых нам событий.

[alex_semenov]

И в центре раздвигающийся цилиндр поглотителя нейтронов(тут тоже гадолиний 157? или еще слой замедлителя надо городить на нем) управляемый датчиком температуры реактора.

Поглотитель не понадобится. У нас и так цепной процесс будет "дышать на ладан". Тоньше надо действовать. Тоньше!

Одна плохая вещь. Запас реактивности у такого реактора совсем дрянь.
То есть идея поместить всё топливо в реактор сразу с этой идеей плохо стыкуется.
А вот идея Штерна с постепенно вдвигаемым в активную зону топливом тут бы была в самый раз.
Ведь нарисованная тут окружность совсем не обязана быть сферой.
Это может быть и ... тонкостенный цилиндр в разрезе.
Нет?

[библиограф]

 Если топливо - газ, многие проблемы упраздняются.

[alex_semenov]

Если топливо - газ, многие проблемы упраздняются.

Да что вы говорите?!!!
 
Для начала, что вы называете топливом в данном случае? Мы же об ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ реакторе для ионного двигателя говорим. В курсе? Вы предлагаете газообразный уран-235?
У Келдыша с этим бились 50 лет. Всё - до задницы.
Крепкий орешек газофазный ЯРД. Реактор - тем более. Да и не нужен нам настолько ГОРЯЧИЙ реактор, чтобы переходить от куда более удобной конденсированной среды реактора к безумной газовой активной зоне!

Вы явно не понимаете замысел. Наш реактор должен производить инфрокрасный свет. Много такого света! Очень много. И только его. И чем с более высокой удельной мощностью (ватт/кг) тем лучше. За что и идёт битва. Мы по-сути тут конструируем искусственное солнце с температурой поверхности 2000 К. И сильно больше нам не надо.

[alex_semenov]

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?

20-40 лет - нереалистично.
Как насчёт 140 лет?

Но 140 лет - это еще напильником работать и работать!  Если вот сейчас и сразу, то 514 лет. Так что лучше не спешить.

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.

Дуракам и неспециалистам недоделанную работу не показывают. Слышали такое? Так чего тогда суёте свой нос сюда?
Люди тут в поте лица трудятся.
Рожают концепции.
А вас, видимо, жаба душит?
Обычно всегда такие есть.
 

[Андрей 2]

Один световой год ... 140 лет?  Побойтесь бога, это не просто много, это неприлично много. Никуда не годится.

[Андрей 2]

Видимо исследования космоса за пределами нашей системы так и останутся уделом телескопов на ближайшие десятилети это точно.

[alex_semenov]

Один световой год ... 140 лет?  Побойтесь бога, это не просто много, это неприлично много. Никуда не годится.

Если бы вы с нами тут чуть раньше перемещали как можно быстрей  гружёный состав  электровозом на дистанцию ВСЕГО 1км, то вы бы поняли что ничего необычного тут нет.
Разумеется, мы говорим о конвенцональных средствах перемещения в космосе, которые не запрещены Московским договором 1963 года... То есть об ионных многоступенчатых ракетах с ядерной силовой установкой. Они тут сейчас обсуждаются как единственный  разумный вариант.
Да можно надеяться на лучшее. Но рассчитывать надо на худшее.

Видимо исследования космоса за пределами нашей системы так и останутся уделом телескопов на ближайшие десятилети это точно.

Не видимо, а так и будет.
И нечего соваться в воду, не зная броду.
Не то что десятилетия, столетия мы никуда не будем соваться! Но работать над проблемой всё равно надо. В частности надо работать над проектами, мол, вот завтра уже летим. Как будем лететь до А Центавры?
376 лет - разумный оптимизм (и надо еще добиться этого) на известных технологиях.

[Vavanzer]

Возникла необходимость в реакторе, весь делящийся материал которого находится снаружи.
Это возможно?
Да, отвечает смелая, молодая (слегка радикулит,слегка холецистит), конструкторская мысль!

