Александр Дмитриев - Космические двигатели будущего
Запас калифорния можно несколько сократить, если в зону взрыва через интервал времени 10–6 — 10–5 с подавать уран примерно в тех же количествах, что и калифорний. При этом в нейтронном потоке, созданном взрывом калифорния, будет происходить выгорание урана. Затем через такой же интервал времени можно подать следующую порцию урана. Таким образом будет организована каскадная реакция, но она является затухающей и после 3–5 циклов необходимо вновь взрывать калифорний.
Более перспективным может быть использование калифорния для инициирования термоядерной реакции. При этом калифорний применяется только один раз, а потом в зону реакции непрерывно подаются порции термоядерного горючего (например, дейтерий-тритиевой смеси). Термоядерное горючее несравнимо дешевле калифорния и экономические факторы не будут играть столь существенной роли при разработке такого двигателя. Кроме того, при термоядерной реакции образуются легкие элементы, что значительно упрощает тепловую защиту отражателя.
Однако, если даже отвлечься от проблемы подачи термоядерного горючего в зону горения, то минимальный уровень непрерывной мощности для осуществления этой самоподдерживающейся реакции составит 1014 Вт. Это более чем в 1000 раз превосходит мощность двигателей ракеты «Сатурн-5». При скорости истечения 103 км/с такой двигатель будет иметь тягу 10 000 тс. И, следовательно, проблемы теплоотвода при требуемом уровне мощности становятся чрезвычайно трудноразрешимыми. Если допустить, что в элементах конструкции двигателя выделяется всего 0,1 % энергии, то и для отвода такого количества потребуется холодильник-излучатель площадью 10 000 м2.
При темплосъеме, использующем рабочее тело, скорость истечения снизится в 3 раза, и соответственно тяга возрастет до 30 000 тс. Для создания такой тяги потребуется расход рабочего тела в 1000 кг/с. Ракета массой 10 000 т с таким двигателем могла бы достичь скорости 100 км/с за время, немногим более 1 ч.
Более близкими к реализации, однако, представляются схемы двигателей с термоядерными микровзрывами. Эти двигатели довольно широко обсуждались в печати, опубликовано несколько концептуальных проектов этих двигателей. Суть термоядерных микровзрывов состоит в так называемом инерциальном удержании плазмы, когда реакция успеет произойти раньше, чем под воздействием высоких температур, необходимых для поджига термоядерной реакции, разлетится разогретое термоядерное горючее.
В упомянутой ранее схеме стационарного термоядерного реактора основная и до сих пор не решенная проблема состоит в удержании горячей плазмы магнитным полем. Для получения управляемой термоядерной реакции при температуре в несколько миллионов градусов должен выполняться критерий Лоусона nτ ≥1014, где n — концентрация частиц (число атомов в 1 см3), а τ — время. При инерциальном удержании критерий Лоусона выполняется за счет резкого повышения концентрации, в результате на столько же сокращается время, необходимое для протекания термоядерной реакции.
Это достигается симметричным импульсным облучением небольшой мишени ядерного горючего, используя излучение мощного лазера или высокоинтенсивные потоки заряженных частиц (электроны и ионы). Причем поток энергии во время импульса должен резко нарастать. В результате облучения происходит интенсивное испарение поверхностного слоя мишени, так называемая абляция. Испаряющиеся частицы приобретают большую скорость и, подобно тому как это происходит в реактивных двигателях, создают импульс отдачи, что приводит к развитию громадного давления, достигающего многих миллиардов паскаль.
Эффект абляции многократно усиливается сходящейся ударной волной, в результате в центре мишени плотность горючего возрастает в несколько тысяч раз, а давление достигает величины, соответствующей давлению в центре звезд (около 1016 Па). При этом происходит разогрев термоядерного горючего и наступают условия для протекания термоядерной реакции.
Для осуществления микровзрыва достаточны мишени массой всего 0,001 — 0,01 г. Такой массе соответствует энергия микровзрыва 108 — 1010 Дж. Около 80 % вещества мишени уносится в результате абляции и в реакции не участвует; кроме того выход реакции едва ли превысит 30 %. В результате предельная скорость истечения для термоядерных микровзрывов будет составлять около 6 · 106 м/с, что соответствует удельной тяге 6 · 105 с. Для взрывов, инициируемых пучками электронов, необходимо окружать мишень оболочкой из элементов с большим атомным весом, что еще более снизит предельную скорость истечения.
