Двигатель для межзвёздных перелётов

[alex_semenov]

Так если бы там одна плазма была... И та что получается - крайне не равновесная. Это зафиксировали, наверное, хвост гауссианы.

Да, но мы говорим лишь о 10% энергии (остальная уносится рентгеном и нейтронами). При этом 1000 км/с - это как раз усредненная скорость плазмы. Та что подставляется в ур. Циолковского. Скорости разных компонентов плазмы, разумеется, разложатся по гаусеане...  Но это уже не важно. Проще говоря. Речь именно о НИЖНЕМ пределе скорости. А  он у вас получается на порядок меньше. Вот это и вызывает удивление.

Не знаю, как Тейлор считал, но нам прапорщик так объяснял.

У нас тут тоже есть "товарищь прапорщик" на форуме, он нам и формулу для оценки толщины толкателя подарил. Вот тут:
https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,110326.msg2557361.html#msg2557361

[alex_semenov]

Очень приблизительно.В трансуранах выделяется примерно 1 МэВ на нуклон, что примерно 0,001 мс2 или (на килограмм) 0,9*1014 Дж или 0,9*1014/0,418*1013=21,5 килотонн ТНТ. (что намного ближе к 19 кт/кг чем к 19 Мт/кг)Пр скорость. С учётом 10% гамма равна 1,0001\[ {\gamma }^{2}=\frac{{c}^{2}}{{c}^{2}-{v}^{2}} \cdots v=\sqrt{{c}^{2}-\frac{{c}^{2}}{{\gamma }^{2}}} \]v=0,014 с=4242 км/с

Да, да... мечты-мечты... эх, если бы да кабы... Кстати в ракете на осколках делени примерно такая скорость разлета именно осколков и должна быть... Да, да, все это мы уже проходили но в другом месте.

21,5 кт/кг... гм... интересно. Я, кстати, беру калорийность просто из справочника... и кстати уже не помню какого. Есть табличка под рукой и в ней данные...

Вру... я считаю... то есть это мои расчетные цифры... и они могут быть левыми. Ваши - точней. Хотя, так как мы считаем что-то в районе порядка...

[alex_semenov]

Сначала нейтроны превращают Литий-6 в тритий:

Вообще-то литий-7 вполне юзабелен также для этих целей и нейтроны преумножает лучше. А чтобы получить преимущественно литий-6 - ещё обогащать надо.

Андрей, вас как всегда несет во всякие чудо-решения. Мы сейчас о чем говоим?
О КЛАССИЧЕСКОМ заряде и его предельной калорийности.
А классический заряд - это дейтетит лития-6!
То что литий-7 дает дополнительные нейтроны-  это прекрасно. Но вообще говоря, нафик они нужны ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ? Энергию уносить?
Тем более что:
 
 Li-7 + n -> T + He4 + n - 2.47 MeV

Реакция С ПОГЛОЩЕНИЕМ энергии.
Не обращали внимание?

Если вы о такой последовательности реакций:Li7 + n -> He4 + H3H3 + H2 -> He4 + nТо получается около 1.837*1014Дж/кг или 43.7 кт/кг при 100%-выгорании.

А почему у нас такое большое расхождение? Даже если поправить Li7 на Li6, все равно…
Сколько у вас калорийность чистой смеси дейтерия с тритием?
Я выше свою называл.
У вас какая?

[alex_semenov]

Примерно в два раза больше чем с трансуранами. Всё правильно в первом приближении.

Нафик это ваш Li7? В НОРМАЛЬНОМ боеприпасе что горит? Дейтерит лития-6? Вот для него и надо считать калорийность. Причем тут седьмой литий?

