Термоядерный ракетный двигатель

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Реферат

Термоядерный ракетный двигатель

автор: Григорьев Олег

Руководитель: Ветюков Д.А.

Москва 2013

Оглавление

Введение

1. История идеи термоядерного ракетного двигателя

2. Термоядерная реакция

2.1 Топливо

2.2 Запуск реакции

2.3 Термоядерный синтез на Земле

2.3.1 Инерциальный синтез

2.3.2 Магнитный синтез

3. Поведение заряженной частицы в магнитном поле

4. Магнитные ловушки

4.1 Тороидальные ловушки

4.2 Зеркальные (адиабатические) ловушки

5. Конструкции космических кораблей на основе ТЯРД

5.1 Проект Александра Викторовича Багрова и Михаила Александровича Смирнова

5.2 Проект «Дедал»

5.3 Проект «Икар»

Вывод

Список литературы

Введение

термоядерный ракетный двигатель космический

1 ноября 1952 года прогремел первый термоядерный взрыв. С тех пор в области термоядерной физики ведутся непрерывные исследования, ведь термоядерная реакция - практически неисчерпаемый источник энергии. Она происходит в результате слияния легких атомов в более тяжелые элементы. На Солнце и других звездах водород превращается в гелий с огромным выбросом энергии. Ученые хотят обуздать энергию термоядерного синтеза и использовать ее в своих целях. Одна из них - создать ракетный двигатель для межпланетных и межзвездных перелетов.

Цель моего реферата - понять, как устроен термоядерный ракетный двигатель (ТЯРД) и насколько перспективным он является.

Для достижения этой цели мне понадобится решить несколько задач: узнать историю изучения ТЯРД, понять основные процессы, происходящие при термоядерной реакции; узнать, как ее можно контролировать; найти проекты космических кораблей на термоядерной тяге и на основе полученных данных сделать вывод о перспективах ТЯРД.

1. История идеи термоядерного ракетного двигателя

Впервые идея термоядерного ракетного двигателя появилась в середине ХХ века, сразу после испытаний термоядерных бомб, создания первых атомных реакторов и исследований генерации лазерного излучения. Тогда же ученые пришли к выводу, что лазерный способ запуска термоядерной реакции является наиболее рациональным. Следуя этим соображениям, ученые начали вести исследования в области лазерного термоядерного синтеза (ЛТС). В середине 50-х годов ХХ в. в США и СССР проходили исследования по сжатию и нагреву лазерами термоядерного топлива из дейтерия и трития.

В СССР в 1968 году была создана первая мощная лазерная установка для экспериментов по сжатию дейтерида лития. В 1971 году была создана более мощная установка «Кальмар». В дальнейшем было построено еще несколько установок для исследования УЛТС: «Сокол», «Прогресс», «Мишень», «Искра», «ТИР-1», «Перун». Сейчас ведется строительство самой мощной в мире установки «Искра-6», которая сможет приблизить человечество к созданию ЛТЯР и лазерного термоядерного ракетного двигателя.

Параллельно разработки велись и в США. В 60-е года американская фирма «Аэроджет-дженерал нуклеоникс» проводила исследования получения самоподдерживающейся термоядерной реакции и использования ее энергии в ракетных двигателях. В семидесятых были созданы опытные установки: «Янус», «Аргус», «Шива», «Гелиос», «OMEGA», «Антарес», «Аврора». Сейчас ведется строительство новой установки «NIF».

Разработки велись еще во многих странах, но не так активно, как в США и СССР. Однако ни в одной стране так и не получилось достичь конечного результата - получению управляемой термоядерной реакции.

2. Термоядерная реакция

Термоядерный синтез - реакции слияния лёгких ядер в более тяжёлые; происходят при высоких температурах и сопровождаются выделением энергии.

Кулоновский барьер ядра - потенциальная энергия кулоновского отталкивания одноимённо заряженных частиц вне области действия ядерных сил.

Плазма - ионизованный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных зарядов равны (квазинейтральность).