Схема двигателя с использованием термоядерных микровзрывов приведена на рис. 7, б. Принципиальное отличие таких двигателей от двигателей на трансурановых элементах состоит в наличии системы инициирования термоядерной реакции и источника электрической энергии для ее питания. Система инициирования представляет собой либо набор источников светового излучения, либо ускорителей заряженных частиц, расположенных таким образом, чтобы по возможности симметрично облучать мишень. В качестве источника излучения может использоваться один мощный лазер с разделением его луча на несколько или комбинацию лазеров.
Мишень выстреливается в пространство над отражателем, и в тот момент, когда она проходит точку фокусировки лучей, создается поджигающий импульс. Термоядерная плазма отражается от магнитного поля, создаваемого сверхпроводящими соленоидами, и выбрасывается во внешнее пространство, создавая реактивную тягу. Для выработки электроэнергии могут использоваться либо специальные соленоиды, либо те же соленоиды, которые являются источниками защитного магнитного поля. При взаимодействии движущейся плазмы с магнитным полем в соленоидах находится ЭДС, и вырабатываемая электроэнергия идет на генерацию последующего импульса.
В американском проекте термоядерного двигателя с лазерным поджигом реакции предполагается использовать лазер с энергией в импульсе 1 МДж, длительностью импульса 10 нс и частотой следования импульсов 500 Гц. Масса лазера оценивается в 150 т. При энергии, выделяемой в одном микровзрыве, 108 Дж такой двигатель, по расчетам авторов проекта, может разогнать полезный груз массой 100 т до характеристической скорости 10 км/с за одни сутки. Для этого потребуется около 108 микровзрывов.
Английские исследователи в проекте двигателя на термоядерных микровзрывах предлагают осуществлять инициирование термоядерной реакции с помощью электронных ускорителей. Частота следования «поджигающих» импульсов составляет 100 Гц, энергия в каждом микровзрыве 1011 Дж. В двигателе для разгона полезного груза 100 т до скорости 0,15 скорости света сжигается несколько сотен тонн термоядерного горючего в течение года.
Основной трудностью при создании импульсных термоядерных двигателей является разработка системы инициирования реакции. Именно отсутствие соответствующих лазерных и ускорительных устройств определенным образом сказывается на том, что до сих пор не осуществлена управляемая термоядерная реакция. Масса инициирующей системы пропорциональна энергии микровзрыва, поэтому желательно иметь как можно меньшее энерговыделение в каждом взрыве. Но тогда при заданной тяге должна быть обеспечена высокая частота повторения импульсов, а для достижения заданной характеристической скорости — соответственно большее их количество. Допустимое же число импульсов ограничено ресурсом системы.
В связи с этим советские ученые Е. П. Велихов и В. В. Чернуха предложили способ каскадного поджига термоядерных мишеней. Суть способа состоит в том, что через время около 10–6 с после поджига первой мишени в область взрыва подается более массивная мишень, на инициирование реакции в которой используется часть энергии первого взрыва. Потом подается мишень еще большей массы и т. д. Используя в каждом каскаде мишени с десятикратным увеличением выделения энергии, можно получить энергию взрыва 1010 — 1011 Дж для системы инициирования с энерговыделением 108 Дж.
При этом соответственно уменьшается частота повторения импульсов, но в то же время, конечно, увеличивается импульсная нагрузка на отражатель. В каскадной схеме появляется возможность использовать в последующих ступенях каскада более трудновоспламеняемое горючее (например, чистый дейтерий). Это резко сокращает потребность в тритии и одновременно уменьшает выход нейтронов.
Другой не менее важной задачей разработки импульсных термоядерных двигателей является отвод тепла, выделяющегося в конструкции. Как указывалось раньше, в дейтерий-тритиевой реакции до 80 % энергии уносится нейтронами, которые не задерживаются магнитным полем отражателя. Кардинальным решением проблемы было бы использование смеси обычного водорода с изотопом бор-11 в качестве термоядерного горючего. Хотя энерговыделение при сгорании этого горючего меньше, чем для дейтерий-тритиевой смеси, но зато полностью отсутствуют нейтроны. Однако эта реакция требует для своего инициирования более высокой температуры, и освоение ее является делом отдаленного будущего.
