| |||||||||||
Космонавтика XXI века: термоядерные двигателиПроблема создания ТЯРД привлекает внимание уже более сорока лет (первые публикации на эту тему появились не позднее 1958 года — статья Дж. Росса, в русском переводе издана в 1961 г. в сборнике «Ионные, плазменные и дуговые ракетные двигатели»). Практически каждая новая концепция УТС в скором времени перелагалась для двигательного применения, исключение составляют, пожалуй, только стеллараторы. В термоядерных установках возможно использование следующих реакций: D + D —> 3 He + n + 3,3 МэВ, D + D —> T+p+4 МэВ, D + T —> 4He+n+17,6 МэВ, D + 3He —> 4He+p+18,3 МэВ Пары D-T и D-3He энергоемки, но и T, и 3He дефицитны — тритий получается
при облучении лития нейтронами, а 3He образуется при b-распаде трития.
Но в случае ТЯРД потребные количества Т или 3He намного меньше, чем
требовалось бы промышленным реакторам, поэтому пару D-D, подкупающую
лишь своей дешевизной, можно не принимать во внимание. D-3He часто
называют чистой реакцией, т.к. все ее продукты — заряженные частицы,
которые можно удержать магнитным полем, но тем не менее она не является
вполне чистой, т.к. в смеси D и 3He всегда будет определенное число
побочных реакций D-D, дающих нейтроны. Действительно чистая — более
«тугоплавкая» реакция Обсудив различные виды горючего, перейдем к камерам сгорания. В настоящее время существует два основных направления исследований в области управляемых термоядерных реакций — установки с магнитным удержанием и установки инерционного синтеза. Двигатели могут быть созданы на основе обеих концепций. В этом номере мы коснемся систем магнитного удержания, в следующем рассмотрим инерциальные. Магнитные установки в свою очередь делятся на несколько классов, основные из них — системы замкнутой плазменной конфигурации (токамаки, сферомаки, стеллараторы) и открытые системы (магнитные бутылки разных типов, назывемые еще пробкотронами). На сегодняшний день наибольшие успехи достигнуты на токамаках — на токамаке JET (Joint European Torus), финансируемом международной организацией Euratom, достигнута термоядерная мощность в 16 МВт и Q=0,9, на японском токамаке JT60-U получено Q = 1,06. К сожалению, токамаки малопригодны в качестве двигателя по нескольким причинам — во-первых, из токамака трудно организовать отбор плазмы, во-вторых, характеристики токамаков улучшаются с ростом размеров — установка тем лучше, чем она больше (в маленькой практически нереально получить энергетически выгодную реакцию), а для космоса это решительно не подходит — и выводить на орбиту негабаритный груз, и собирать его там по частям одинаково трудно. Тем не менее ТЯРД — замкнутые системы предлагались — Р. Бассардом на базе токамака (1990) и А. Б. Кукушкиным и В. А. Ранцевым-Картиновым на основе сферомака (1996). Параметры же пробкотронов не столь сильно зависят от размеров, значит, ТЯРД на их основе в принципе может быть вписан в габариты имеющихся носителей, а малый объем области реакции позволяет упростить и облегчить магнитную систему, этому способствуют и более высокие по сравнению с токамаками допустимые значения b (отношения кинетического давления плазмы к давлению магнитного поля вне плазмы) — в токамаках b принципиально ограничено сверху для обеспечения МГД-устойчивости. Пробкотроны имеют и другое соблазнительное преимущество — их время удержания плазмы, в отличие от токамаков, определяется не турбулентностью (явлением труднопредсказуемым), а столкновительными процессами, поэтому вполне можно ожидать появления магнитных бутылок, способных конкурировать с токамаками. Неудивительно, что большинство предлагавшихся ТЯРД базирутся на открытых ловушках — начиная с раннего проекта Росса 1958. К сожалению, из-за ограниченности места трудно рассмотреть все в подробностях, упомянем лишь, что в нашей стране пионером исследований в этом направлении был И. Н. Головин (ИАЭ им. Курчатова). Определившись с наиболее вероятным методом получения плазмы, мы столкнемся со следующей проблемой: полученную плазму нужно для получения тяги выбросить из двигателя. Из магнитных же бутылок она вытекает достаточно естественным путем, но для получения тяги плазма должна вытекать преимущественно