Двигатель для межзвёздных перелётов

[AlexAV]

Вроде как простая задача, благадаря комбинации электрических, магнитных полей не допустить попадания осколков деления обратно в делящий материал.

Это понятно. Вот только придумать такую (так чтобы она ещё была технически реализуема) - отнюдь не просто.

[MenFrame]

Вот только придумать такую (так чтобы она ещё была технически реализуема) - отнюдь не просто.

Если таковая не придумана, то исходя из чего вообще можно судить что такая возможна в природе?

[AlexAV]

А кюрий-244 и 245 подходят для реактора?

Типичный изотопный состав кюрия из реактора (данные для ОЯТ ВВЭР-1000 с выгоранием 50 ГВт сутки/т после 10 лет выдержки):
Cm-242 - 0.0026%
Cm-243 - 0.947%
Cm-244 - 87.821%
Cm-245 - 11.159%
Тяжелые изотопы кюрия - 0.07%

Для реактора деления из этого набора представляет интерес только Сm-245. Cm-243 тоже неплохо делится, но он сравнительно короткоживущий (период полураспада 29,1 год), что ограничивает его применимость. Сm-244 - не очень хорошо делится тепловыми нейтронами (в тепловом спектре это скорее сырьевой изотоп, чем делящийся), кроме того тоже короткоживущий (период полураспада 18,1 год). Сm-244 может быть интересен для РИТЭГов (как замена Pu-238), но не для реактора.

Что же касается Сm-245 - это действительно очень хороший делящийся изотоп по своим свойствам даже превосходящий Сf-249 (однако уступающий Сf-251). Причём изотоп достаточно долгоживущий (период полураспада 8,5 тыс. лет). Но тут есь некоторые сложности с его отделением от смеси изотопов. У кюрия нет летучих соединений поэтому стандартные для урана газодиффузионные и центрифужные методы обогащения тут не годятся. Впрочем даже если бы такие были, то чрезвычайная радиоактивность Cm-244 тут сильно бы мешала технологическим процессам и делала бы их едва ли осуществимыми. Обогащать в калютроне теоретически можно, но очень дорого и опять же сильная радиоактивность Cm-244 будет тут также серьёзной помехой.

Можно конечно реакторный кюрий просто оставить на складе и забыть о нём лет на 100 - 200. За это время большая часть короткоживущих изотопов кюрия распадётся и останется практически чистый Cm-245 с небольшой примесью более тяжёлых изотопов. Химическое  же отделение оставшегося кюрия (состоящего в основном из интересного изотопа) от плутония (в который превратятся Сm-244 и Сm-243) существенной сложностью не являются. Так получится сравнительно недорого, но правда очень долго.

Т.е. тут варианты - или приблизительно 11% от массы реакторного кюрия в виде Cm-245, но через 200 лет. Или 5% в виде в Сf-249, но куда быстрее.

[sharp]

Нет. Мощность реактора, если уж удалось обеспечить критическую массу, ограничена лишь возможностями теплоотвода (которые зависят от его конструкции, но не от делящегося изотопа).

С учетом теплоемкости парообазования не совсем понимаю, как теплоотвод может быть лимитирующим фактором.
Скажем, берем кипящий ВВЭР:


Теплота парообразования воды - 2,2 МДж/кг, уд.теплоемкость 4,3 кДж/кг/С. Положим, ежесекундно вскипает десятая часть воды, присутствующей в контуре. Тогда можно обеспечить мощность порядка сотен кВт на килограмм теплоносителя. Определенный вес занимают конструкции, но в любом случае он меньше чем масса воды.

Однако урановый ТВЭЛ на 100 кВт не получится уложить в 1 кг, и именно это ограничивает массу всего реактора...

[AlexAV]

Если таковая не придумана, то исходя из чего вообще можно судить что такая возможна в природе?

Над ней не так уж и много думали, чтобы делать из этого обстоятельства какие-то выводы (т.е. работ по этому вопросу очень немного).

Вообще тут с одной стороны нет очевидных общефизических запретов, говорящих что такое не возможно в принципе, но с другой убедительной схемы тоже никто не предложил. Тут я бы скорее поставил знак вопроса. Проблему пока можно отнести к области, которая требует дальнейших исследований (сформулировать какие-то окончательные выводы здесь пока скорее всего нельзя).

