Уран 238 и межпланетные полёты

[Боцман]

 {*}Я помещаю сюда свою статью ввиду её актуальности.

Использование урана 238 и сверхбыстрых нейтронов для межпланетных перелётов.

 Экспансию человечества в Космос тормозит отсутствие планетарных кораблей -межпланетных крейсеров, предназначенных для перемещения с высокой скоростью между планетами Солнечной системы людей и грузов. Межпланетные крейсеры будут строиться на орбите, как и орбитальные станции ,и не предназначены для посадки на планеты. Для посадок и стартов с планет будут использоваться разные челноки. Для реального освоения всей Солнечной системы скорость межпланетных крейсеров должна достигать 5000 км/сек.
Собственная масса таких кораблей может варьироваться от нескольких сотен до тысяч тонн. Что разгонит такую махину до нужных скоростей ? Тяга двигателя зависит от удельного импульса, а конкретно от скорости истечения рабочего тела и его расхода по массе. Скорость истечения зависит от нагрева рабочего тела. Конечная скорость корабля – от продолжительности тяги. Положим, что топливо и рабочее тело – обеднённый изотопом 235 уран 238. По плотности уран 238 в качестве рабочего тела вне конкуренции, как самый массивный естественный элемент. Значит велик расход по массе при незначительном изменении объёма.Ядерная реакция деления ядер урана 238 сверхбыстрыми /14 МэВ/ нейтронами для нагрева весьма эффективна. Уран 238 в обеднённом варианте есть самая эффективная биологическая защита от жёстких излучений. Запасов обеднённого урана 238,как побочного продукта в результате работ промышленности по обогащению урана изотопом 235, накоплено много более 1000000 тонн. Одна из возможных схем двигателя такого крейсера:
1)Генератор сверхбыстрых нейтронов на основе сильноточного ускорителя лёгких ядер с каскадным выходом высокоэнергичного/14 МэВ и более/ потока нейтронов большой плотности. Легко реализовать ускоритель в космическом пространстве!
 2)Лазерный испаритель-уплотнитель рабочего тела на основе мощного непрерывного или импульсного лазера ЛТС.
 3)Электромагнитная камера деления урана 238 под действием потока нейтронов с системой отражения в составе электронных и оптических зеркал и электромагнитного сопла.
Выход энергии - непрерывный или пульсирующий в зависимости от режима работы лазера, и соответственно такой же режим работы двигателя. Естественно, что понадобится дополнительный источник энергии на корабле.  Как вариант, можно рассмотреть реактор на 242m Am. Для справки – критическая масса этого изотопа составляет порядка 6 граммов. Сам двигатель собирается на орбите и там же отлаживается. Это хорошая альтернатива термоядерному двигателю на основе ТОКОМАКА. Покажем, что создание двигателя на уране 238 вполне целесообразно и возможно.

[Боцман]