Чтобы понять, как работает термоядерный двигатель, нужно сначала изучить основные процессы, происходящие при термоядерной реакции.

Мы можем наблюдать результат прохождения термоядерного синтеза каждый день - благодаря нему светятся и излучают тепло Солнце и остальные звезды. Для прохождения термоядерной реакции нужно два элемента: топливо и скорость его частиц.

2.1 Топливо

В процессе термоядерной реакции на звездах изначальным топливом является водород и его изотопы, так как это самое простое вещество во вселенной. Из водорода образуется гелий с выделением тепловой энергии. Когда на звезде весь водород превращается в гелий, он становится топливом. Так происходит с каждым химическим элементом, стоящим в таблице Менделеева до железа. Все термоядерные реакции вещество, начиная с железа, идут с поглощением энергии.

Однако выбор топлива для термоядерного ракетного двигателя является не такой простой задачей, как кажется на первый взгляд. С одной стороны реакция легче всего проходит в дейтерии и тритии (изотопах водорода с одним и двумя дополнительными нейтронами соответственно). Но тритий необходимо получать искусственно, так как в природе его нет. Причем получать тритий необходимо в объемах, измеряемых тоннами. Это превышает количество всего этого изотопа, полученного на земле за все время. К этим проблемам добавляется еще и то, что в термоядерной реакции участвует всего максимум 10% трития, так, что его расход становится крайне неэффективным.

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Другой вид топлива - смесь дейтерия и гелия-3. Реакция этих веществ позволяет максимально направить энергию термоядерной плазмы на создание тяги, так как при ней образуется меньше всего свободных нейтронов. Однако гелий-3, так же, как и тритий, в природе не встречается, более того, гелий-3 получают при распаде трития, а значит, опять встает проблема получения большого количества трития. Ко всему прочему, реакция дейтерия и гелия-3 требует большей температуры и времени удержания плазмы и дает меньше энергии на единицу объема плазмы.

Поэтому в первых ТЯРД предполагается использование чисто дейтериевого топлива или с небольшой примесью трития. Недостатки у такого топлива такие же, как и у смеси дейтерия и гелия-3 и присутствует сильное нейтронное излучение, но к плюсам можно отнести относительную дешевизну получения дейтерия и его большую распространенность. Даже при малейшем добавлении трития в смесь дейтерия мощность термоядерного реактора можно значительно увеличить.

2.2 Запуск реакции

Имея топливо, нужно сообщить ему достаточно энергии, чтобы запустить термоядерную реакцию. Так как ТЯ реакция является процессом слияния ядер, то главным препятствием на пути ее прохождения становятся силы взаимного отталкивания между атомами (Кулоновский барьер). Для его преодоления атомы должны обладать большой кинетической энергией или просто скоростью. Скорость частицам вещества придает его температура. На Солнце и других звездах температура достигается при колоссальном давлении в их недрах.

При больших температурах любое вещество превращается в плазму - ионизированный газ. Так как плазма состоит из частиц с разными зарядами, то она является проводником электрического тока и может взаимодействовать с магнитными полями. На этом свойстве плазмы базируются все идеи контроля и запуска ТЯ реакции на Земле.

2.3 Термоядерный синтез на Земле

Запускать управляемый ТЯ синтез на Земле планируется двумя основными способами: инерциальным и магнитным.

2.3.1 Инерциальный синтез

Данный тип запуска можно сравнить с миниатюрным термоядерным взрывом: топливная мишень со всех сторон равномерно поджигается мощными лазерами, которые нагреваю ее до температуры ТЯ реакции. Затем происходит термоядерный взрыв и выделяющаяся при нем энергия улавливается. Для преобразования энергии этого взрыва предполагается использовать сжатие электромагнитного поля заряженными частицами.

2.3.2 Магнитный синтез

В магнитном синтезе запускать термоядерную реакцию в топливе предполагают другим методом. Сначала вещество доводят до состояния плазмы, а потом при помощи магнитных полей сжимать, повышая тем самым давление и многократно увеличивая температуру топлива, доводя ее до температуры ТЯ реакции.

