О космическом термояде
Автор: chameleonО космическом термояде
Есть такая волшебная штука - термояд. Он может принести нам сотни нефти и тонны энергии, и порой уже приносит, но речь об управляемом термоядерном синтезе.
Но в этот раз вообще всё началось с идеи - у меня в симуляторе есть магнитоплазменные ускорители, способные разогнать плазму до сотен км/с.
А давайте возьмём два и направим пучки друг в друга, вдруг синтез пойдет и получится ТЯРД?!
Не пошло. Выжать хотя б дейтерий-тритиевые условия - скорость встречных пучков примерно 900 км/с - не получается даже на очень широких дисках МПД. “Краевые эффекты и эрозия”
И это только первая проблема. Вторая проблема - во встречных пучках слишком редки столкновения. Так что даже если поставить туда другие ускорители, поэффективнее, которые могут набрать той же мощностью нужные скорости дейтронов в узком пучке - не вытягивает.
Пришлось почесать затылок и вспомнить схему новосибирского пробкотрона. С мишенью-плазменным шнуром, столкновению не ионов, а уже нейтрализованных атомов и т.д.
И вот загнав её описание (единственная деталь - диаметр пятна, в которое фокусируется пучок = 0.1 мм) в дипсик, он начал рисовать мне приятные цифры даже для схемы D+D.
Потому как главное в ТЯРД то, что в отличие от простых плазменных движков из ТЯРДа можно получить в выхлопе больше энергии, чем было потрачено! Ну как в ЖРД - ибо реакция синтеза порождает тонны энергии.
Краткий итог - КПД в 4000-5000%, т.е. на выходе энергии больше в 40-50 раз, мощность на выходе 80-100 МВт, мощность на входе 2 МВт, расход топлива 0.3 г/с, скорость истечения продуктов синтеза 2,2 мегаметра в секунду, тяга 80 Ньютон. В год работы итого термоядерного топлива D+Li6 (LLM считает оптимальным его, в частности по выходу в чистых альфа-частицах) нужно 9,5 тонн.
А если добавить ещё систему отлова излишне шустро утекающей плазмы, то расход можно уменьшить ещё на полтора-два порядка, и расход на год непрерывной тяги будет 150 кг.
Плюс питание ТЯРД от ядерного реактора сожрёт пару килограмм урана-235, что соответствует примерно 800 кг урана природного. А вся конструкция тянет на примерно 100 тонн.
Плюс к этим килограммам и тоннам можно добавить рабочего тела для режима высокой тяги - когда мы не альфа-частицы в выхлоп пускаем, а греем ими какой-нибудь метан. Ну не всегда нужен высокий импульс и низкая тяга. Получим в разы меньше импульс и в разы выше тяги.
Ну и получаем - правда, дипсик рекомендует одноатомные газы типа гелия в роли такого рабочего тела - 40 км/с скорости истечения и 3 килоньютона тяги. Тоже немного тяги, но уже прилично для корабля например в 400 тонн массы.
Сводная таблица масс компонентов (100 МВт)
Компонент Масса (тонн) Примечание / Основание расчета
1. Термоядерный двигатель (пробкотрон) 30-40 Оценка на основе масштабирования ИТЭР : при объеме плазмы 0.7 м³, поле 15-18 Тл, сверхпроводящие магниты
2. Магнитный сепаратор 10.5-16 Среднее ~13 тонн. Расчет из предыдущего ответа: сверхпроводящие магниты (6-8 т), криостат (2-3 т), вакуумная камера (1-2 т), системы сбора (1-2 т)
3. Форсажная камера (гелий) 5-8 Длина 10-15 м, диаметр 1-2 м, титан/нержавейка с охлаждением, плюс система впрыска и подачи
4. Ядерный реактор на быстрых нейтронах ~15-20 По аналогии с космическими ЯЭУ мегаваттного класса (проект "Транспортно-энергетический модуль"): реактор ~5-8 т, турбина/генератор ~5-7 т, защита ~3-5 т
5. Радиаторы охлаждения реактора ~30-35 При мощности 100 МВт тепловых (КПД ~30%, сброс ~70 МВт). Традиционные панельные радиаторы - неподъемная масса . Капельный холодильник-излучатель (КХИ) снижает массу до 0.3-0.35 кг/кВт
ИТОГО (полная масса) ~90-115 тонн Сумма по верхней границе
Запас топлива (⁶LiD на 10 лет) ~0.12 тонн (120 кг) С рекуперацией плазмы, без тритиевого цикла
Запас гелия (на 10 дней форсажа) ~67 тонн При расходе 78 г/с, 6.7 т/сутки
---
Детализация по компонентам
1. Термоядерный двигатель (пробкотрон) — 30-40 т
· Магнитная система: Сверхпроводящие магниты с полем 15-18 Тл. По аналогии с ИТЭР, но для компактного реактора (0.7 м³) масса снижается пропорционально объему. На форуме astronomy.ru обсуждалась оценка: "Масса такого реактора составляет менее 15 тонн" — но это для более оптимистичного сценария, мы берем с запасом.