Согласно данным физики  U 238 действительно будет делиться быстрыми нейтронами  с энергией больше 1,4 МэВ. Следуя теории ядерных реакторов, СЦР нет! Цепная реакция деления затухает. Так что Самоподдерживающейся Цепной Реакции/ СЦР/ в 238 U организовать не удастся! А нужно ли это? Обратимся к недавнему прошлому. Энергия комбинированной термоядерной бомбы СЛОЙКА /СССР/ есть на 80% результат деления ядер урана 238 потоком сверхбыстрых нейтронов 14,1 МэВ. В бомбе во время основного взрыва  нейтроны на выходе термоядерной реакции дейтерий +тритий имеют энергию порядка 14 ,1 МэВ ,и уран 238 присутствует в виде уплотнённой плазмы. В бомбе СЛОЙКА делятся ядра сжатого урана 238 плотным потоком нейтронов с энергией 14 МэВ. Нет там СЦР!!! У нас аналогичные условия! Поэтому речь вообще не может идти о СЦР в бесконечной среде урана 238! А вообще речь идёт  о вынужденном делении порций урана 238 потоком сверхбыстрых нейтронов и выделяющейся при этом энергии. Имеет смысл определение среднего выделения энергии от одного нейтрона с энергией 14 МэВ в мишени из урана 238, и параметры среды, где происходит это выделение, а также определение средних затрат энергии на получение такого нейтрона и способов его получения.
Ответ на это дают работы (1) и (2)
 (1)  http://www.keldysh.ru/papers/2004/prep30/prep2004_30.html   
(2)    http://www.vniitf.ru/rig/konfer/7zst/reports/pl3.pdf
Из работы (1) следует, что имеет смысл говорить о некотором продлении затухающей цепной реакции деления ядер в уране 238 за счёт создания взрывного кумулятивного  сжатия, и соответствующего увеличения выделения энергии. Оценим согласно (1) длину цепи реакции деления U238 на быстрыми нейтронами, основываясь на данных о спектре деления с учетом сдвига его в быструю область. От одного первичного нейтрона с энергией 14 МэВ получается в среднем 2,4 быстрых нейтрона с энергией около 7 МэВ. Каждый  из них порождает в среднем еще 1,5 быстрых нейтрона с энергией около 4,5 МэВ. В свою очередь, эти нейтроны дают еще 1,1 нейтронов с энергией в окрестности пика спектра деления, после чего (в четвертом поколении) количество вторичных нейтронов, способных вызвать деление U238, становится меньше 1 и цепная реакция затухает. С учетом уменьшения сечения деления вблизи порога получается приблизительно 3 поколения нейтронов деления с выделением энергии 170 МэВ(осколки ядра и гамма кванты) на деление.  Соответственно приведённым оценкам реакций, их сечениям ,энергиям и порогам можно предположить, что давление излучения мощного импульсного лазера будет уплотнять уран 238 вместе с  возгонкой и истечением не хуже описанного в (1) драйвера/ускорителя/ тяжёлых

[Боцман]

ионов и микровзрыва плазмы дейтерия +трития ,описанных в работе(1). Получается пульсирующий процесс. как и в работе  Орлова(1),причём процесс этот будет ограничен плотностью потока нейтронов , размерами оптимизации среды из урана 238 ,параметрами импульса лазера и утилизацией выделенной энергии. Построены и работают мощные лазеры для создания лазерного термоядерного синтеза! А требования к их параметрам по уплотнению мишени те же, что и в нашем случае. Не реактор с СЦР это ,а реактивный двигатель с вынужденной ядерной реакцией деления - разогрева рабочего тела-топлива! Возможно также создание двигателя по схеме в работе (2). Драйвер/ускоритель/ тяжёлых ионов легко реализуем в космическом пространстве. Замечу, что предлагаемый в работах (2 и 1) драйвер необходим для работы электростанции на 1500 Мега ватт электрической мощности и даёт разовое вложение в мишень порядка 12 мега джоулей при коэффициенте усиления в мишени порядка 60. Необходимо разработать вопрос возможности пропорционального уменьшения вложенной и полученной энергии с сохранением значения коэффициента усиления. Необходимо организовать подачу мишеней с пушерами в камеру сгорания и точное позиционирование их там. Это не простая проблема !Но в целом двигатель получается более простым по конструкции и  работающим только в пульсирующем режиме. Однако возрастают расходы на производство топливных мишеней с дейтерий – тритиевыми пушерами в оболочке из урана 238 ,и использование платины для создания потока тяжёлых ионов в драйвере.
Пояснения для не читавших статью (1):
1) пушер - заряд дейтерия + трития, окружённый слоем урана 238.
2)мишень - свинцовый цилиндрик в котором находится пушер.
3)Драйвер-ускоритель тяжёлых ионов, формирующий пучок ионов цилиндрической формы, создающий в свинцовой оболочке мишени быстрое кумулятивное сжатие .вызывающее термоядерную реакцию дейтерия + трития и последующее деление сверхбыстрыми нейтронами урана 238. То есть получается взрыв микро аналога водородной бомбы СЛОЙКА.
Кратко опишем содержание концепции гибридной ядерной двигательной установки, следуя (1). Предполагается, что можно построить мощный тяжелоионный ускоритель, позволяющий ускорять однозарядные ионы тяжелых металлов до энергии ~500 МэВ/на нуклон (100 ГэВ/на ядро). Пучок ионов облучает кольцевой слой (абсорбер) с торца цилиндрической мишени, на оси которой находится термоядерное топливо (эквимолярная смесь DT), окруженное тонкой оболочкой из U-238, работающей одновременно как пушер. Мишени инжектируются в камеру, где происходит микровзрыв, с частотой 2 Гц. Мощность пучка профилируется по времени так, чтобы энерговложение в абсорбер обеспечило бы безударное сжатие топлива . После необходимого сжатия DT-топливо поджигается (например, в режиме быстрого поджига) и окружающий его слой урана начинает делиться под действием термоядерных нейтронов.
Численные эксперименты и аналитические оценки показали, что энергетический вклад от деления может превосходить энергию термоядерного синтеза DT-смеси. Под действием термоядерных нейтронов в уране возникает короткая (при достаточно

