Годится ли ионный двигатель для звездолетов?

[SY]

Есть еще тантал (температура плавления 3290K/3017°C)

Химически чистый тантал исключительно устойчив к действию жидких щелочных металлов, большинства неорганических и органических кислот, а также многих других агрессивных сред (за исключением расплавленных щелочей). В отношении химической устойчивости к реагентам, тантал подобен стеклу. Тантал нерастворим в кислотах и их смесях, его не растворяет даже царская водка. Растворим только в смеси плавиковой и азотной кислот... устойчив в обескислороженных расплавленных щелочных металлах и перегретых парах их (литий, натрий, калий, рубидий, цезий).
Устойчив также к ртути.

Применение:
теплообменники для ядерно-энергетических систем (тантал наиболее из всех металлов устойчив в перегретых расплавах и парах цезия);

Часто применяют в сплавах с ниобием для снижения веса.
Из чистого ниобия или его сплавов изготовляют детали летательных аппаратов; оболочки для урановых и плутониевых тепловыделяющих элементов; контейнеры и трубы для жидких металлов

[Retired]

210 Полоний? Инициатор атомных бомб? Его синтез - та еще проблема, треба мощный поток тепловых нейтронов - это есть атомный реактор...а для него нужОн уран...

[AlexAV]

Вообще компактные реакторы (использующие почти оружейный уран или плутоний) кажется не имеют массы проблем, что есть у больших реакторов, набитых всяким балластным дерьмом, типа U238, нет?

Критическая масса меньше (и активная зона соответственно компактней) + теоретически можно получить больший коэффициент выгорания (но для этого нужно решать проблему с распуханием и вообще изменением механических свойств топлива при выгорании, для топлива в твёрдой фазе при выгорания больше 200 ГВт/т эти изменения становятся не приемлемыми, топливо просто рассыпается).

[Retired]

Смущает высокий кпд=25%, какая температура РТ в начале цикла?

Температура эмиттера ~2000К.

Тут еще придется крепко мозги морщить по констркционным материалам: чтобы не "плыли" и химически не сцеплялись на таком градусе...

[alex_semenov]

Смущает высокий кпд=25%, какая температура РТ в начале цикла?

Вернитесь на три - четыре страницы и почитайте. Тут у меня с AlexAV все время идет разговор об этом. Да, 25% - это очень круто. Но  на 20% можно все-таки рассчитывать (а может и на 22-23). Тут есть графики. Оговариваются условия (они достаточно жесткие). Главное тут - высокая температура эмиттера (но не выше здравого предела). Высокая температура тут как раз работает на две вещи. Первая - повышение КПД термоэмисси, вторая - облегчение энергосистемы (битва идет именно за это), в частности массы радиатора.
Хотя есть и третье противоречивое условие - надежность (работа энергоблоков столетиями). И высокой температура тут  не помощник. Даже отсутствие движущихся деталей ситуацию не сильно изменяют. Поэтому расплатой за нее, видимо, должна быть модульность системы и периодическое отключение каждого модуля с проведением восстановительного цикла (идеально было бы предусмотреть такой режим реактора когда он сам себя восстанавливает, например наращивает испарившийся эмиттер).
Но по-другому никак. Мы боремся за полет к А. Центавре за 800-700 лет (на достижимых классическими схемами порядка 2000 лет).

[AlexAV]

Есть еще тантал (температура плавления 3290K/3017°C)

Тантал неплох. Но у него та же проблема, что и у платиноидов (цена даже самых дорогих платиноидов вполне соизмерима с ценой вывода соответствующей массы на орбиту, поэтому в рамках данной задачи это не самый существенный фактор) - высокая плотность (16,65 г/см3).

[Retired]

Нужен сильный отрицательный температурный коэффициент реактивности. Иначе никак. Например (пока гипотетически) через тепловое расширение сборки.

Ну я же не случайно упомянул священную цифру ядерной физики (1,068)
Тепловое расширение плохо, стыки сборки неизбежно сдвинутся и сочить начнут, тут только на фундаментальном свойстве самой Материи...жаль что Гейзенберг ошибался....