В основе обоих этих способов лежит способность плазмы взаимодействовать с электромагнитными полями. Однако в реальности поведение заряженной частицы в магнитном поле происходит по сложным законам, и долговременное удержание обычной плазмы, не говоря уже о высокотемпературной плазме, в которой происходит ТЯ реакция, является одной из важнейших проблем в создании термоядерного реактора и ТЯРД.

3. Поведение заряженной частицы в магнитном поле.

Магнитное поле - силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом. Магнитное поле характеризуется вектором магнитной индукции B. Значение B определяет силу, действующую в данной точке поля на движущийся электрический заряд (силу Лоренца) и на тела, имеющие магнитный момент.

Лоренца сила - сила, действующая на заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле.

Магнитная индукция - основная характеристика B магнитного поля, представляющая собой среднее значение суммарной напряжённости микроскопических магнитных полей, созданных отдельными электронами и другими элементарными частицами.

Напряженность электрического поля - векторная величина E, являющаяся основной количественной характеристикой электрического поля, определяется отношением силы, действующей со стороны поля на электрический заряд, к величине заряда (при этом заряд должен быть малым, чтобы не изменять ни величины, ни распределения тех зарядов, которые порождают исследуемое поле).

Рассмотрим несколько вариантов поведения заряженной частицы в магнитном поле. Наиболее простым является движение частицы в однородном магнитном поле. Если скорость частицы направлена поперёк такого поля, то её траекторией будет окружность радиуса R (рис. 1). Сила Лоренца в этом случае играет роль центростремительной силы (равной mv2/R, m -- масса частицы), что даёт возможность выразить R через V и B.

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Стоит отметить, что сила Лоренца не изменяет абсолютной величины скорости, она только меняет ее направление. Окружность, по которой движется заряженная частица в однородном магнитном поле, называется ларморовской окружностью, её радиус -- ларморовским радиусом (RЛ), а nл -- ларморовской частотой.

Если скорость частицы направлена к полю под углом, отличающимся от прямого, то, кроме V1, частица обладает и V2. Ларморовское вращение при этом сохранится, но к нему добавится равномерное движение вдоль магнитно поля, так что результирующая траектория будет винтовой линией (рис. 2).

Когда скорость частицы направлена вдоль линий индукции, то она продолжает двигаться вдоль них.

Основываясь на этих принципах можно создавать магнитные поля разных конфигураций для управления перемещением или удержания заряженной частицы в определенной области. Такие магнитные поля называются магнитными ловушками.

4. Магнитные ловушки

Магнитные ловушки - конфигурации магнитного поля, способные длительное время удерживать заряженные частицы внутри определенного объёма пространства. Магнитной ловушкой природного происхождения является магнитное поле Земли; огромное количество захваченных и удерживаемых им космических заряженных частиц высоких энергий (электронов и протонов) образует радиационные пояса Земли за пределами её атмосферы. В лабораторных условиях магнитные ловушки различных видов исследуют главным образом применительно к проблеме удержания плазмы. Совершенствование магнитных ловушек для плазмы направлено на осуществление с их помощью управляемого термоядерного синтеза.

На основе 3 главы можно сформулировать два требования к магнитным ловушкам - частица должна обладать начальной скоростью и размеры магнитной ловушки должны быть больше RЛ, в противном случае частица вырвется из нее. Удовлетворить это условие можно двумя способами: либо увеличить размеры магнитной ловушки, либо увеличить напряженность поля B. Малый RЛ обеспечивает ограничение движения частицы поперёк магнитного поля, но его необходимо ограничить и в направлении вдоль силовых линий поля. В зависимости от метода ограничения различают два типа магнитных ловушек: тороидальные и зеркальные (адиабатические).