  Идея оч интересная.
 Но зачем?
 Со временем делящегося вещества станет меньше. И будет как у радиоизотопника, усеньшение мощности.
  Чем не устраивает центральное расположение источника нейтронов? По крайней мере нейтроны будут в большинстве на пользу уходить.
   

Запас реактивности у такого реактора совсем дрянь.

  А что если придумать саморегулирующийся реактор. У которого, как вариант,  при повышении мощности поглотитель работает сильнее, и при понижении соответственно его концентрация снижается... Ну и (или) коитический обьем меняется.
 Самый простой варик - за счет расширения / сужения.

 Например, вещество в предкипящем состоянии, при температуре кипения, близкой к желаемой температуре реактора! Закипело, расширилось, критическая масса уменьшает концентрацию. Остыло, сузилось, концентрация растет, реакция нарастает. И гдет будет достигнуто равновесие или колебательный процесс...

[Vavanzer]

 Как вариант, резиновый "воздушный шарик", надуваем субкритичным газом. При расширении от нагрева при усилении реакции, произойдет уменьшение концентрации, шар расширится, реакция замедлится.
  При охлаждении стенки шара сожмут газ, концентрация возрастет, реакция ускорится.
 Почти что саморегулирующийся реактор получается)))  Аналогично и с подпружиненным поршнем в цилиндр, сжимающем газ.!
 
 Причем, по мере расхода топлива и потери мощности, сжатие до более высоких концентраций будет помогать поддерживать соотношение температуры к площади, в некоторой мере.... 

[alex_semenov]

Идея оч интересная.
Но зачем?

Потому что по-идее реактор имеет мощность 800 000 ватт, а массу 90 кг. Считайте удельную мощность под ~9 000 ватт/кг.
Да, это только тепловая. И тем не менее.  Всё это битва за удельную мощность энергоустановки. И если идея заработает мы можем рассчитывать на совсем невероятную удельную мощность реактора. Скажем, 20 000 ватт/кг.
Дело в том, что изначально полумеровый шар-реактор  массой  90 кг - это очень маленький и чересчур плотный шар. И при масштабировании идеи вверх мы можем рассчитывать получить куда лучшие удельные мощности. А это - задел для роста удельной мощности и всей энергоустановки.

[Vavanzer]

Дело в том, что изначально полумеровый шар-реактор  массой  90 кг - это очень маленький и чересчур плотный шар. И при масштабировании идеи вверх мы можем рассчитывать получить куда лучшие удельные мощности. А это - задел для роста удельной мощности и всей энергоустановки.

Так какая разница, от каких нейтронов он будет нагреваться?
Логичнее чтоб источник был внутри, а шар пустой, греласть только поверхность. Чтоб всю мощность не передавать через толщу из центра!
  Причем, из центрального исьочника, нейтроны будут улавливаться эффективнее. Чем с поверхности, проходящие через различную толщину поглотителя!

 Кстати, плотность (концентрацию) газообразного  поглотителя/замедлителя можно регулировать подачей извне. Больше/меньше накачивать его! Водяной пар к примеру сгодится!

[alex_semenov]

Появился наш Бармалейкин и не вникнув в обсуждаемые идеи, сразу же стал фонтанировать своими...

Кстати, плотность (концентрацию) газообразного  поглотителя/замедлителя можно регулировать подачей извне.