[Retired]

Вернитесь на три - четыре страницы и почитайте. Тут у меня с AlexAV все время идет разговор об этом. Да, 25% - это очень круто

Да понятно. Не в самой цифре дело же. КПД расщепления урана в атомном реакторе меньше 1% - и ничего, используют. Сам подход порочен: греть РТ, чтобы получить электричество, которым потом греть ксенон. Громоздко и инженерно криво...

[Retired]

Тантал неплох. Но у него та же проблема, что и у платиноидов (цена даже самых дорогих платиноидов вполне соизмерима с ценой вывода соответствующей массы на орбиту, поэтому в рамках данной задачи это не самый существенный фактор) - высокая плотность (16,65 г/см3).

А все жаростойкие вещества (сплавы) имеют высокую плотность, это так Природа устроена. Кстати (о платиноидах) цена тантала и осмия отличается на несколько порядков...

[SY]

через тепловое расширение сборки

Тоже так думаю. Как вариант трубки с топливом и регулирующие стержни крепить с противоположных сторон, так чтоб при расширении от нагревания зона перекрытия возрастала. Но все зависит от скорости расширения и нарастания нейтронов. Возможно, надо что-то делать с быстрыми нейтронами.
Регулирующие стержни делать с коническим концом, чтоб при его перемещении не происходило резкого изменение реактивности.

Интересные факты
Двуокись урана имеет низкую теплопроводность (в 40 раз меньше, чем у стали). Плотность двуокиси урана 10,4—10,7 г/см³. При протекании цепной реакции в объёме топливных таблеток равномерно выделяется энергия до 0,45 кВт/см³ (450 кВт/л).
Это тепло отводится из объёма таблеток к поверхности трубок (оболочек), охлаждаемых водой, поэтому наибольшая температура устанавливается на оси симметрии таблеток.
При номинальной мощности реактора температура на оси твэла составляет около 1600 °C, а на поверхности таблеток — около 470 °C. Максимальная температура достигает соответственно 1940 и 900 °C. Перепад температуры на газовом зазоре между таблетками и трубкой (оболочкой) в среднем составляет 100 °C, на оболочке — 23 °C. Температура наружной поверхности трубки твэла составляет около 350 °C. Удельный тепловой поток составляет 0,6 МВт/м², а линейный тепловой поток — 17 кВт/м трубки

[SY]

Тантал неплох... - высокая плотность (16,65 г/см3).

Для этого его и применяют с ниобием 8,57 г/см³

Самая термонагруженная часть может быть покрыта слоем тантала или даже целиком делаться из тантала, а далее - ниобий. Они очень схожи во многих свойствах.

Ничто не мешает ставить тепловые трубки последовательно - одна из тантала постепенно переходит в 2-3 из ниобия. Вероятность повреждения периферийных трубок радиатора выше, поэтому надо избегать ситуации когда дырка на краю радиатора приведет к существенному падению его свойств. Т.е. заодно повышаем живучесть.

[AlexAV]

Ну я же не случайно упомянул священную цифру ядерной физики (1,068)

Запаздывающие нейтроны.

епловое расширение плохо, стыки сборки неизбежно сдвинутся и сочить начнут, тут только на фундаментальном свойстве самой Материи...жаль что Гейзенберг ошибался....

Это от конкретного исполнения зависит. У растворных и жидкосолевых реакторов сильнейший отрицательный температурный коэффициент реактивности, при этом расширяется раствор (расплав), а не корпус (или сборка). Вообще с учётом что для задачи неплохо бы получить очень высокие коэффициенты выгорания здесь надо как раз смотреть в сторону расплавов солей или металла.

[Retired]

Натюрлих

Верно, но соляные растворы при высоких градусах жрут все подряд (химически очень агрессивны) без разбору. А жидкие металлы при образовании температурной пробки (локальное снижение градуса) разнесут все вокруг от агрегатного перехода в фазу ТТ.

[AlexAV]

цена тантала и осмия отличается на несколько порядков...