4.1 Тороидальные ловушки

Способом удержания плазмы в тороидальных ловушках является «замыкание» траектории частицы, чтобы у нее вообще не было конца. Самым простым примером является тороидальный соленоид (рис. 4, а). Однако в ловушке со столь простой геометрией поля частицы удерживаются не очень долго: за каждый оборот вокруг тора частица отклоняется на небольшое расстояние б поперёк поля (так называемый тороидальный дрейф). Эти смещения накапливаются, и, в конце концов, частицы попадают на стенки магнитной ловушки. Для компенсации тороидального дрейфа можно сделать поле неоднородным вдоль магнитной ловушки, как бы «прогофрировав» его (рис. 4, б). Но более удобно создать конфигурацию, при которой силовые линии магнитного поля винтообразно навиваются на замкнутые поверхности, причём эти поверхности вложены одна в другую.

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Однако тороидальные ловушки не могут быть использованы в ТЯРД, так как они служат для долговременного удержания плазмы внутри магнитного поля, что пригодно для термоядерного реактора. А в ТЯРД плазма должна создавать тягу, следовательно, выбрасываться в определенном направлении. Так что больший интерес для разработчиков ТЯРД представляет второй тип магнитных ловушек.

4.2 Зеркальные (адиабатические) ловушки

В отличие от тороидальных ловушек, зеркальные ловушки открыты с торцов, и плазма может оттуда выходить. Именно выброс плазмы через торцы ловушки должен обеспечивать тягу ракете. Но должна выходить не вся плазма, должна оставаться часть, в которой будет идти ТЯ реакция. Поэтому необходимо удерживать часть плазмы внутри, и для этого используются магнитные зеркала.

Принцип работы зеркальных магнитных ловушек основывается на особенностях поведения частицы при переходе из поля меньшей напряженности в поле большей напряженности. В сильном магнитном поле, когда радиус вращения частицы значительно меньше длины изменения поля, сохраняется величина mv2/B. Поскольку масса частицы постоянна, то при приближении заряженной частицы к пробке скорость ее вращения возрастает, а так как полная энергия заряженной частицы при движении в магнитном поле не меняется, то при росте поперечной скорости (скорости вращения) будет уменьшаться скорость смещения вдоль поля. В точке, где скорость смещения вдоль поля станет равной нулю, и происходит отражение частицы от магнитного зеркала.

Принцип работы зеркальной ловушки

Используя это свойство можно делать магнитные ловушки, которые будут удерживать заряженную частицу за счет изменения поля. Простейший вариант такой ловушки - пробкотрон. Такое название магнитная ловушка получила из-за того, что поле как бы закрыто с двух сторон магнитными полями большей плотности. Важно, чтобы ток в обоих источниках магнитного поля шел в одном направлении.

Пробкотрон Но такая ловушка удерживает не все частицы. Если скорость движения заряженной частицы вдоль поля много больше скорости ее вращения, то она вылетает из пробкотрона. Также его нельзя наполнить достаточно большим объемом плазмы, а значит, и запустить самоподдерживающуюся ТЯ реакцию. Так что для ТЯРД такой простой вариант магнитной ловушки не подходит. Для него разрабатываются более сложные конструкции магнитных ловушек, основанных на магнитных зеркалах.

Одна из таких ловушек - многопробочная ловушка. Она состоит из нескольких последовательных пробкотронов. Еще один вариант - газодинамическая ловушка. От многопробочной ее отличает наличие с торцов электромагнитов меньшего диаметра, чем в центральной части, что позволяет более эффективно удерживать плазму. Но на основе этих ловушек будет очень трудно сделать ТЯРД, так как даже при использовании самого эффективного топлива - смеси дейтерия 1:1 - длинна двигателя будет превосходить 1 километр. Из-за большой длинны ловушки потери плазмой энергии поперек поля буду слишком велики. Так что эти ловушки тоже не являются выгодной конструкцией ТЯРД.

Многопробочная и газодинамическая ловушка

Самым перспективным вариантом конструкции магнитной ловушки для ТЯРД является комбинация из многопробочной и газодинамической ловушки - амбиполярная ловушка.