Да, это и предполагалось изначально.
Но вы, как мне кажется, совершенно не поняли в чём изюминка обсуждаемого.  Посмотрите еще раз. Вот классический "космический реактор" очень большой мощности. РД-0410. Он охлаждается потоком водорода, которые через него протекает. Поэтому он компактный и мощный. Если бы вся его мощность отводилась в космос тепловым излучением, с поверхности нагретой до 2000 К, нам понадобилась бы сфера диаметром более 8 м, раскалённая до бела (таблица цветов каления и температур преведена):



Поэтому, по-сути встаёт вопрос. Как отвести тепло на такую большую поверхность от очень компактного ПО САМОЙ СВОЕЙ ПРИРОДЕ ядерного реактора?
И вот этапы наших страданй-исканий на примере полуметровой сферы тепловой мощность всего 800 ктв, как запланировал это Сергей Елистратов для своего проекта:



Мы видим что если сам реактор с оружейным ураном-235 сделать КАК ОБЫЧНО, то надо его поместить в центр этой сферы в виде сферы 18-19 см. Красным на рисунке a. Тогда мы получим традиционным способом критичность (способов управлять процессом- масса). Но у нас возникает проблема с отводом тепла на поверхность (см варианты c, d) что бы там его излучить с температурой 2000 К. Если делать как в варианте a (тупо радиационный перенос от внутренней сферы к внешней), ядро будет слишком горячим. Да, можно что-то нагородить внутри, организовать некий транспорт и понизить температуру ядра, но это масса, это тепловые (жаровые) трубы, это хитрая и ломкая механика. И всё это при температурах более 2000 К.
Нужно проостое и хитрое решение.
Очевидная мысль, что если бы (ах если бы, ах если бы не жизнь была а песня бы!) мы всё  ядерное топливо поместили на поверхности сферы, то мы бы получили лучшее в термодинамическом и механическом смысле решение. Но если 45 кг урана раскатать по поверхности полуметровой сферы, то мы получим слой в 3 мм толщиной, рисунок b. Будет ли такой реактор критичным? Можно ли  сделать такой вот ПЛОСКИЙ или надутый "реактор" настоящим реактором?
Если да, то у нас есть прорывное, ультимативное решение для данного конкретного случая термофотопреобразовательного источника энергии в космосе (да и не только).
Вот за это и была битва последние пару страниц.
Если теперь увеличить полуметровый шар до 1 м  (2 раза) или 4 м, (8 раз)  то мы увеличим при той же температуре 2000 К мощность в 4-64 раз (квадратично). При этом, масса оболочки (то есть топлива) тоже возрастёт квадратично. Ясный пень (ее можно было бы снизить если бы мы снизили ее рабочую температуру, так как ограничителем необходимой толщины является температура замедленных, то есть термализованных нейтронов). Температурный режим останется тот же. Но, самое интересное, что объем внутри сферы возрастёт и значит мы можем понизить плотность замедляющей среды там, то есть сохранить ее массу по-сути прежней (если не снизить используя другой замедлитель).
То есть. Масштабируя такой реактор вверх, мы улучшаем его весовые характеристики. Не ухудшаем - точно.
Именно потому что мы его вывернули наизнанку и надули как воздушный шарик, массаракша!
 

Осталось появиться тут настоящим спецам по реакторам (А где  @AlexAV, командующий?) и мой замечательный шарик... лопнуть!


 

Между прочим, если схема сработает, то можно было бы такой шарик, только тоньше и холоднее поместить в фокус его "ситечка"...
Нет?



Тут вместо плоского паруса (который заставить делиться еще неизвестно как, нужна антриматерия или что-то похожее), круглый, тонкий, надувной по-сути шарик-реактор, с  тонкой поверхностью которого, во все стороны летят осколки деления со скоростью ~15 000 км/с. Да, половина летит внутрь шара и явно вязнет в замедлителе. Но... Лес рубят - щепки летят... т. Сталин...

То есть идею можно было бы проэкстрополировать на более радикальный вариант двигателя с прямой реакцией осколков деления. Хотя это действительно слишком уж радикально (толщина стенки должна быть действительно ничтожной).

[Алексей Николаевич.]

