Годится ли ионный двигатель для звездолетов?

[alex_semenov]

Профилактика не устраняет результат деградации на уровне микроструктуры материала. А

Разумеется. Но я надеюсь, что не все так печально как нам может показаться здесь и сейчас.
AlexAV уже сказал. Звездолет изделие штучное. Тут можно применять дорогие материалы. Себестоимость - последний параметр в списке. Разумеется, чтобы выжить тысячу лет система должна использовать разные подходи. И особо живучие материалы и репарацию (восстановление) и инженерную хитрость. Все-таки прибор мы проектируем рекордный и в общем-то фантастический (по-своему).
Но вообще-то смешно выглядят аргументы против возможности ТАКОГО реактора со стороны человека, верящего в некий реальный девайс использующий энергию антиматерии... Уж здесь то сказка на сказке сидит и сказкой погоняет!

Вы сколько-нибудь реалистичный проект звездолета на антиматерии когда-нибудь видели? Там только щит- радиатор, отделяющий отсеки от зоны реакции - 45 км, состоящий из бесконечных слоев тонкой фольги, которая должна ловить гамму и постепенно рассеивать ее чудовищную энергию в виде тепла (поэтому такая длина!).
Полистайте этот труд:

http://trs-new.jpl.nasa.gov/dspace/bitstream/2014/38278/1/03-1942.pdf.

[Retired]

Но вообще-то смешно выглядят аргументы против возможности ТАКОГО реактора со стороны человека, верящего в некий реальный девайс использующий энергию антиматерии... Уж здесь то сказка на сказке сидит и сказкой погоняет!

Да конечно сказка, как и сама идея межзвездных перелетов. Собственно я вообще никаких реальных проектов звездолетов (кроме Вояжера) и не видел
Не получается у меня оптимум времени перелета как производная от скорости потери массы РТ по критерию минимального расхода энергии, хоть стреляйте. Приращенная кинетическая энергия корабля (дельта между стартовой и максимально достигнутой скорости) есть величина финансированная  вне зависимости от динамики разгона. Хоть с каким ускорением разгоняйте.

[Андрей Курилов]

AlexAV, я не про реактор, а про радиоктивные изотопы.

По-моему мой ответ потонул в бурном потоке.
Ещё раз - ранее рассматривался стержень, который был по сути реактором. Проблема с критичностью. Но давайте вместо реактора сделаем стержень из других радиоактивных изотопов - подбирая собственно изотоп, получаем нужное кол-во вт/кг.

[alex_semenov]

По вашему уран в ТВЭЛах не подвержен самораспаду?

А причем здесь это? период полураспада U-235 7*18^8 лет, у плутония 239 24 000 лет. По сравнению с 1000 - мизер.
 

Прим. стенки ТВЭЛа из циркония, а не из обедненного урана.

А зачем нам делать стенкий из обедненного урана? Кстати а зачем вообще стержень? Можно я позадаю простые идиотские вопросы?
Насколько я понимаю, ТВЭЛ - это такая капсула в которую закладывают топливо. После отработки топливо превращается в черт знает что. Вот что бы эту дрянь из реактора вынять гермитично запакованной и нужент этот пенал. Верно? Больше ни для чего же?
Ну там газы образуются, топливо пухнет, поэтому делается в топливе канал. Отвод... В общем Твэл - устройство оказывается на деле сложным. Но суть от этого у него не меняется? Это как был пенал для топлива, так и остался. Верно?
То есть массивным ему быть не обязательно?
Напротив. Чем тоньше стенка, тем лучше теплоперенос.

AlexAV, а вот такая идея. А что если эмиттер термопреобразователя сделать стенкой твэла? Тогда, отработав 10 лет в реакторе на предельных режимах (2200 К) мы его выкидываем и вставляем новый. Проблема с испарением ослабевает и восстанавливать эмиттер не надо (коллектор у нас при 1200 К, более стойкий - это собственно част реактора). Что мешает так решить вопрос?
Это на Земле нам нужно в зазоре вакуум поддерживать, в космосе же и так вакуум. Вставили, шайбой уплотнительной закрыли, подали ксенон. И все дела! Пошел процесс как новенький!

