Годится ли ионный двигатель для звездолетов?

[SY]

нельзя сделать вменяемый по весу реактор для наработки полония

Полоний при сопоставимой с ураном массе (210 vs 238) дает меньше энергии на один распад/деление.

[SY]

По-моему ощущению это мегаватты

тепловой мощностью в 10 000 кВт
При тепловыделении 0,45 кВт/см³  надо 22 222 см³ окиси урана, что при плотности 10,97 г/см³ имеет массу 243 кг

[Retired]

По-моему ощущению это мегаватты

тепловой мощностью в 10 000 кВт
При тепловыделении 0,45 кВт/см³  надо 22 222 см³ окиси урана, что при плотности 10,97 г/см³ имеет массу 243 кг

А все остальное? Я бы задал вопрос по иному: время полета - полезная нагрузка - динамика разгона - и т.д. а вот оттуда исходные к энергетическому бюджету.

[SY]

А все остальное? Я бы задал вопрос по иному: время полета - полезная нагрузка - динамика разгона - и т.д. а вот оттуда исходные к энергетическому бюджету.

Все остальное тоже массу имеет. alex_semenov хочет реактор в сборе в тонну уместить.

243 кг окиси урана 4.4% обогащения. Это минимум для требуемой мощности.
Может этого еще и мало окажется для запуска реакции. Это уже всю конструкцию реактора надо прорабатывать.
Но полюбому такой загрузки хватит на несколько лет работы.
глубина выгорания достигает 50-60 МВт·сут/кг за 4,5—5 лет

[Retired]

Все остальное тоже массу имеет. alex_semenov хочет реактор в сборе в тонну уместить.

243 кг окиси урана 4.4% обогащения. Это минимум для требуемой мощности.
Может этого еще и мало окажется для запуска реакции. Это уже всю конструкцию реактора надо прорабатывать.
Но полюбому такой загрузки хватит на несколько лет работы.
глубина выгорания достигает 50-60 МВт·сут/кг за 4,5—5 лет

Все верно Вы оценили, только 5 лет работы - это в идеале, а еще надо все остальные технологические "расходники" учитывать, да хотя бы тот же ксенон - отличный поглотитель нейтронов

[SY]

хотя бы тот же ксенон - отличный поглотитель нейтронов

Ксенон? Да некоторым он по ночам снится. Отличное рабочее тело для ионных двигателей, жаль, что его только 5% образуется.

ps. но в суммарном балансе это мизер, а в реакторе он сильно мешать будет(скорее всего придется просто за борт вместе со всеми другими летучими(при Т>1000) изотопами типа йода, цезия, стронция, а также висмут, свинец)

[Retired]

Я совершенно не представляю себе как можно сделать автономный (полностью) атомный реактор, который будет работать годами без присмотра - ИХМО это полная утопия. РИТЭГ еще куда ни шло - это уже давно летает, но реактор - абсурд.
Прим. Ксенон реактору не мешает - он его насмерть глушит даже мизерными дозами (отрицательная реактивность при полной новой загрузке ТВЭЛами уже через неделю). Естественно его придется выдувать (как и делают) постоянно.

[SY]

Я совершенно не представляю себе как можно сделать автономный (полностью) атомный реактор, который будет работать годами без присмотра

В дальнем космосе можно незаморачиваться на экологию(в отличие от Земли) - солнечный ветер всеравно все выдует из системы. Загрузка у реактора только одна.
Правда инопланетянам это может не понравиться. Но к моменту достижения звезд реактор будет давно мертвым, а все активные летучие изотопы рассеины в бескончном количестве кубических километров.

[Retired]

В дальнем космосе можно незаморачиваться на экологию(в отличие от Земли) - солнечный ветер всеравно все выдует из системы. Загрузка у реактора только одна.
Правда инопланетянам это может не понравиться. Но к моменту достижения звезд реактор будет давно мертвым, а все активные летучие изотопы рассеины в бескончном количестве кубических километров.