В простейшем рассмотрении эта ловушка состоит из длинной центральной многопробочной ловушки и двух многопробочных ловушек меньшего диаметра и длинны по торцам. В крайние пробкотроны беспрерывно подается плазма, которая не дает выходить плазме из центрального пробкотрона. При достаточной длине центрального пробкотрона возможно будет получать из него больше энергии, чем будет затрачиваться на крайних участках ТЯРД. Однако появляется проблема. Чтобы беспрерывно подавать плазму в крайние пробкотроны и подогревать ее потребуется огромное количество электроэнергии. Поэтому ТЯРД должен стать основной электростанцией для космического корабля.

И хотя теоретически многие конструкции магнитных ловушек проверены, а некоторые уже существуют в опытных образцах, объем практических знаний и опыта слишком мал, чтобы говорить о создании ТЯРД в ближайшем будущем. Однако уже существует множество проектов кораблей на основе ТЯРД.

5. Конструкции космических кораблей на основе ТЯРД

В этой главе моего реферата будут представлены несколько самых перспективных и наиболее продуманных вариантов конструкции космических кораблей на ТЯРД. Существуют два типа ТЯРД: с магнитным удержанием и инерциальный. Удельный импульс (отношение силы тяги к расходу рабочего тела) ТЯРД с магнитным удержанием ограничен температурой плазмы и конструкцией. А в инерциальном двигателе можно получать удельный импульс примерно равный 10000000 м/с. Поэтому все самые перспективные предполагаемые конструкции ТЯРД основываются на импульсном движении.[1]

5.1 Проект Александра Викторовича Багрова и Михаила Александровича Смирнова

Двое русских ученых разобрали проект космического корабля на ТЯРД, разработанного в СССР в 1975 г, в котором в качестве основной реакции будет выступать инерциальный термоядерный синтез. Генератором магнитного поля в этом корабле должен был выступать сверхпроводящий тор. В отличие тороидальных ловушек, в этой конструкции тор является большим электромагнитом, создающим магнитное поле, по форме напоминающее песочные часы. Чем ближе к электромагниту, тем выше напряженность поля, а, следовательно, оно представляет собой простейший вариант магнитного зеркала. Зеркальная ловушка формирует сопло корабля. С одной стороны тора предполагается проводить ТЯ реакции, путем запуска в зону реакции мишеней из топлива посредством электромагнитных пушек и последующего поджигания их пучком лазеров. Получившаяся при ТЯ взрыве плазма оказывается в зеркальной магнитной ловушке и взаимодействует с ней по принципам, описанным в главе 4. С другой стороны корпуса будет помещена полезная нагрузка во избежание повреждения ее ТЯ взрывами из зоны реакции.

Внешний вид КК.

Магнитное поле корабля и его взаимодействие с плазмой

На иллюстрации 9 виден механизм взаимодействия магнитного поля тора и плазмы. Оно эффективно улавливает все заряженные частицы кроме тех, которые вылетают через центр тора. Однако предполагается, что эти частицы тоже будут выполнять полезную функцию. На больших скоростях большую опасность для космического корабля представляют микрометеориты, находящиеся в космическом пространстве на пути его следования. При столкновении с обшивкой корабля они ее разрушают. А так как в данном проекте несущим корпусом является генератор магнитного поля, то при малейших его повреждениях возможна деформация магнитного поля в зоне реакции и, следовательно, нарушение работы двигателя. Есть два пути решения этой проблемы. Первый, это создание толстой прочной обшивки вокруг тора. Однако она многократно увеличит массу корабля, что пагубно скажется на его способности изменять скорость. Второй вариант - отталкивать микрометеориты при помощи магнитного поля тора. Но частицы в космосе имеют нулевой заряд, а значит, не взаимодействуют с магнитными полями. Вот тут и начинают выполнять полезную функцию частицы, вылетающие через центр тора. Они обладают зарядом и передают его частицам, находящимся перед кораблем. Они приобретают заряд и дальше отталкиваются магнитным полем корабля.