А другого способа получить электричество нет?
Обычный реактор, либо изменённый немного. Что можно кроме фотоэлементов использовать для преобразования тепла, излучений в электричество, если уж надо ионный двигатель?
И можно ли подобный ионному двигатель напрямик от деления ядер урана задействовать?
Ведь если организовать "зеркало", то есть отражение всех излучений и частиц от активной зоны мощного реактора, и так тяга получится. Вот, добавить к этой тяге ещё и ионные двигатели.
Плохо полетит?
Пока думал и писал, хитроумный Семёнов и так похожее нарисовал.

[DRUID_3]

Ведь если организовать "зеркало"

Зеркало для гамма-рей из чего делать? Из протонов? Шлифовать вручную?

[alex_semenov]

Пока думал и писал, хитроумный Семёнов и так похожее нарисовал.

На самом деле ракета на прямом использовании импульса осколков деления никогда не закрывается окончательно.



К ней возвращаются всякий раз... Поэтому я в своей схеме всех перспективных идей для межзвездных полётов, эту идею тоже оставил как перспективную (под номером 5).



Но что бы осколки деления не сливали свою кинетическую энергию в тепло, нужен очень тонкий слой делящегося материала:



То есть, что бы 40% осколков вылетали наружу, толщина фольги (или размер пылинки) урана или плутония должны быть порядка 10 мкм. То есть 0.01 мм. И это огромная проблема. Тут даже очень холодные нейтроны будут проходить насквозь. Не зря парус на осколках деления пытаются простимулировать к делению потоком антиматерии.



Есть надежда как-то использовать термоядерные (хотя они слишком быстрые) нейтроны. Но опять таки, это всё "незрелые" технологии, если не сказать грубее...

[alex_semenov]

А, кстати, чем народу не нравится идея термофотопреобразователя?
Вот посмотрите:



Термофотовольтаж КПД имеет на равне с циклом Стирлинга и Брайтона (правда при более высокой температуре нагревателя)!

Если получится эту концепцию сделать лёгче на порядок остальных схем (а предпосылки к этому есть, не зря на графике этой технологии нет, новая она)...



то это действительно прорыв в существующих уже технологиях!

[Инопланетянин]

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?

Есть для этого тема:
https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,122938.msg2995789.html#msg2995789

[Алексей Николаевич.]

Ведь если организовать "зеркало"

Зеркало для гамма-рей из чего делать? Из протонов? Шлифовать вручную?

Так надо подумать, ведь для гамма - лазеров что то изобретали, может и для прочего можно создать, хоть поля, хоть материальное что то.
Если нельзя зеркало, можно "линзу". Обеспечить направленное отбрасывание основной массы излучения и частиц.
Не хуже чем на фотонной тяге будет лететь, только не так быстро.

[cryon]

Итак реактор фотоэлемент.
Реакторы 0.8 метра на 600 кг веса на 24 года работы из смеси оксида берилия и урана 235 с температурой поверхности 2100 кельвинов с откачкой газа прореагировавшего из нутри, пустотелые с цилиндром поглотителя нейтронов для регуляции температуры.
Ионные двигатели на 860 км в секунду с автофагом весом 100 кг на 1 реактор и полезной мощностью 530 киловатт на полный вес в 1220 кг одной разгонной ступени.
Фотоэлементы на 900 квадратных метров на 1 реактор с расстоянием между реакторами в 30 метров, с двойным тонкопленочным зеркалом в 15 метрах от фотоэлемента.
Вес фотоэлементов с зеркалами 400 кг, вырабатывают 640 киловатт(500 киловатт по прошествии 24 лет работы) при реакторе на 2 мегаватта.
Далеко позади 130 тонной конструкции блок с полезной нагрузкой в коконе электромагнита на 17 тесла. Весом 10 тонн вместе с магнитом.
10 ступеней разгона и 10 ступеней торможения. Одна ступень - 12 % веса и 24 года работы начальный вес 130 тонн, конечный 10 тонн.
Разгон 240 лет до 1030 км в сек и столько же торможение. Полет на 4.3 световых года 1500 лет, на 10 световых лет 3000 лет. Быстрее ни как пока.