НАБРОС (т.е. оригинальное творчество ПИ)
Звездолет «Морской ёж»
Остроактуальная проблема создания концепции звездолета, способного долететь до ближайших звезд за время порядка столетия и донести при этом груз более чем в граммы весом, пока что не нашла достойного решения.
Хороший проект автономного реактивного звездолета должен удовлетворять двум условиям:
1) удельная энерговооруженность порядка одного мегаватта на килограмм;
2) Скорость истечения реактивной струи порядка 10 тыс. км в сек.
Популярная концепция звездолета – ядерного взрыволета «Орион» https://en.wikipedia.org/wiki/Project_Orion_(nuclear_.. имеет тот дефект, что ядерные бомбы с большой удельной мощностью излучают большую часть энергии в рентгене, которым нельзя толкать звездолет.
«Делящийся парус» https://vk.com/wall-147618894_139 требует использования изотопа Cf-254, который имеет период полураспада всего 60 дней и который даже в количестве граммов накопить весьма сложно.
Ракетный двигатель на осколках деления https://vk.com/wall-147618894_655 с магнитным выводом осколков деления, во-первых, требует изотопа Am-242m, а во-вторых – не работоспособен (условия вывода осколков из реактора несовместимы с условием удержания нейтронов в нем).
Прочие концепции упираются в малую удельную энерговооруженность (вот так вот отвергнем их всех скопом).
В поисках решения проблемы я сначала пришел к идее «Делящегося паруса с нейтронной лампой». Т.е. сделать тонкопленочный парус из плутония или урана, и вызывать деление в нем за счет внешнего источника медленных нейтронов («нейтронной лампы»), расположенного в центре паруса таким образом, чтобы нейтроны от лампы пересекали большой слой делящегося вещества (двигаясь под малым углом к касательной поверхности паруса), а осколки могли вылетать из паруса (вдоль нормали к поверхности).
К сожалению, элементарные математические выкладки показывают https://vk.com/wall-147618894_655?reply=689&threa=.., что при одновременном выполнении трех необходимых условий - постоянства поверхностной плотности, перехвата всех нейтронов из расходящегося пучка, и обеспечения достаточно большого слоя вещества на пути нейтрона – внешний радиус паруса обязан быть больше внутреннего в exp(1/theta_0) раз. Здесь theta_0=lambda_f/lambda_n, а lambda_f и lambda_n – длина пробега осколков деления и длина пробега нейтронов в веществе паруса соответственно. Учитывая, что для плутония 1/theta_0 порядка 200, а для урана-235 и уран-233 – 300, не факт, что парус уместится в видимой части Вселенной…
После этой длинной преамбулы, демонстрирующей, с какими проблемами сталкивается поросенок Петр, желающий свалить из солнечной систяшки, уже на стадии эскизного проектирования межзвездного трактора, перейдем к собственно предлагаемому проекту.
Проект «Морской ёж» есть продвинутый вариант «Делящегося паруса с нейтронной лампой», в котором проблема экспоненциальной расходимости размеров паруса решается за счет предотвращения расходимости пучков нейтронов от лампы.
Концепция основана на явлении зеркального отражения нейтронов от поверхности раздела вакуум-вещество https://en.wikipedia.org/wiki/Ultracold_neutrons#Refl.. (не путать с более известным эффектом диффузного отражения нейтронов от слоя замедлителя). Для зеркального отражения нужно, чтобы нормальная к поверхности раздела компонента скорости нейтрона была ниже критической скорости v_C. Далее мы будем предполагать в качестве материала отражателя металлический бериллий, у которого v_C=6.89 м/с. Это меньше, чем рекордная v_C= 8.14 м/с для никеля-58, но бериллий для наших целей значительно лучше никеля – у него гораздо меньше плотность и сечение поглощения нейтронов.
Пусть у нас есть нейтронный источник диаметром d_0, испускающий тепловые нейтроны со скоростью менее v. Такие нейтроны будут зеркально отражаться от бериллия, если их угол падения к касательной меньше theta_С=v_C/v. Окружим нейтронный источник направленными вдоль направлений на источник нейтроноводами в виде полых труб из бериллиевой пленки, входы которых расположены на сфере с радиусом r_1=d_0/theta_С. Тогда, если диаметры нейтроноводов w=<d_0, и их входы сплошь покрывают сферу, все нейтроны будут перехватываться и дальше идти уже по нейтроноводам.
На концах нейтроноводов размещаем осколковыделяющие элементы (ОВЭлы). Конкретный вид ОВЭлов на нашем уровне рассмотрения не очень важен. Это могут быть просто трубы - продолжения нейтроноводов с утонченными стенками, заполненные левитирующей пылью из оксида урана или плутония, могут быть трубы, покрытые пленкой урана или плутония вместо бериллия, и т.п.
Обозначим f длину ОВЭл. Для максимизации поглощения нейтронов (движущихся вдоль ОВЭл) при минимизации поглощения осколков (при вылете поперек ОВЭл) при фиксированном диаметре ОВЭла w его длина f должна быть как можно большей. Но величина f ограничена тем, что после выхода из нейтроновода нейтронный пучек начинает расходится, с углом расходимости равным тем, с которым он вошел в нейтроновод, т.е. theta_С. Исходя из этого получается, что оптимальная длина ОВЭла должна быть порядка r_1.
Если нейтроноводы прямые и постоянного радиуса, средняя плотность вещества стенок нейтроноводов на единицу объема пространства, сквозь которое они проходят (т.е. какая была бы плотность вещества, если его однородно размазать по объему), будет квадратично падать с расстоянием. Так что средняя длина пробега осколка деления, вылетевшего с конца нейтроновода длины R, пропорциональна (R/r_1)^2. С другой стороны, среднее расстояние l, которое нужно пройти осколку, чтобы покинуть лес из ОВЭлов, порядка (Rf)^(1/2).