D + T -> He4 + n + 17.588 MeV

Масса дейтерия 2,014101778
Масса трития 3,016049278
Масса гелия-4 4,002603254
Масса нейтрона 1,008664916
Поссчитываем дефетк массы 0,00375394
Из него (для контроля) считаем энергию. 17,5797 Мэв
Из этого же дефекта массы получаю калорийность дейтерия с тритием (дефект массы делим на квадрат скорости света) 3,37E+14 Дж/кг
Это 80,64 кт/кг
Но это только последняя реакция. Тритий ведь получался тоже с выделением энергии.
Стоп...
Я неверно посчитал калорийность. Я же считал на кг. Но трития не 1 кг нарабатывается из лития а меньше...  Надо пересчитать...

[alex_semenov]

Нет.http://en.wikipedia.org/wiki/Castle_Bravo#Cause_of_high_yield

Да читал я сто раз про это! Но мы говоирм о хорошо рассчитываемых боеприпасах!

А классический заряд - это дейтетит лития-6!

Да вроде бы уже давно никто не парится над обогащением лития. С тех пор как было обнаружено, что дейтерид обычного природного лития бахает не слабее, чем обогащённый.
"Если нет разницы, зачем платить больше?"

Блин, детский сад!
Как это НЕТ РАЗНИЦЫ?
Ну что это за подход идиотский?
Разница есть. И вполне рассчитываемая!

Но вообще говоря, нафик они нужны ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ? Энергию уносить?

Они сильно повышают коэффициент выгоранья и, как следствие, общий энергетический выхлоп.

Это все слова. Что значит сильно?

Поглощение энергии совершенно незначительно. На практике получается больше энергии по приичне увеличения выгорания топлива.

Да я понимаю,  но конкретные оценки есть?
Даже если это так, то должно быть ОПТИМАЛЬНОЕ сочетание лития-6 и лития-7 в детрите лития (когда достигается максимальное выгорание). Вряд ли оно соответствует природному сочетанию изотопов.

[alex_semenov]

Ну раз уж вы взялись это утверждать - покажите рассчётом...

Хорошо. Давайте будем считать для ПРИРОДНОГО лития. Уговорили...

Ушел считать...

[alex_semenov]

Так, пообедавши я понял какую глупость я выше сморозил (рассчитывая полное выгорание многоступенчатого процесса).
Ну я и кретин!
 
Окончательно.
Для дейтерид-лития-6 калорийность 2,39E+14 Дж/кг  или 57,08 кт/кг
Для дейтерид-лития-7 калорийность 1,45E+14   или 34,74  кт/кг

Так как природный литий состоит на 92.7% из лития 7 и 7.5% из лития 6 то при полном выгорании природного дейтерид-лития калорийность получается 36,41 кт
Мои цифры в целом совпадают с вашими но мои чуть меньше и скорей всего точнее, так как я считал от реально замеренных атомных масс  покоя всех исходных и конечных компонентов, а вы брали (как я понимаю) среднюю массу нуклона, так?

[alex_semenov]

Нет. Ну не важно. Учитывали ли вы разницу энергетического вклада при делении разных ядер лития нейтронами? Я учитывал (что для лития-6 доп. энергия появляется, для лития-7 - отнимается).

Нет я просто сложил массы компонентов ДО массы всего что родилось ПОСЛЕ нашел разницу. Потом эту разницу поделил на суммарную массу ДО и получил дефект массы (долю). Потом долю умножил на квадрат скорости света и получил калорийность. Скорость света я взял грубую (300 000 км/с).

[alex_semenov]

Главное. Если бы выгорало 100% термоядерного топлива, то Li6 явно предпочтительней Li7. Во-первых так получается калорийней, во вторых не образуются ЛИШНИ нейтроны, которые будут уносить с собой заметную часть энергии (хотя в схеме с грязным толкателем этот лишний нейтрон мог бы пригодиться).
Ясно что при 100%  (или природной) доле лития-7 цепрчка реаций произведет переизбыток нейтронов (не все они пойдут на трансмутацию лития).
По всей видимости для идеальной бомбы Тейлора (мы же собрались искать именно ее! максимально калорийную) должна найтись некая идеальная пропорция лития-7 и 6.
В принципе и реакция чистого Лития-6 с дейтерием ТЕОРЕТИЧЕСКИ должна давать баланс по нейтронам. Однако теория-теорией. А практика- практикой. Сколько нейтронов реально будут теряться из зоны реакции? 10%? 30%?
Я думаю, что примерно настолько и надо разбавить в идеальной бомбе литий-6 литием-7.
То есть природное соотношение - явно не оптимальное.
В принципе мы можем попробовать саломоново решение  50 на 50... 
В этом случае калорийност будет   45,91 кт/кг
Возьмем его за основу?