После того как это всё вывести на орбиту отличие станет не таким резким...

А все жаростойкие вещества (сплавы) имеют высокую плотность, это так Природа устроена.

Здесь у нас корпус тепловой трубки. Механически малонагруженный. Скорее важна коррозионная устойчивость к жидкости чем высокие механические свойства. А так у лёгких платиноидов плотности пониже. Палладий - 12 г/см3. Родий - 12,4 г/см3.

[SY]

Ну я же не случайно упомянул священную цифру ядерной физики (1,068)

Значит нужно снижать реактивность. В том числе и путем генерации части нейтронов вне цепной реакции. Обычно для этого в состав топлива вводят элементы генерирующие нейтроны при облучениии альфа-частицами, типа бериллия.
Этот процесс не завсим от цепной реакции и позволяет получать необходимую мощность подальше от точки перехода реакции в неуправляемую.
Также используют выгораемый поглотитель. Можно тот же висмут с получением пресловутого полония-210. Сразу двух зайцев наповал. и тепла больше и реакция по-спокойнее.

[Кремальера]

высокая плотность (16,65 г/см3).

А разве это выкатится потом большей массой?Его же совсем немного надо..

быстро убывающий полоний из висмута прямо на борту по ходу.

Раз нельзя сделать вменяемый по весу реактор для наработки полония.,то тогда надо прикидывать как усилить естественное космическое излучение.О котором ув.Александр говорил на 13-ой странице.Какая-нибудь здоровенная антенна.Или вообще взять прилепить к нашему волшебному полониевому "шарику",второй прозрачный пузырь с разреженным воздухом и флюгерком внутрях(как в школьной игрушке) , и отмасштабировать радиометр Крукса. ;)Всё наверное легче получится нежели реактор собирать.

[Retired]

цена тантала и осмия отличается на несколько порядков...

После того как это всё вывести на орбиту отличие станет не таким резким...

А все жаростойкие вещества (сплавы) имеют высокую плотность, это так Природа устроена.

Здесь у нас  тепловой трубки. Механически малонагруженный. Скорее важна коррозионная устойчивость к жидкости чем высокие механические свойства. А так у лёгких платиноидов плотности пониже. Палладий - 12 г/см3. Родий - 12,4 г/см3.

С ценой -согласен, такой проект по-любому будет безумно дорогой (для "Манхетеского проекта" из форт Нокса сперли несколько тысяч тонн серебра - и нечего, никто даже не вякнул).
Коррозионная устойчивость? Я бы смотрел в сторону разных керамик...они все выдерживают.

[Retired]

Обычно для этого в состав топлива вводят элементы генерирующие нейтроны при облучениии альфа-частицами, типа бериллия

Не совсем так, но не суть (источники нейтронов - сплав бериллия+полоний), по-любому придется иметь ядерный реактор на борту. То есть уран.
Вся проблема упирается в необходимость иметь на борту мощный и долгоиграющий поток нейтронов.

[AlexAV]

ерно, но соляные растворы при высоких градусах жрут все подряд (химически очень агрессивны) без разбору.

Согласен. Но здесь мы рассматриваем межзвёздный зонд, а не энергетическую АЭС. Требования к стоимости материалов существенно более умеренные. Можно использовать и более дорогие вроде иридия, который вообще мало что берёт...

А жидкие металлы при образовании температурной пробки (локальное снижение градуса) разнесут все вокруг от агрегатного перехода в фазу ТТ

Ну если мы берём высокообогащённое топливо, то нет смысла делать огромную активную зону. А значит и перекачивать их не нужно. А в жидкометаллической активной зоне массой в десяток килограмм температура будет в высшей степени однородной (в связи с высокой теплопроводностью среды).

[Retired]

Да, иридий трудно чем-то зацепить, стоек, долговечен. А вот относительно зоны в несколько десятков кг - собственно какой энергетический баланс зонда предполагается? По-моему ощущению это мегаватты (десятки, тысячи?) То есть масса зоны должна исчислять тысячами тонн (большими) и ее линейные размеры - километры, то есть никакой однородности в принципе...