[AlexAV]

С учетом теплоемкости парообазования не совсем понимаю, как теплоотвод может быть лимитирующим фактором.

Топливные таблетки ТВЭЛа состоят из керамики с не особо большой теплопроводностью, а допустимая разница температур между его поверхностью и сердцевиной ограничена. Опять же скорость теплообмена между поверхностью контакта и кипящей водой тоже не безгранична (есть такое понятие как кризис кипения, это когда при превышение теплового потока некоторого лимита между поверхностью и кипящей жидкостью возникает паровая плёнка, которая резко снижает возможность теплообмена). Теплофизические ограничения тут ещё как есть.

Однако урановый ТВЭЛ на 100 кВт не получится уложить в 1 кг,

Только по той причине, что от ТВЭЛа массой 1 кг отвести 100 кВт, так чтобы он не расплавился, чрезвычайно сложно.

[crazy_terraformer]

Маленькая критическая масса позволяет уменьшить массу реактора в несколько раз по сравнению с урановым реакторам той же мощности. Зачем это нужно - полагаю, очевидно, если вы читали тему.

Нет. Мощность реактора, если уж удалось обеспечить критическую массу, ограничена лишь возможностями теплоотвода (которые зависят от его конструкции, но не от делящегося изотопа).
Использование особо хорошо делящихся изотопов тут скорее позволяет конструировать ультра-компактные реакторы, содержащие очень мало активности. Если же реактор в любом случае будет большим и мощным, то никакого смысла связываться с экзотическими изотопами нет. Брать U-235 и всё, ничего лучше тут не будет. А вот если нужно реактор мощностью в 10 кВт вписать в массу пару десятков килограмм (для какого-нибудь продвинутого исследовательского зонда вроде улучшенной Cassini) - вот тут все эти кюрии с калифорниями могут быть очень кстати.

Меня интересуют в данном случае компактные взрывающиеся реакторы - термоядерные заряды с тампером из U-238, например как те, что подходят для проекта "Орион", так и, если таковые возможны, в виде капсул (сжимаемых ионными пучками либо для запуска деления, вызывающей далее слияния термоядерного горючего, дающего нейтроны для раскалывания U-238, либо сжатие ионными пучками вызывает реакцию слияния без посредника, и далее термоядерные нейтроны раскалывают U-238).
Капсулы с термоядерным горючим предлагалось сжимать лазерными пучками в проекте "Дедал", но лазеры для этого не подходят(в частности из-за необходимости слишком частого ремонта), а вот ионные пучки подходят, как я читал. Меня же интересует можно ли увеличить мощность взрыва за счёт изготовления оболочки капсул из делящихся изотопов и из делящихся изотопов и U-238.В качестве же одного из компонентов термоядерного топлива использовать дейтерий(DD, DT, DLi, DHe-3).

[MenFrame]

но с другой убедительной схемы тоже никто не предложил.

А что тут есть возможность для богатства разных подходов?

[sharp]

Топливные таблетки ТВЭЛа состоят из керамики с не особо большой теплопроводностью, а допустимая разница температур между его поверхностью и сердцевиной ограничена. Опять же скорость теплообмена между поверхностью контакта и кипящей водой тоже не безгранична (есть такое понятие как кризис кипения, это когда при превышение теплового потока некоторого лимита между поверхностью и кипящей жидкостью возникает паровая плёнка, которая резко снижает возможность теплообмена). Теплофизические ограничения тут ещё как есть.

Для увеличения площади теплообмена можно, например, прогонять воду через активную зону во множестве тонких трубок (капилляров)?

Для уранового реактора скорее всего существует предел, выше которого площадь теплообмена невозможно поднять именно из-за того, что упадет реактивность, то есть станет невозможно поддерживать цепную реакцию. А вот для кюрия или калифорния можно было бы нарастить площадь теплообмена.

[sharp]

А что тут есть возможность для богатства разных подходов?

Осколки деления образуются равномерно по всей активной зоне, поэтому не совсем понятно как их вообще оттуда можно выгнать до того, как они отдали свою кинетическую энергию столкновением с другими атомами? Если у вас есть вариант такой схемы - нарисуйте.

Другая проблема - осколки разлетаются в произвольном направлении, вам же требуется их все перенаправить в сопло. На это потребуется затратить энергию, сравнимую с энергией осколков. Откуда вы собираетесь ее брать?