[alex_semenov]

Вообще глупо считать точно калорийность, потому что там же будут побочные цепочки. Скажем D+D в ходе которых будет рождаться гелий-3, который даст третичные реакции и т.д. В той же гелиево-дейтериевой плазме (которая вообще не должна давать нейтронов) до 5-10% может идти по побочным реакциям (и давать все же нейтроны). Поэтому слишком точно считать в нашем случае калорийность - глупо.
Поэтому давайте остановимся на 45-40 кт/кг.

Теперь главный вопрос: какой процент выгорания термоядерного горючего обычно наблюдается в боеприпасах?
Хотя...
Мы могли бы оставить этот вопрос на потом.
Давайте тогда разбираться теперь с массой толкателя.
Нам понадобятся плотности разных материалов.
Вот у меня было в заначке:
Взрывчатые компоненты         
   Уран    19 050,0   кг/м3
   Плутоний   19 840,0   кг/м3
   Дейтерид лития (гидрид лития 860)   880,0   кг/м3
   Жидкий дейтерий   166,3   кг/м3
   Жидкий гелий 3   82,4   кг/м3
Материалы в бланкетах (третья ступень)         
   Литий   534,0   кг/м3
   Бор   2 340,0   кг/м3
Конструкционные материалы         
   Толуол (типичная взрывчатка)   866,9   кг/м3
   Полиэтилен (радиационный канал)   940,0   кг/м3
   Пенопласт (средней плотности)   50,0   кг/м3
   Алюминий   2 698,9   кг/м3
   Сталь (железо)   7 874,0   кг/м3
   Вольфрам (толкатель)   19 300,0   кг/м3
   Свинец (толкатель)   11 341,5   кг/м3
   Бериллий (отражатель)   1 848,0   кг/м3
   Уран (толкатель, нагреватель)   19 050,0   кг/м3

[alex_semenov]

Переизбыток нейтронов необходим, так как всегда есть потери нейтронов по разным бесполезным каналам.

Да есть. Но я же сказал 10-30% (в вашем примере, как я понял нехватка - 25%). Ну 50% МАКСИМУМ! Ведь литий-7 с дейтерием съев 1 нейтрон на выходе дает два ядра гелия и 2 (ДВА!) нейтрона. То есть, происходит УДВОЕНИЕ нейтронов. Таким образом доля лития-7 в литии-6 по идее (как я и сказал выше) должна равняется именно проценту утечки на всякие боковые реакции. Как компенсатор. Но если лития-7 будет больше нормы (оптимума), то он во-первых поглощает энергию (а не выделяет), что снижает калорийность топлива в целом, во-вторых появляются лишние нейтроны. Именно что лишние!!! Мы говорим не о реакторах а о заряде. Притом нас интересует "чистый" заряд где энергия преимущественно уносится ЗАРЯЖЕННОЙ плазмой (и рентгеном). А если у нас 50% энергии уносится нейтронами, то это все - паразитная энергия! Нейтроны как по мне - это еще хуже чем мягкий рентген.  Тот хоть как-то можно попытаться утилизировать. А нейтроны... хотя если  толкатель из урана-238? Но в этом случае все равно заметная часть энергии уйдет с нейтронами от которой нам (двигателистам) нет пользы.