5.2 Проект «Дедал»

Этот проект был разработан группой ученых из британского межпланетного общества. Проектирование двигателя проходило с 1973 по 1978 г. Итогом был отчет о конструкции корабля и возможности его постройки.

Целью корабля «Дедал» была звезда Барнарда. На путь в 5.91 световых лет корабль должен был затратить 49 лет. Эти условия и определили в качестве силовой установки импульсный ТЯРД.

Корабль должен был состоять из двух ступеней и собираться на орбите Юпитера.

Камера сгорания в проекте «Дедал» должна была быть создана при помощи генераторов электромагнитного поля, создающих, как и в первом случае, магнитное поле в форме полуэллипса.

Оно и формировало камеру сгорания «Дедала». Внутрь с частотой 250 Гц планировалось подавать топливные мишени, поджигаемые лазерами и состоящие из полой дейтериевой сферы заполненной изнутри гелием-3. Гелий-3 не существует на Земле, поэтому его планировалось добывать на Юпитере при помощи автоматической станции. Это и обусловило то, что «Дедал» должен был быть собран там же. К сожалению, проект так и не был реализован.

В дальнейшем, с увеличением экспериментальных знаний, также было выявлено несколько ошибок в проектировании корабля.

Размещено на http: //www. allbest. ru/

5.3 Проект «Икар»

Этот проект - продолжение проекта «Дедал». В его основе лежат те же идеи и принципы. Разница состоит в том, что «Икар» будет отправлен к более близким звездам. В его конструкцию будут внесены некоторые изменения, согласно новейшим знаниям и исследованиям. Однако на данный момент этот проект пока что так и остается всего лишь проектом.

Проект «Икар»

Вывод

1 ноября 1952 года прогремел первый термоядерный взрыв. С тех пор в области термоядерной физики ведутся непрерывные исследования, ведь термоядерная реакция - практически неисчерпаемый источник энергии. Одно из направлений, в котором идут ученые - использование термоядерного синтеза в ракетных двигателях. Человечество уже совершило большой шаг на пути к созданию ТЯРД, но многие проблемы пока остаются неразрешенными. Главные из них - запуск термоядерной реакции и ее поддержание, и контроль выброса энергии. Современные материалы дают возможность построить космический корабль на ТЯРД, но встает вопрос о целесообразности таких дорогостоящих проектов и использовании совершенно новых, до этого не исследованных технологий. Наверное, в будущем, возможно даже недалеком, людям удастся взять под контроль энергию звезд, построить космические корабли и бороздить космос. Но пока мы можем только мечтать о полетах на термоядерной тяге.

Список литературы

1. Игорь Егоров, Дмитрий Мамонтов. Звездные корабли. Популярная механика. 2013. С. 44-50

2. Академик [электронный ресурс]. Статьи: Магнитные ловушки, Магнитная индукция, Напряженность электрического поля, Магнитное поле, Плазма, Кулоновский барьер ядра. Режим доступа: dic.academic.ru, свободный. Данные соответствуют 31.03.2013

3. Традиция русская энциклопедия [электронный ресурс]. Термоядерный ракетный двигатель. Режим доступа: http://traditio-ru.org, свободный. Данные соответствуют 31.03.2013

4. Membrana [электронный ресурс]. Ученые мечтают отправить к звездам термоядерный «Икарус». Режим доступа: http://www.membrana.ru/particle/15834, свободный. Данные соответствуют 31.03.2013

5. Проект «Дедал». Режим доступа: http://path-2.narod.ru/02/02/dedal.htm, свободный. Данные соответствуют 31.03.2013

6. Международный ежегодник "Гипотезы прогнозы наука и фантастика" 1991 год [электронный источник]. XXI век: строим звездолет. Александр Викторович Багров, Михаил Александрович Смирнов. Режим доступа: http://go2starss.narod.ru/pub/E003_XXIZ.html, свободный. Данные соответствуют 31.03.2013

Размещено на Allbest.ru