Не в экологии дело - за сколько выгорит ТВЭЛ? Правильно - несколько лет. Потом - труха. Все.
Я уж не спрашиваю - куда на борту девать избыточное давление внутри. На земле - это аккуратно охлаждают и стравливают. А на этом зонде - диффундирует? Или рванет?

[zenixt]

Плутоний-плутоний. А давайте пойдем дальше. А что если в качестве эмиттера использовать атомный реактор.
А если быть точным, что если в качестве эмиттера использовать управляемую цепную реакцию???

[AlexAV]

Плутоний-плутоний. А давайте пойдем дальше. А что если в качестве эмиттера использовать атомный реактор.
А если быть точным, что если в качестве эмиттера использовать управляемую цепную реакцию???

Если бы была альтернатива...

[SY]

А что если в качестве эмиттера использовать атомный реактор.
А если быть точным, что если в качестве эмиттера использовать управляемую цепную реакцию???

Так все к этому и идет. Термоэмиссионый(торрированный эмиттер?) электрогенератор c прямым нагревом от атомного реактора и коллектор тоже в активной зоне с отводом тепла на внешнюю поверхность.
Стоит подумать как использовать тепловое излучение для увеличения тяги. Учитывая "светимость" радиатора, можно параллельно ему с внешней стороны разместить панель а-ля солнечная батарея, что сделает несимметричным тепловое излучение(часть пойдет на создание дополнительной тяги) и еще добавит немного электроэнергии, а заодно будет щитом для радиатора от эрозии набегающим потоком.

[AlexAV]

Прим. Ксенон реактору не мешает - он его насмерть глушит даже мизерными дозами (отрицательная реактивность при полной новой загрузке ТВЭЛами уже через неделю). Естественно его придется выдувать (как и делают) постоянно.

Это в спектре тепловых нейтронов. В спектре быстрых сечения захвата сильно снижаются и становятся весьма близкими для всех ядер (что-то ~1-2 барн), соответственно отравления (столь же ярко выраженного как для тепловых) нет.

Ну и обогащение в интересующем нас случае лучше брать не 5%, а 95%. Что тоже проблемы в части отравления сильно уменьшает.

[SY]

Коллектор с теплоносителем могут играть роль замедлителя, что уменьшит влияние нейтронов высокой энергии.
После выгорания топлива до состояния невозможности цепной реакции реактор превращается в изотопный источник для питания бортовой аппаратуры.
Для регулирования тепловыделения в реакторе можно рассмотреть создание отрицательной обратной связи с помощью биметаллических пластин, которые могут перемещать как управляющие поглотители нейтронов, так и, к примеру, раздвигать(или как-то по другому двигать) тепловыделяющие элементы.

[SY]

Ну и обогащение в интересующем нас случае лучше брать не 5%, а 95%

При таком высоком обогащении загрузка реактора будет небольшой, а удельную мощность увеличить существенно не получится(итоговая мощность может выйти недостаточной) и срок службы(до выгорания топлива) не очень большой получится,
придется либо добавлять выгораемого поглотителя, либо как-то перезагружать реактор(как вариант делать его секционным и запускать в работу очередную секцию)

[AlexAV]

При таком высоком обогащении загрузка реактора будет небольшой

Да вообще я скорее сторонник не одного гигантского реактора, а множества сравнительно небольших. И проблем с малым реактором меньше, и с точки зрения отказоустойчивости это лучше.

[alex_semenov]

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...

Ну, во-первых, мы тут работаем по-секционно (так сказать). То есть мы давно уже не ищем некое лучшее решение для межзвездного перелета вообще, а пытаемся в деталях  разобрать определенные направления. Данная ветка говорит сама за себя. Мы тут пытаемся выяснить насколько годиться "классическая" схема ионника для полета к звездам. Поэтому разговор о инженерной громоздкости и кривости самой базовой концепции НЕ ПОДНИМАЕТСЯ.
Насколько это громоздко и криво можно судить В СРАВНЕНИИ с другими подходами. А они (поверьте мне!) все, если всмотреться, изяществом простотой и реалистичностью НЕ БЛЕЩУТ.

А все остальное? Я бы задал вопрос по иному: время полета - полезная нагрузка - динамика разгона - и т.д. а вот оттуда исходные к энергетическому бюджету.