[alex_semenov]

Объясняю с другой стороны.Пусть в ядерном триггере 10 моль плутонья239 (2.39 кг). При подрыве и коэффициенте выгорания 20% это условно даст 2 х 10моль х 20% = 4 моль нейтронов. Теперь вы при идеальных условиях таким триггером можете разделить 4 моль лития-6. Но это всего 32 грамма Li6D. Второе поколение нейтронов, допустим, будет на 1/4 меньше (оптимистично) и на втором шаге удастся разделить уже 24 грамма, потом - 18 грамм, 13.5г, 10г, 7г, 5г, 4г и т.д. пока реакция не заглохнет. Итого вы потратили больше 2 кг плутонья239 чтобы сжечь всего грамм 100 Li6D.

Да, но тогда для полной гармонии вам нужно разбавить дейтерид-лития-6 на 25% дейтеритом-лития-7. НА 25%!!! Но не более же!!! Вы же утверждаете что чем больше дейтерита-лития-7 тем лучше (как я вас понимаю). Луше не будет. Есть, видимо оптимум. И вряд ли он более 50% (по литию-7).
Что касается зажигалки, то она вообще МИЗЕРНАЯ, если помните (по массе). Ее вообще можно не учитывать в балансе.

[alex_semenov]

Ну и что? Всё равно коэффициент выгорания далёк до 100%.

Выгорание далеко от 100 процентов потому что критическая масса распадается раньше, чем успеет выгореть все топливо. Тут причина не в нехватке нейтронов а в нехватке времени удержания!
Нейтроны тут - никаким боком!

[alex_semenov]

Будет, потому что не придётся обогащать литий для совершенно незначительного повышения калорийности.

Ну обогощать с 7,5% до 50% или даже 70% - это не так уж и дорого как с 0.7% до 90% (Уран 235)
Еще плюс - нет лишней утечки энергии через нейтроны. Хотя, есть подозрение что эти лишние нейтроны не такие уж и энергетичные...

[alex_semenov]

Послушайте. Я точно знаю что т.н. "баланс нейтронов" - очень острая проблема как в продвинутых зарядах, так и в реакторах. И что увеличение мгновенного флукса горячих нейтронов в бомбе в 2 раза повысит коэффициент выгорания раза в 1.5 (и, соответственно, энерговыделение тоже).

Наш спор может разрешить только эксперт. Или более скурпулезный расчет. Скажем куда у вас исчезают 25% нейтронов? Какой свободный пробег нейтрона в плазме заряда? Если миллиметры (а кажется AlexAV где-то раньше это говорил) то какие к черту 25% потери нейтронов?

Андрей. Вы хотите вот что сказать. Коэффициент выгорания термоядерного топлива в первую очередь определяется коэффициентом конвертации лития в тритий. Так?
Если конвертировалось 10%, то и выгорело 5%.
Если конвертировалось 70% то и выгорело … скажем 50%. 
То есть главная причина почему в бомбе не выгорает все термоядерное горючее - нехватка трития? Тритий не успевает наработаться? И поэтому оптимум энерговыделения лежит далеко за отметкой 100% литий-7?

Если это действительно так - я соглашусь. Но тут может быть очень по-разному. Вполне может быть, что нейтронов даже от реакции лития-6-го достаточно, а причина неполного выгорания - в другом (не достаточно долгое удержание термоядерной плазмы, например, и "рассасывание" критерия Лоусона).

[alex_semenov]

Да не может быть. Потому что на каждый затраченный нейтрон на каждом шаге будет меньше 1 нейтрона на выходе. Цепная реакция в Li6D будет всегда затухающей. И даже когда нейтронов "достаточно", выгорает далеко не всё, потому что реакция становится всё равно затухающей, когда топлива становится мало и оно разлетается. Но если нейтронов "более чем предостаточно" степень выгорания будет всё-таки больше.

И тем не менее. Я не понимаю этого. Если у вас теряется 25% нейтронов, то зачем вам компенсировать их нехватку повышением числа нейтронов более чем на 25%?  Зачем вам лития-7 более чем 25% (в данном случае)?