из одного конца пробкотрона (в идеале — только из одного). В принципе асимметрии потерь можно без особого труда добиться, использовав катушки неодинаковой мощности (как это предлагал Росс), но тогда полезную работу будет совершать лишь малая доля выбрасываемой плазмы. Идеальный вариант — полностью затормаживать поток из одной пробки, попутно получая электроэнергию. Это можно сделать, используя расширитель, в котором частицы плазмы, двигаясь вдоль расходящихся веером линий магнитного поля, удаляются друг от друга, так что с некоторого момента их можно уже считать независимыми частицами, затем перед входом в область коллектора электроны выводятся из пучка магнитным полем, более тяжелые ионы его не замечают и замедляются электрическим полем в коллекторе, оседая на его пластинах, их кинетическая энергия преобразуется в электрический ток. Один из очень немногих, по которому проводятся не только теоретические, но и экспериментальные исследования — проект группы В. Эмриха из Маршалловского центра космических полетов (в настоящее время исследуется устойчивость плазмы на сильно уменьшенной лабораторной модели, в окончательном варианте двигатель должен представлять собою 100-метровую трубу). Стоит отметить, что проект Эмриха основан на схеме удержания, предложенной в нашей стране Г. И. Димовым, и в своих публикация насовцы ссылаются на новосибирскую установку «Амбал-М». Другое направление — инерциально-электростатическое удержание. В установках этого типа ионы разгоняются радиальным электрическим полем и сталкиваются в центре сферической камеры. Такие устройства используются в качестве источников термоядерных нейтронов для исследовательских целей. На международной конференции 2000 г. в Альбукерке Надлер, Майли и др. продемонстрировали фотографии струи плазмы, выбрасываемой из сферической камеры, напоминающей стилизованное изображение атома. Авторы видят преимущества своей конструкции в том, что она не нуждается в сильных магнитных полях, а значит, и в тяжелых системах катушек для их создания. К тому же, как они полагают, установки с ИЭУ больше всего подходят для экзотических чистых топливных пар, например, таких, как р + 11В—>3 4He + 8,7 МэВ. Еще один оригинальный вариант, предлагаемый Крамером, Льюисом, Хувом и др. — инициирование термоядерного синтеза с помощью античастиц. Созданная в Пенсильванском университете ловушка Penning trap способна удерживать около сотни антипротонов, что вселяет в ее создателей надежды на применение в не столь отдаленном времени ее аналогов в ТЯРД. В Джонсоновском центре космических полетов разработан двигатель VASIMR (магнитоплазменный ракетный двигатель переменного удельного импульса), возможно, шаг на пути к ТЯРД. К прототипу ТЯРД его позволяет отнести нагрев высокочастотным излучением и магнитное сопло. Вес проекту придает участие в нем бывшего директора ИКИ, одного из крупнейших специалистов в физике плазмы — академика Сагдеева, ныне проживающего в США. При мощности 10 кВт УИ VASIMR'а должен составлять 10 000с, тяга — 1 Н. Размер статьи позволил перечислить лишь малую долю работ и идей, но и из сказанного видно, что в ближайшее десятилетие можно ожидать появления на орбитах термоядерных двигателей малой мощности. На базе установок инерциального синтеза возможно создание ТЯРД высокой мощности. Это направление развивалось в США в работах Дж. Накколсом (Ливерморская лаборатория) в 1961-1972 гг., Р. Хайдом (1983), в 1978 г. группой британских ученых во главе с А. Бондом опубликован проект термоядерного звездолета «Дедал» (его изображение украшало заголовок предыдущей статьи), в Ливерморе же под руководством Ч. Орта во второй половине 80-х проводились работы над проектом VISTA (корабль для полета к Марсу). У нас оригинальные концепции предложены в 70-х гг. В. А. Белоконем. В одном из следующих номеров мы рассмотрим потенциальные возможности создания импульсных ТЯРД. Д. ОЗОЛ Литература для предварительного ознакомления с вопросом: Хеглер, Кристиансен «Введение в управляемый термоядерный синтез», 1980 |
Выпуск № 15(1638)-11.04.03.5 апреля закончилась V конференция "Старт в науку" Космонавтика XXI века: термоядерные двигатели |
 | Разработка сайта |
ARP.Site