[alex_semenov]

Не получается у меня оптимум времени перелета как производная от скорости потери

Что такое скорость потери? Скорость истечения? Или секундный расход топлива?
И не получится.  Оба параметра связан именно через мощность (которая для каждой кривой константа).  Если скорость истечения растет, секундный расход падает. Но мощность остается постоянной.

https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,112517.msg2637116.html#msg2637116
https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,112517.msg2637706.html#msg2637706
https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,112517.msg2638306.html#msg2638306
https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,112517.msg2637986.html#msg2637986
https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,112517.msg2707312.html#msg2707312

[Андрей Курилов]

Кстати. У актиния-227, имеющего период полураспада ~22 года энергия цепочки распадов составляет 26.2 ТДж/кг. Начальная тепловая мощность - 26 кВт/кг, по мере превращения в свинец за 100 лет снижается до 1.1 кВт/кг. Интересный такой изотоп.

[AlexOrex]

Не получается у меня оптимум времени перелета как производная от скорости потери массы РТ по критерию минимального расхода энергии, хоть стреляйте. Приращенная кинетическая энергия корабля (дельта между стартовой и максимально достигнутой скорости) есть величина финансированная  вне зависимости от динамики разгона. Хоть с каким ускорением разгоняйте.

Если ускорение окажется очень низким, то корабль не успеет разогнаться до расчетной скорости даже за половину пути до цели. Скажем, в случае гипотетического ионного корабля фиксированной мощности 1 МВт и массой в 10 тонн (с долей рабочего тела, например, 62% и массовым числом e), увеличение скорости истечения, скажем, с 1000 до 10 000 км/с уменьшит тягу с 2Н до 0,2Н, ускорение с 0,2 до 0,02 мм/с², что увеличит дистанцию разгона до одной и той же скорости, например, 1000 км/с: в первом случае это 158 лет и 2,5 млрд км (примерно четверть светового года), во втором -  1580 лет и 2,5 световых года. То есть до Альфы Центавра первый долетит быстрее (за 1370 лет, израсходовав при этом все рабочее тело), а второй через 1580 лет только чуть больше полпути одолеет, толком не разогнавшись, хоть и сохранит на борту почти весь запас РТ. При одинаковом числе Циолковского и разгоне до скорости=скорости истечения второй корабль будет разгоняться до 10 тыс. км/с 15 800 лет и пролетит за время разгона 250 светолет.

[SY]

Объясните, откуда эта цифра? О каком уране идет речь? Степень его обогащения? ... Что такое 0.45 кВт/см3? Как он получается? Для чего?

Это удельное тепловыделение в стандартных промышленных реакторах. Лимитируется именно теплосъемом с циркониевой трубки диаметром 9 мм.

... ядерном горючем обогащенном на 50% 50% массы - балласт. В любом случае с топливом будет некий балласт.

баластом является кислород, уран-238 принимает участие в общем энергобалансе. Он поглощает часть нейтронов. Если нейтрон был с большой энергией, то уран-238 также распадется(но в осколках свободных нейтронов практически не будет), если же он поглотит холодный нейтрон, то через некоторое время он превратится в плутоний-239 и уже сможет принять участие в цепной реакции.

Трубка с выгоревшим топливом не способна поддерживать цепную реакцию, но еще много лет она будет очень горячей(особенно если ее держать рядом с активной зоной).

С выгоранием топлива можно бороться следующим способом, без замены топливных трубок:
Топливная трубка делается длинее чем требуется для реакции, но часть ее "спрятана" от сильных потоков нейтронов в трубке(кожухе) из поглотителя нейтронов. По мере снижения реактивности, этот кожух перемещается, оголяя свежее топливо(либо топливная трубка выталкивается в сторону активной зоны).

[alex_semenov]

Спасибо.
Из того что я узнал (роясь в сети) я понял что оксид урана - вредительское топливо. Нам нужен карбид урана. Теплопроводность в 10 раз лучше (и она растет с температурой). Рабочая температура еще выше чем у оксида (ядерные ракетные двигатели "заправляют" именно карбидом, а там у "холодильника" 3000 К!).
Главная наша конструкционная  проблема - как обеспечить высокую степень выгорания ядерного топлива (притом быстрое выгорание)? В обычных реакторах выгорает до 4% массы стержня не более. И при этом масса проблема с разбуханием. Но нам надо не менее 40-60%! Идеально 100%... Но это вообще видимо не мыслимо?
Кое-что положительное. Как я понял, главная проблема с разбуханием топлива - газы. Но находясь в вакууме, я думаю мы могли бы легко избавляться от них просто постоянно "вентелируя" стержень соедив его с вакуумом за бортом. Нет?