[Боцман]

сильном сжатии до трех поколений) цепочка реакций деления, существенно повышается давление и происходит дополнительное сжатие DT-смеси. Это приводит к более полному выгоранию термоядерного топлива, что, в свою очередь, увеличивает выход нейтронов для поддержки реакций деления в активном слое. В зависимости от масс слоев мишени и степени ее сжатия возможна утилизация от 2 % до 18 % урана. Таким образом, реакции синтеза и деления в гибридной мишени усиливают друг друга. Отметим, что, используя в качестве пушера другие делящиеся вещества, можно достигнуть состояния критичности, что позволит значительно усилить выделение энергии в мишени. По сравнению с лазерным термоядерным синтезом процесс более предсказуем и выгоден по выходу энергии/значительно больше выделенной энергии на затраченную и больше стабильности/,да и конструкция реактора проще.  По  этому проекту электростанцию строить собираются на Земле. Использование мишени с пушерами в урановой оболочке и драйвера заметно упрощает устройство двигателя .Проблемы: потребуется разработать точное позиционирование мишеней в камере сгорания перед поджигом, их хранение или изготовление и подачу. За двигателем в пространстве будет тянуться радиоактивный след продуктов деления ядер урана 238. Этот след быстро исчезнет по причине высокой скорости истечения из двигателя. На первом этапе освоения Системы этот двигатель возможно будет оптимальным по стоимости и эффективности. Интересно само устройство камеры сгорания! Это может быть сферическое или параболическое зеркало , в фокусе которого находится мишень из урана 238 , сжимаемая лазерами, расположенными по краям зеркала, и поджигаемая пучком нейтронов ,летящих по центральной оси от генератора. Или наоборот. В любом случае перед оптическим должно быть электронное или электромагнитное зеркало для отражения плазмы. Вместо электронного зеркала можно использовать камеру сгорания- электромагнитную бутылку с горлом-соплом для истечения плазмы. В случае использования ионного драйвера ,вместо генератора нейтронов, и пушеров с дейтерием + тритием, зеркала и камера сгорания также необходимы! В работе (1) показано, что максимальное выгорание урана составляет 18%, что происходит при сжатии в примерно в 1000 раз по радиусу. Замечу, что выгорание в урановой бомбе составляет чуть больше 5%. В схеме с использованием мощного лазера, учитывая уплотнение урана при возгонке и истечении паров от излучения лазера и давление лазерного луча  возможно выгорание до 3%,что тоже немало.
Дальнейшее развитие использование урана 238 получило в работе группы авторов
(3) http://www.keldysh.ru/papers/2006/prep47/prep2006_48.html 
В работе проводится анализ возможности создания энергетического ядерного реактора для эффективной утилизации U-238 с использованием инерциального термоядерного синтеза на тяжелых ионах. Рассчитываются энергетические параметры установки и предлагается схема очистки теплоносителя первого контура. В этой работе предполагается за счёт гибридной мишени повысить выгорание дейтерий - тритиевой смеси в реакторе электростанции. Подобную схему можно использовать и на межпланетном корабле в качестве судовой электростанции и маршевого  двигателя.
Естественно надо уменьшить мощность и габариты устройства.