Да все это уже сделано. На этом форуме разговоры об межзвездных перелетах разбросана по разным темам хаотично, но в них принимает участие одна и та же небольшая группа постоянных участников и все в курс последних идей. Как по мне, постепенно происходит систематизация идей по разным направлениям. Одного прорывного направления к звездам не видно. Каждое упирается в сумму нерешенных проблем или просто неразрешимых.
Поэтому углубляется каждое в чем-то еще обнадеживающее наплавление (их на самом деле  раз два и обчелся) не взирая наих инженерную "кривость".
Данное направление (данная ветка обсуждения) обнадеживает своей "приземленностью", отработанностью технологий. 
Время полета? От него все и пляшет. Вот схема AlexAV:



Это время  перелет к А. Центавре  ракеты с постоянно включенным двигателем (разгон до некоторой точки потом разворот и торможение) от скорости истечения при фиксированной удельной мощности двигателя.
То есть такая траектория уже является минимально-возможной по мощности. Но тут для каждой кривой виден явно выражен минимум мощности, оптимум. Возникает он при массовом числе 4 и отношении дельта v (суммарному приросту скорости ракеты)  к u (скорости истечения) 0.62…
То есть речь идет о ТЕОРЕТИЧЕСКИ минимальных затратах мощности для любых ракет.
Так как  эффективность высокоимпульсных (>10 000 км/с) ионных двигателей близка к 100%, фактически уменьшение времени перелета связано с увеличением удельной мощность энергетической установки (ее масса-львиная доля сухой массы корабля).
Мы сошлись, что уже прямо сейчас можно получить 100 Вт/кг (для всего корабля).
Но это порядка 2000 лет полета (см. график).
А можно ли быстрее?
Изотопный "шарик" с полонием-210 и возник из-за чудовищно-шикарной удельной мощности более 4000 Вт/кг. Как пример. Но 600 лет он не продержатся. Значит,  возвращаемся к классическому реактору и пробуем его как-то раскачать на 1000-2000 Вт/кг. Больше вряд ли можно даже мечтать (как раз на последних страницах здесь мы уже определили предел мечтаний). Это в 10-20 раз лучше, чем все, что разрабатывается для космоса сейчас.
Развивая эту тему, можно теперь уточнить насколько мечта о 2000 Вт/кг близка к физически возможному?

[alex_semenov]

тепловой мощностью в 10 000 кВт
При тепловыделении 0,45 кВт/см³  надо 22 222 см³ окиси урана, что при плотности 10,97 г/см³ имеет массу 243 кг

Объясните, откуда эта цифра? О каком уране идет речь? Степень его обогащения?
Я тут не все до конца понимаю и плаваю. Существует какая-то константа подобного рода для ядерного топлива? Просветите пожалуйста.
Насколько я понимаю, реактор балансирует на "острие игры". При   0.99…<k<1,068 (запаздывающие нейтроны). То есть плотность нейтронов достаточно постоянна. Значит частота делений в объеме топлива, видимо будет более- менее фиксированная  и вроде как не зависеть от степени обогащения. Или все же зависит? Что такое 0.45 кВт/см3? Как он получается? Для чего?

[AlexAV]

При   0.99…<k<1,068 (запаздывающие нейтроны).

Это коэффициент размножения нейтронов, к удельной мощности он имеет довольно отдалённое отношение.

Для критического реактора мощность по существу ограничено только возможностями теплосъёма.

Объясните, откуда эта цифра? О каком уране идет речь? Степень его обогащения?

Скорее определяется теплопроводностью диоксида урана.

[Retired]

Ну и обогащение в интересующем нас случае лучше брать не 5%, а 95%.  Что тоже проблемы в части отравления сильно уменьшает.

Ну да, ксенон взрыву атомной бомбы не помешает (95% 235го). У первой американской - 93% обогащения. Только как это чудовище удержать на управляемой "цепи" никто не знает. Она же распадется на кучу локальных "микрореакторов" предсказать коэф. размножения которых совершенно невозможно из-за тепловой инерции.