· Конструкция: Вакуумная камера, криостаты, системы диагностики и управления.
2. Магнитный сепаратор — 10.5-16 т
· Принцип: Плазмооптический масс-сепаратор со скрещенными полями для разделения продуктов реакции (гелий, протоны) и непрореагировавшего топлива (D, Li-6).
· Оценка: Для потока плазмы 0.126 г/с и эквивалентного ионного тока ~2700 А масса сверхпроводящей системы составит ~10-15 тонн (предыдущий расчет).
3. Форсажная камера (гелий) — 5-8 т
· Размеры: L = 10-15 м, D = 1-2 м. Объем ~10-50 м³.
· Конструкция: Титановый или стальной кожух с охлаждением (тепловой поток 10-20 кВт/м²), система впрыска гелия, магнитное сопло.
· Аналогия: Корпус ракетного двигателя подобной тяги (~3 тонны) весит ~1-2 т, здесь добавляем длину и охлаждение.
4. Ядерный реактор на быстрых нейтронах — 15-20 т
· Контекст: Для питания ускорителей (2.5-3 МВт электрических) нужен источник мощностью ~10 МВт(э) с учетом КПД преобразования.
· Аналоги: Проект "Транспортно-энергетический модуль" (мегаваттный класс) — реактор ~5-8 т, турбогенератор ~5-7 т, радиационная защита ~3-5 т. Для 10 МВт(э) масса масштабируется до 15-20 т.
5. Радиаторы охлаждения — 30-35 т (капельные!)
· Проблема: При электрической мощности 10 МВт(э) и КПД 30%, тепловых потерь ~23 МВт, но если считать полную тепловую мощность реактора (с учетом термоядерного нагрева) — нужно отводить ~70-100 МВт тепла.
· Ключевая информация из МЭИ : "При мощностях 100 МВт и выше полезная нагрузка вообще может стать нулевой" для панельных радиаторов. Решение — капельный холодильник-излучатель (КХИ).
· Удельная масса КХИ: ~0.3-0.35 кг/кВт . Для 100 МВт тепловых: 100 000 кВт × 0.35 кг/кВт = 35 тонн.
Баланс масс для разных режимов
Режим полета Что работает Задействованная масса
Межпланетный перелет Реактор (15-20 т) + двигатель (30-40 т) ~50-60 т
Активные маневры + сепаратор (13 т) + форсаж (5-8 т) ~70-80 т
Форсаж с гелием + запас гелия (67 т на 10 суток) ~140-150 т
Полная конфигурация Все компоненты + топливо ~90-115 т (без гелия)
Оценка циферок конечно спотолочная, но для взятых с потолка аналогий вполне, вполне. Как ориентир и для литературы - почему б нет? Как ориентир - то бишь в два раза меньше или в два раза больше без всяких проблем.
Кстати, в расчетах наблюдается резкий рост Q при увеличении мощности. И несколько более мощный реактор сможет добиться резко большей выгоды от термоядерного топлива. По крайней мере, LLM так считает:
Примем консервативно: P_fus ∼ P_in² (квадратичный рост) — это типично для открытых ловушек при увеличении плотности и температуры в оптимуме.
И тогда добиться мощности в 1.6 ГВт можно уже на 4х входной мощности. А там и тераватты недалеко - ещё в 1000 раз увеличить, значит, ещё 13х на вход. 17х2 МВт на входе - всего 34 МВт, плюс охлаждение форкамеры... Ещё три порядка - это уже в разы больше 100 МВт тяжёлого марсианского корабля на входе (34*13 = 400 МВт), да и простые расчеты говорят, что охлаждение промежуточных механизмов уже требует радиаторов сравнимой мощности, но на выходе-то целый тераватт О_о 144 ГВт, а охлаждение - меньше гигаватта.
Знаете, кажется, проклятие радиаторов не такое суровое :)
Сравнение с привычными масштабами
Объект | Масса (т) | Тяга (тс) | Мощность (ГВт)
SpaceX Starship (полный) | ~5 000 | ~7 500 | ~200 (хим.)
Наш двигатель (400 МВт вх) | ~5000 | 440 | 144 (термояд)
А реальных пацанов на черных кораблях обоснованно стоит бояться ;)