[AlexAV]

AlexAV, а вот такая идея. А что если эмиттер термопреобразователя сделать стенкой твэла?

Сам об этом подумал. Причём конечно лучше не только эмиттер, а вообще весь термоэмиссионный элемент интегрировать в ТВЭЛ. Ведь что такое  по сути этот термоэмиссионный элемент. Это эмиттер из тугоплавкого металла, очень тонкий газонаполненный (парами цезия) промежуток обычно менее 0,5 мм и коллектор. Толщина материала коллектора для работы элемента несущественна, это может быть и достаточно тонкая фольга. Экономить её как-то кажется не очень интересно. А вот прецизионная установка эмиттера и коллектора (промежуток то очень маленький между ними должен быть) - задача непростая. И лучше её выполнить заранее на земле.

В этом случае нам сверх долговечности от элемента уже не нужно. Выгорел ТВЭЛ - отстрелили вмести с изношенным термоэмиссионным элементом. А это уже требует ресурса от него в тысячи часов, а не тысячи лет.

[AlexAV]

Из того что я узнал (роясь в сети) я понял что оксид урана - вредительское топливо.  Нам нужен карбид урана.

Я пока склоняюсь больше к жидкому плутонию в тугоплавкой ампуле. Проще организовать отрицательную обратную связь по температуре, нет проблемы распухания (жидкость однако), и теплопроводность намного выше оксидов и карбидов (металл есть металл).

[Retired]

Что такое скорость потери? Скорость истечения? Или секундный расход топлива?
И не получится.  Оба параметра связан именно через мощность (которая для каждой кривой константа).  Если скорость истечения растет, секундный расход падает. Но мощность остается постоянной.

Александр, чтобы у многоагрегатной функции был экстерм - необходимо наличие условия: масштабный фактор в равной степени уменьшает одну из ее производных и увеличивает другую, в Вашем примере это условие не соблюдается.

[SY]

Как я понял, главная проблема с разбуханием топлива - газы. Но находясь в вакууме, я думаю мы могли бы легко избавляться от них просто постоянно "вентелируя" стержень соедив его с вакуумом за бортом. Нет?

Для более легкого отвода газов топливо делают пористым с каналом в центре(где был бы возможен локальный перегрев) для дренажа газов.Можно в самом деле соеденить с ваккумом напрямую, но следует помнить, что топливо, обычно, не прилегает к оболочке из-за большой разницы в тепловом расширении и для увеличении теплопроводности трубка заполнена гелием под высоким давлением.

Я пока склоняюсь к жидкому плутонию в тугоплавкой ампуле.

Жидкий металлический плутоний очень агрессивен, и взаимодействует с цирконием. Но еще остается тантал, который стоек к нему. И надо бояться любых протечек - в невесомости они самоорганизуются в атомную бомбу. Еще из жидкости сложнее отводить газы - есть риск протечек.

Для большего отвода тепла ТВЭЛ стоит сделать двухсторонним: два коллектора - внутри и снаружи, а между ними ввиде кольца эмиттер. Он будет отдавать тепло и внутрь и наружу, что позволит поднять мощность без увеличения тепловой нагрузки.

[AlexAV]

Жидкий металлический плутоний очень агрессивен, и взаимодействует с цирконием.

Из этого только следует, что ампула нужна танталовая, а не циркониевая.

[alex_semenov]

"Хьюстон, у нас проблема…" (с)


Пока я считал  100, 500 Вт/кг у меня всегда масса чистого горючего оставалась меньше массы самого корабля…
Вот смотрите. Калорийность U235 8,31E+13 Дж/кг
При удельной мощности 100 Вт/кг, мы летим до Альфы 2000 лет. Переводим в секунды, умножаем  и получаем Джоули, делим на калорийность и получаем 0,076 кг U235 на кг корабля. Тут главное не забыть еще домножить на 5, так как 100 Вт/кг это электрическая мощность. А реактор дает тепловую от которой только 20% превраается в электричество.
Итого получаем расход за весь полет 379 грамм U235 на кг корабля.
Заметная доля, но всего лишь 0.38. Это лего могло уместиться в массе реактора (там оно и было).
Но вот я прикинул оптимистическую версию в 2000 Вт/кг. Допустим мы такой корабль построили и в итоге долетели до Альфы за 733 года. Сколько мы спалили U235?
2.78 кг на  каждый кг массы корабля!
На первый взгляд, само по себе это не страшно. Ведь помимо 1 кг массы корабля у нас еще было 4 кг рабочей массы, которую отбрасывают ионные двигатели в течение этих 733 лет. Можно этот излишек разместить за счет массы рабочего тела. Но тогда продукты распада ядерного топлива  (и даже газы) мы не сможем выбрасывать просто так за борт. Мы должны все это скрупулезно собирать и выбрасывать через ионные двигатели.
А это очень непросто. Во-первых они сильно радиоактивные (хотя это не очень то и проблема) но самое неприятное - все эти продукты отработки имеют разную массу и значит  мы имеем проблему в двигателе, даже если сможем это все рассортировать…
 