Учитывая все это и полагая, что f=r_1, получаем, какой длины должны быть нейтроноводы, чтобы осколки могли вылететь из «ежа»:
R=r_1/theta_0^(2/3)
Здесь theta_0=lambda_f/lambda_n, а lambda_f и lambda_n – длина пробега осколков деления и длина пробега нейтронов в делящемся веществе при единичной плотности.
Суммарная масса всех нейтроноводов:
M=16pi sigma_1 d_0^2 / (theta_0^(2/3)*theta_С^3)
Здесь sigma_1 – поверхностная плотность пленки, из которой сделаны нейтроноводы. При отражении нейтроны проникают в материал на глубину порядка их длины волны. Длина волны при скорости v_C около 50 нм. Так что слоя бериллия толщиной 0.5мкм и поверхностной плотностью sigma_1 = 1 г/м2 должно хватить для отражения. Бериллиевую пленку придется посадить на что-то типа ткани из нанотрубок, но не будем учитывать добавку в поверхностную плотность от нее.
Средняя скорость тепловых нейтронов при температуре 300К равна v=2 км/с. Максимальный угол отражения для нейтронов со такой скоростью равен theta_C=0.003 радиана. Для плутония theta_0=0.005. Если радиус источника нейтронов d_0=1 м, радиус «ежа» получается R=12 км, а масса - приблизительно М= 50 тысяч тонн. И это только нейтроноводы… Радиус внутренней камеры (так сказать тела «ежа») r_1=300 м.
Если полагать удельную мощность 1 МВт/кг, то полная мощность получится 50 тераватт, что в несколько раз больше современной суммарной выработки энергии человечеством. Да, как говорится, «межзвездные перелеты – это вам не лобио кушать»…
С другой стороны, масса М очень сильно, как v^(11/3), зависит от скорости нейтронов (здесь учтено, что сечение деления и соответственно theta_0 подчиняются закону 1/v). Так что чем сильнее удастся охладить нейтроны, и чем компактней их источник, тем менее громоздкой будет установка. Уменьшить источник до размеров много меньше d_0=1 м нельзя, так как величина длины замедления для лучших замедлителей – около 10 см. Но если при диаметре источника d_0=1м удастся охладить нейтроны до температуры сверхтекучего гелия (v=200 м/с), то суммарная масса нейтроноводов будет всего порядка M=10 тонн, радиус – R=300 метров (и радиус внутренней камеры r_1=30м).
В качестве источника тепловых нейтронов для крупного варианта звездолета (это который 50 тысяч тонн) можно предложить дейтериевые микрозаряды с мощностью порядка 10 гигаджоулей каждый, помещенные в трехслойные оболочки: 1) слой первичного замедлителя, поглощающий большую часть энергии быстрых нейронов и нагревающийся до миллионов градусов; 2) тяжелая оболочка из свинца-208 (у него очень низкое сечение поглощение тепловых нейтронов); 2б) вакуумный промежуток; 3) слой вторичного замедлителя, например, из тяжелой воды. Идея состоит в том, что нейтроны должны успеть охладится и улетучится до того, как расширяющаяся свинцовая оболочка разрушит и нагреет внешней замедлитель. Водяной пар и свинцовая дробь рассеиваются внутри тела «ежа», остывают, захватываются и тут же используются для изготовления оболочек новых зарядов.
Исходя из количество энергии, выделяющейся при получении одного нейтрона при сгорании дейтерия, получается, что тепловая мощность источника нейтронов должна составлять около одной десятой от суммарной мощности ОВЭлов. То есть придется взрывать около тысячи бомбочек в секунду …
Нейтронный источник для малой, десятитонной модели, видится в общих чертах так: импульсно горящий дейтериевый огонек в центре (серия микровзрывов). Его окружают быстро вращающиеся проволочные кольца первичного замедлителя-радиатора, собранные в тороидальную структуру. Чтобы было понятнее – кольца замедлителя расположены как витки тороидальных катушек в токамаке, а камера с горящим дейтерием расположена на месте центрального индуктора токомака. В первичном замедлителе нейтроны охлаждаются до энергии порядка эВ, нагревая часть замедлителя, прилегающую к камере. Так как кольца первичного замедлителя вращаются, тепло распределяется по тору равномерно и переизлучается в космос. После прохождения первичного замедлителя нейтроны попадают во вторичный замедлитель – бак с кипящим гелием. Охлажденные нейтроны вместе с потоками газообразного гелия разлетаются во все стороны и попадают во входы нейтроноводов. Входы нейтроноводов закрыты тонкой пленкой, прозрачной для нейтронов, но не для гелия. Газообразный гелий откачивается насосами, охлаждается, сжижается, и возвращается в бак.
Учитывая, что даже в компактном варианте необходимое число нейтроноводов исчисляется тысячами, с стороны эта штука будет похожа скорее не на ежа, а на меховой шар, с кончиками волос, светящимися багровым светом. Для того, чтобы охлаждать нейтронный источник, в шерсти придется сделать окна, при взгляде сквозь которые в центре шара будет виден сравнительно небольшой светящийся бублик. При взгляде строго вдоль оси «бублика», в центре будет видна мигающая ослепительная голубоватая точка. Не спрашивайте про схему поджига дейтерия – this issue is beyond the scope of the present work (тм).
Все это спереди придется окружить электростатическим «парусом-сеточкой» им. AlexAV, отражающим испущенные «ежом» осколки деления назад и создающим тягу. А позади, достаточно далеко для того чтобы ему не угрожали потоки нейтронов и гамма-квантов, полезный груз корабля. «Парус-сеточка», «еж» и груз соединены тросами.
На картинках – нейтроновод и морской еж.