Звездолет, использующий нейтроны из термоядерного двигателя на дейтерии для деления в «делящемся парусе»⁠⁠

Звездолет, использующий нейтроны из термоядерного двигателя на дейтерии для деления в «делящемся парусе»

https://arxiv.org/abs/1408.6225

При термоядерном горении дейтерия (если предполагать сгорание и получающегося трития) только треть выделяющейся энергии передается заряженным продуктам реакции, которыми можно управлять с помощью магнитного поля и собрать в реактивную струю двигателя. Остальное уносится нейтронами.

Авторы предлагают эти нейтроны охлаждать и использовать для облучения тонкой пленки, покрытой делящимся веществом, чтобы осколки деления давали дополнительный импульс.

Длина пробега осколков в металлическом уране – 6.6 мкм. Длина пробега нейтрона до поглощения (равная расстоянию, на котором число первичных нейтронов уменьшается в e раз) будет меньше 6.6 мкм, только если сечение поглощения больше 32 килобарн. Сечение деления зависит от скорости нейтрона как 1/v^{1/2}, но для урана-235 сечение деления в 32 кбарн достигается только при температуре нейтронов около 0.1К, для плутония-239 – при 0.17К.

Во избежание сильной потери кинетической энергии осколков, толщина слоя урана должна быть еще меньше, не более 3 мкм. Чтобы такой же величине равнялась длина пробега нейтронов, сечение поглощения должно быть 70 кбарн.

Однако, если преобразование энергии в тягу для собственно дейтериевого двигателя невелика, за счет деления обеспечивается заметная прибавка к тяге, даже если только небольшая часть нейтронов поглощается пленкой. Авторы рассчитали, что при эффективности преобразования равной 0.1, даже при сечении деления 3 кб (для U-235 оно достигается при 10К), тяга от «делящегося паруса» будет превышать тягу от дейтериевого двигателя в 4 раза.

Охлаждать нейтроны авторы предлагают путем пропускания их сквозь слой твердого дейтерия, который заодно является запасом горючего. Регенерировать слой делящегося вещества на парусе предлагается путем окуривания пленки урановым паром.

На картинке: A – термоядерный двигатель на дейтерии, В – основная часть корабля, C – баки с дейтерием, D – радиатор, E – распылитель делящегося материала для регенерации пленки на парусе.

--------

AlexAV предложил три усовершенствования для этой схемы:

1) Сделать парус двусторонне-прозрачным для осколков, а осколки отражать электростатическим парусом-ситечком https://vk.com/wall-147618894_704. Это увеличит удельный импульс и тягу в 4 раза.

2) Использовать в делящемся парусе изотоп Am-242m. ПИ: Для данного изотопа америция сечение деления в 32 кбарна достигается при температуре нейтронов около 10 кельвинов.

3) Заменить дейтериевый термоядерный двигатель на реактор деления на Cf-251. Коэффициент размножения нейтронов у этого изотопа калифорния = 4.32. Это позволяет получить до 3 делений в парусе на одно в реакторе-источнике.

-------

Комментарий ПИ:

Главной технической проблемой в любом из вариаций данной схемы (что с калифорнием, что с дейтерием) является сочетание необходимости отвода огромного количества тепла от реактора с необходимостью поддержания очень низкой температуры окружающего реактор замедлителя.

В общих чертах схему охлаждения можно представить такую. Нейтроны еще в реакторе остывают до температур менее 2000К. Потом они попадают во вторичный замедлитель, охлажденный до очень низкой температуры. Вместо твердого дейтерия предпочтительнее использовать жидкий сверхтекучий гелий-4. Он не поглощает тепловые нейтроны (так что нет ограничения на количество столкновений, ограничивающего продолжительность охлаждения нейтронов в любом другом веществе), от него благодаря сверхтекучести легко отводить тепло, и охладить его можно до сколь угодно низкой температуры (в принципе).

Поскольку в абсолютном количестве нейтронов мало, сами они при попадании во вторичный замедлитель переносят довольно мало тепла (в миллионы раз меньше, чем мощность реактора). Но нужно еще надежно изолировать слой вторичного замедлителя от теплового излучения реактора, обеспечив при этом отвод тепла от реактора.

В качестве перспективной схемы мне видится «полярная звезда» https://vk.com/wall-147618894_655?reply=663&threa=.., центральный реактор которой окружен оболочкой со слоем жидкого гелия. В оболочке придется сделать узкие прорези для пропуска лент-ТВЭЛов-радиаторов. Внутрь щелей придется втиснуть надежную теплоизоляцию, поскольку нагретые ленты будут излучать около 100 кВт/м2. Но ничего невозможного в этом нет. В современных токамаках со сверхпроводящими обмотками жидкий гелий находится буквально в нескольких сантиметрах от внутренней стенки камеры, на которую падает поток энергии порядка 1 МВт/м2.