Я вот что отмечу. Цепная реакция деления чем отличается от термоядерного синтеза?
Тем, что в цепном процессе выделение энергии растет ПО ЭКСПОНЕНТЕ. А в термоядерном заряде условия для синтеза (критерий Лоусона) появляются сразу и для всего горючего сразу (ступенькой). Да, пока там только литий - ничего не горит. Но суть вот в чем.

Если удержание условий для термоядерного синтеза в бомбе происходит, скажем на порядок дольше чем "цепной процесс" полной конвертации лития в тритий, то прав я.

Если же наоборот, завершение псевдо-цепного процесса конветрации лития в тритий или хотя бы половины его (ибо это логистическая кривая)  длится на порядок дольше чем сохраняется условие для синтеза (скажем тоже  половины реагентов) то правы вы.

[alex_semenov]

Вообще, это - частности. Просто не уточняйте, что у вас за дейтерид лития. Берите калорийность 160 ТДж/кг (40 кт/кг) и не отвлекайтесь больше на моё занудство

Да, я тоже себе поставил галочку. Мол, можно тут пойти так. Но все же инересно понять как же на самом деле?
Жалко AlexAV нет, он  бы нас точно помирил!

[alex_semenov]

Так, идем дальше.
Смотрите.
Я опираюсь на это пост
https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,110326.msg2557361.html#msg2557361
Цитирую его здесь.

Как ГРУБО оценить необходимую толщину толкателя?

Если грубо и на пальцах, то скорость абляции толкателя ограничена скоростью звука в исходящем флюида, а давление имеет порядок



\rho_a – плотность вещества толкателя.

Скорость потока за сходящейся ударной волной порядка



\rho_0 –плотность невозмущённого вещества заряда (можно принять плотность жидкого дейтерия).

Соответственно толщину слоя толкателя к радиусу заряда можно оценить как:



Т.е. порядка 10% от радиуса сферы.

Я решил использовать эту оценку.
Плотность дейтерида лития 880 кг/м2
Урана, свинца и железа - тоже легко найти.
Предположим сферическую форму заряда.

K_0 = калорийность чистого топлива (возьмем 40 кт/кг) при этом для начала предположим 100% выгорание.

Энергия заряда:



\rho _0 - плотность дейтерита лития.

Масса всего заряда (мы считаем только заряд и толкатель, хотя это неверно, есть еще световой канал и собственно ядерный триггер):



Здесь \rho _1 - плотность материала толкателя.
h- толщина стенки толкателя, мы считаем по оценке, предложенной AlexAV

Тогда калорийность  уже теперь "ядра заряда" будет W/(M1+M2) и вычисляется:



Все это теперь можно домножить на коэфициент выгорания для пущей умности.
Но что интересно?
Если я нигде не нахамутал, то калорийность от мощности заряда не зависит (мощность прекрасно масштабируется) и при K0 принятой 40 кт/кг я получаю

Для урана 2.7 кт/кг
Для  свинца 3.4 кт/кг
Для стали 4 кт/кг.

Прикольно? То что чем меньше плотность толкателя, тем легче он в итоге получается.
Но все равно удельная мощность ядра УЖЕ ниже чем у дедушки Тейлора.
То есть толкатель, скорей всего и есть  главный "поедатель" калорийности заряда.

[alex_semenov]

Возможно, что тейлоровский предел получен для "ГРЯЗНОЙ" схемы?
То есть уран-238 толкателя сам является третьей ступенью и добавляет порядка половины энергии? Тогда мы действительн получаем 5-6 кт/кг. Триггер и световой канал - это массы в пределах огрубления оценки массы толкателя. Где-то так?
Помните?
Кузькина мать была бы в два раза мощней, если бы стакан толкателя ей сделали бы из урана а не из свинца.

[alex_semenov]

Коллеги может сначала определимся куда нам лететь?

Нет! Мы тут в кочегарке. У двигателя!



Мы не на мостике!