[Retired]

Но находясь в вакууме, я думаю мы могли бы легко избавляться от них просто постоянно "вентелируя" стержень соедив его с вакуумом за бортом. Нет?

А какой Вы предполагаете использовать теплоноситель первого контура съема тепла реакции расщепления?

[alex_semenov]

А какой Вы предполагаете использовать теплоноситель первого контура съема тепла реакции расщепления?

А стоит ли единственный контур назвать первым?
Еще раз. Мы предполагали батарею термоэмиссионных генераторов в виде стержней (идея AlexAV сделать стержень единым с термоэмиссионным элементом принимается). Эмиттер - сам твел нагретый до 2200 К. Это внутрення часть единого твела с тэг. А коллектор - наружнаяя стенка твела (вторая на 0.5 мм от первой). Вот эту наружнюю стенку надо охлаждать до 1200 К отводя 80% всего тепла (20 превратиться в ток). Охлаждение идет через контакт с жаровыми капилярами (по 4 метра длиной каждый), которыре образуют снаружи необходимую поверхность радиатора (либо в виде лепестков, либо в виде жабо, как я нарисовал). Реактор предполагался быть  устроеным примитивно как термоэмиссионный генератор, скажем на "Вояджерах".  Движущиеся части только в управлении, обслуживании. В самом же контуре ничего движущегося. Это должно было обеспечивать надежность и долголетие легкость конструкции и высокую удельную мощнсоть (она будет буквально пустой, даже жаровые капиляры пустотелая, сотовая конструкция наполненная парами теплоносителя). Я же рассчитывал на 0.05 кг/кВт тепловой мощности (без радиатора, с радиатором 0.095 кг/Квт!). Это была битва за 2000 Вт/кг! Но я не досмотрел, что в этом случае ядерное топливо по массе приближается к массе рабочего тела.

[SY]

Примерно такой топливный элемент.

[SY]

Во-первых они сильно радиоактивные ... даже если сможем это все рассортировать…

Можно разделить вымораживанием:
Гелий совсем не вымерзнет, ксенон на полпути, а все остальное еще раньше.

[Retired]

А стоит ли единственный контур назвать первым?
Еще раз. Мы предполагали батарею термоэмиссионных генераторов в виде стержней (идея AlexAV сделать стержень единым с термоэмиссионным элементом принимается). Эмиттер - сам твел нагретый до 2200 К. Это внутрення часть единого твела с тэг. А коллектор - наружнаяя стенка твела (вторая на 0.5 мм от первой). Вот эту наружнюю стенку надо охлаждать до 1200 К отводя 80% всего тепла (20 превратиться в ток). Охлаждение идет через контакт с жаровыми капилярами (по 4 метра длиной каждый), которыре образуют снаружи необходимую поверхность радиатора (либо в виде лепестков, либо в виде жабо, как я нарисовал). Реактор предполагался быть  устроеным примитивно как термоэмиссионный генератор, скажем на "Вояджерах".  Движущиеся части только в управлении, обслуживании. В самом же контуре ничего движущегося. Это должно было обеспечивать надногежность и долголетие легкость конструкции и высокую удельную мощнсоть (она будет буквально пустой, даже жаровые капиляры пустотелая, сотовая конструкция наполненная парами теплоносителя). Я же рассчитывал на 0.05 кг/кВт тепловой мощности (без радиатора, с радиатором 0.095 кг/Квт!). Это была битва за 2000 Вт/кг! Но я не досмотрел, что в этом случае ядерное топливо по массе приближается к массе рабочего тела.

Так какой агент/носитель будет охлаждать? За счет чего?
Прим. На Вояжерах - РИТЭГ (как батарея водителя ритма подмышкой сердечного больного)