[snickers]

В общем проблема не в том кюрий там или уран в реакторе, а в том что тепло деть некуда..вывод прост.. тогда и термоядерный реактор не имеет смысла ибо та же проблема отвода тепла... мы ограниченны по выходу энергии, а согласно приведенной ранее формулы зависимости скорости от массы и энергии если Е =const значит и скорость ограниченна.. Кто то там приводил скорость для реактора А1 в 3000 км вроде не помню точно..
Вот и все пака- пака звезды). 

[sharp]

Вот и все пака- пака звезды

Нужно учиться строить "вечные" (автономно существующие сотни-тысячи лет) космические транспортники. Развивать биологию и науки социальной инженерии - чтобы можно было осуществить хотя бы один из трех медленных вариантов перелета человека - корабль поколений, "спящий" корабль, или корабль с эмбрионами.

[Андрей Курилов]

В общем проблема не в том кюрий там или уран в реакторе, а в том что тепло деть некуда..вывод прост.. тогда и термоядерный реактор не имеет смысла ибо та же проблема отвода тепла...

Именно так. Если для 1 ГВт тепла холодильник будет иметь массу 100 тонн со всеми насосами, двигателями и радиаторами, то уже не важно, весит реактор 1 или 2 тонны. Электрическая схема ограничена в районе 100 Вт/кг, будь то кюрий, транснептуний или анамезоний. Любой электроракетный двигатель, имеющий питание от бортовой тепловой машины для межзвёздных перелётов совершенно непригоден.

[Андрей Курилов]

Вот и все пака- пака звезды). 

Ну почему же "пака"? Есть ещё микроволновые парусы, полониевые пузыри всякие

[sharp]

Если для 1 ГВт тепла холодильник будет иметь массу 100 тонн со всеми насосами, двигателями и радиаторами, то уже не важно, весит реактор 1 или 2 тонны. Электрическая схема ограничена в районе 100 Вт/кг

Если я не ошибаюсь, 100 тонн на 1 ГВт - это таки 10 кВт/кг, откуда вы взяли финальную цифру 100 Вт/кг?

Любой электроракетный двигатель, имеющий питание от бортовой тепловой машины для межзвёздных перелётов совершенно непригоден.

Для перелета в срок менее 200 лет непригодно ничего... А свыше этого срока уже не столь важно, долетит корабль за 300 лет или за 2000 - все равно никто из оставшихся на Земле строителей не увидит результата, а сам корабль нужно проектировать на долгий срок полета.

[sharp]

полониевые пузыри

А он от проблемы теплоотвода внезапно избавлен?

[Андрей Курилов]

Если я не ошибаюсь, 100 тонн на 1 ГВт - это таки 10 кВт/кг, откуда вы взяли финальную цифру 100 Вт/кг?

от балды

[Андрей Курилов]

полониевые пузыри

А он от проблемы теплоотвода внезапно избавлен?

Да он добывает электричество прямо из разности потенциалов, создаваемой вылетающими из тонкого слоя заряженными альфа частицами. Там были надежды на 1000 вт/кг, если я правильно помню

[crazy_terraformer]

А если взрывать термоядерные заряды в сфере(которую легко ремонтировать) - каркас из балок, плетённых из углеродных нанотрубок, с натянутыми на него или приклеенными к нему плёнками, отражающими всё излучение кроме гаммы и рентгена на устройства, преобразующие его в электричество. Сфера д.б. достаточно большая, чтобы излучение и плазма не вызывали её деструкции, чтобы поток энергии приходящий на внутреннюю поверхность составлял от 1-10кВт/м².
Как избежать оседания вещества на внутреннюю поверхность? Заряженные частицы можно улавливать, если создать на ней зоны-ловушки, несущие положительный или отрицательный заряд. А вот, что делать с оседающими нейтральными атомами или молекулами?

[sharp]

Да он добывает электричество прямо из разности потенциалов, создаваемой вылетающими из тонкого слоя заряженными альфа частицами. Там были надежды на 1000 вт/кг, если я правильно помню

Свыше 1000 Вт/кг получались и для обычного реактора, вот в этом посте например:
Годится ли ионный двигатель для звездолетов?

При этом реактор может шпарить десятки-сотни лет, а полониевый пузырь за год потеряет мощность в 4 раза. То есть технология годится только как разгонный блок межпланетном полете. Максимум - что-то пульнуть в облако оорта или гравитационную линзу.