[zhvictorm]

А какое-нибудь сравнение с РД-0410 сделать можно?

[Боцман]

Существующий сейчас в проекте аналог-тепловая электростанция
/см последнюю ссылку/ при вложении энергии 5 мегаджоулей
будет выдавать 60 мегаджоулей.Для своей реализации он требует
огромных ускорителей.При частоте 2 герца это 120 мегаватт
мощности.Естественно надо уменьшать затраты и выход энергии.Главное - соблюсти условия реакций синтез +деление.
В другом случае самое узкое место - плотность потока сверхбыстрых нейтронов и плотность среды деления.
В случае использования лазерного термосинтеза важно соблюсти условия реакций синтез +деление. Однако в вакууме всё гораздо проще!

[Боцман]

Такой корабль уже сегодня можно построить на орбите за 4 года.

[Боцман]

 {*}Не думайте ,что межпланетные перелёты есть дальняя перспектива.Если человек не уйдёт в космос,его ждут ядерная война и деградация. С развитием катаклизма глобального потепления межпланетные перелёты могут быть востребованы в течение ближайших 12 лет. Осваивать Солнечную систему ринутся прежде всего китайцы. А потом они будут контролировать всё!
  &/

[Боцман]

Интересный факт. Моделирование и рассчёты тех же авторов показывают ,что максимальное усиление в 12 раз достигается при
энерговложении порядка 5 мегаджоулей. Эти параметры соответствуют параметрам предлагаемой авторами АЭС на инерционном термоядерном синтезе с урановым (238) усилением эл.мощностью 1,5 Гига ватта. Пусть создание ускорителей в космическом пространстве проще и эксплуатация менее затратна по энергетике.Всё равно постройка космического межпланетного крейсера с подобной энергетической установкой потребует напряжения экономики всё планеты,так как его масса будет достигать нескольких тысяч тонн. Зато полёт до Марса сократится до нескольких месяцев.
Не на много дольше будут длиться полёты к дальнм планетам Солнечной системы. Станут реальными скорости 1000 км/сек и более.

[Боцман]

Дальше всё зависит от исследования Марса роботами и от развития катаклизма на Земле. Если на Марсе найдут воду и уран, а на Земле значительно (на 10 градусов) потеплеет и поплохеет для двуногих, то страны золотого миллиарда
построят космический крейсер якобы для спасения человечества! А, на самом деле, для себя родимых. В действительности спасётся верхушка золотого миллиарда и их близкие холуи. А может их перебьют на Земле. А может взорвут на орбитальном старте. На Земле будет твориться такое, что сам чёрт ногу сломит! Жуткие ураганы и торнадо, сменяющиеся жарой за 50 градусов, потопы и снежные заносы. Миллиарды обезумевших от буйства стихии людей, ищущих спасения. Свирепая борьба за ресурсы, и, как результат - непрерывные войны, насилие, анархия, смерть. Ежедневно счёт погибших будет идти на многие сотни тысяч - миллионы. Сегодняшнее молодое поколение выродков, умеющих нажимать кнопки, столкнётся с полудикими представителями третьего мира в яростной схватке за выживание! Кто победит? Скорее всего - никто. все погибнут. И это хорошо, это правильно и ведёт к очищению и обновлению нашей прекрасной Земли.
Как когда - то сказал поэт:
 
    Пусть цивилизация исчезнет,
    Люди и машины сгинут вдруг!
    Пусть планета третья - воскреснет,
    Сбросив свой болезненный недуг!

Я знаю что так будет. Так уж скорей бы! Дай Бог увидеть конец этой погани, называемой  - человечество, и вдоволь насмеяться!
  +@> +@> +@> &/