En termonukleär raketmotor (TNRE) är en lovande raketmotor för rymdflygningar, där den är tänkt att använda utflödet av produkter från en kontrollerad termonukleär reaktion eller en arbetsvätska som värms upp av energin från en termonukleär reaktion för att skapa dragkraft.
För närvarande föreslås två alternativ för utformningen av TNRD:
I det första fallet är driftprincipen och TNRD-anordningen följande: huvuddelen av motorn är en reaktor i vilken en kontrollerad termonukleär fusionsreaktion äger rum. Reaktorn är en ihålig "kammare" av cylindrisk form, öppen på ena sidan, den sk. en fusionsanläggning för öppen fälla (även kallad en magnetisk flaska eller corktron). Reaktorns "kammare" behöver inte nödvändigtvis (och till och med oönskat) vara helt förseglad, troligen kommer det att vara en lätt dimensionsstabil fackverk som bär magnetsystemets spolar. För närvarande anses det så kallade systemet vara det mest lovande. "ambipolär inneslutning" eller "magnetiska speglar" ( engelska tandem mirrors ), även om andra inneslutningsscheman är möjliga: gasdynamiska fällor, centrifugal inneslutning, omvänt magnetfält (FRC). Enligt moderna uppskattningar kommer längden på reaktions"kammaren" att vara från 100 till 300 m med en diameter på 1-3 m. Förhållanden skapas i reaktorkammaren som är tillräckliga för att starta termonukleär fusion av komponenterna i det valda bränslet par (temperaturer i storleksordningen hundratals miljoner grader, faktorer enligt Lawson-kriteriet ). Fusionsbränsle - en förvärmd plasma från en blandning av bränslekomponenter - matas in i reaktorkammaren, där en konstant fusionsreaktion äger rum. Magnetiska fältgeneratorer (magnetiska spolar av en eller annan design) som omger kärnan skapar fält med hög intensitet och komplex konfiguration i reaktorkammaren, som håller den termonukleära högtemperaturplasman från kontakt med reaktorstrukturen och stabiliserar de processer som sker i den. Zonen för termonukleär "bränning" (plasmafackla) bildas längs reaktorns längdaxel. Den resulterande plasman, som styrs av magnetiska styrsystem, strömmar ut ur reaktorn genom ett munstycke, vilket skapar strålkraft.
Det bör noteras möjligheten av multi-mode TNRD. Genom att injicera en relativt kall substans i strålen på en plasmafackla är det möjligt att kraftigt öka motorns totala dragkraft (på grund av en minskning av den specifika impulsen), vilket gör att ett fartyg med en TNR effektivt kan manövrera i gravitationsfält hos massiva himlakroppar (till exempel stora planeter) där en stor total dragkraft av motorn ofta krävs. Enligt allmänna uppskattningar kan en TNRD av ett sådant system utveckla dragkraft från flera kilogram upp till tiotals ton med en specifik impuls från 10 tusen sek till 4 miljoner sek. Som jämförelse är den specifika impulsen för de mest avancerade kemiska raketmotorerna cirka 450 sekunder.
Motorn av den andra typen är en tröghetsimpuls termonukleär motor. I en sådan motors reaktor sker en kontrollerad termonukleär reaktion i ett pulserat läge (bråkdelar av mikrosekunder med en frekvens på 1-10 Hz), med periodisk kompression och uppvärmning av mikromål (bränsle-"piller") som innehåller termonukleärt bränsle. Ursprungligen var det meningen att den skulle använda en lasertermonukleär motor (LTYARD). En sådan LTYARD föreslogs särskilt för en interstellär automatisk sond i Daedalus-projektet . Dess grund var en reaktor som arbetade i ett pulserat läge. En bränslepellet med termonukleärt bränsle (till exempel deuterium och tritium) matas in i reaktorns sfäriska kammare - en komplex konstruktion av sfärer från en blandning av frusna bränslekomponenter i ett skal med en diameter på flera millimeter. På den yttre delen av kammaren finns kraftfulla - ungefär hundratals terawatt - lasrar , nanosekundspulsen av strålning från vilken genom optiskt transparenta fönster i kammarens väggar träffar bränslepelleten. I det här fallet skapas en zon med en temperatur på mer än 100 miljoner grader vid ett tryck av miljoner atmosfärer på bränslepelletens yta - förhållanden tillräckliga för att starta en termonukleär reaktion. Det finns en termonukleär mikroexplosion med en kapacitet på flera hundra kilo TNT. Frekvensen av sådana explosioner i kammaren i Daedalus-projektet är cirka 250 per sekund, vilket krävde tillförsel av bränslemål med en hastighet av mer än 10 km / s med hjälp av en elektromagnetisk pistol. Den expanderande plasman strömmar ut ur den öppna delen av reaktorkammaren genom ett lämpligt utformat munstycke, vilket skapar strålkraft. Hittills har det teoretiskt och praktiskt bevisats att lasermetoden för att komprimera och värma bränslepellets är en återvändsgränd: det är omöjligt att bygga lasrar med sådan kraft med tillräcklig resurs. Därför anses för närvarande, för tröghetssmältning, en variant med jonstrålekompression och uppvärmning av bränslepellets vara mer effektiv, kompakt och med en mycket större fysisk resurs. Men sedan 2013, vid Livermore National Laboratory uppkallat efter Ernest Lawrence, mer än fyra gånger under loppet av experiment på de 192 laseranläggningarna i National Ignition Facility, har mer energi mottagits än som spenderades för att initiera reaktionen [1] .
Det finns emellertid en uppfattning om att tröghetspulsen TNRD kommer att visa sig vara för besvärlig på grund av de mycket stora krafterna som cirkulerar i den, med den specifika impulsen och dragkraften sämre än de hos TNRD med magnetisk retention, vilket orsakas av pulsperiodisk karaktär av dess verkan. Ideologiskt sett ligger explosioner på termonukleära laddningar av typen Orion-projekt i anslutning till TNRD på tröghetspulsprincipen .
TNRD kan använda olika typer av termonukleära reaktioner beroende på vilken typ av bränsle som används. I synnerhet är följande typer av reaktioner i grunden möjliga för närvarande:
2 H + 3 H = 4 He + n vid en energiutgång på 17,6 MeV
En sådan reaktion implementeras lättast ur modern tekniks synvinkel, ger ett betydande energiutbyte och bränslekomponenter är relativt billiga. Dess nackdel är ett mycket stort utbyte av oönskad (och värdelös för direkt skapande av dragkraft) neutronstrålning, som tar bort det mesta av reaktionens utenergi och, som ett resultat, kraftigt minskar motorns effektivitet. Tritium är radioaktivt och har en halveringstid på cirka 12 år. Det vill säga att långtidslagring av tritium är omöjlig. Samtidigt är det möjligt att omge deuterium-tritium-reaktorn med ett skal som innehåller litium: det senare, som bestrålas av ett neutronflöde, förvandlas till tritium, vilket stänger bränslecykeln i viss utsträckning, eftersom reaktorn arbetar i uppfödarläget. Således fungerar deuterium och litium faktiskt som bränsle för DT-reaktorn.
2 H + 3 He = 4 He + p. vid en energieffekt på 18,3 MeV
Förutsättningarna för att uppnå det är mycket mer komplicerade. Helium-3 är också en sällsynt och extremt dyr isotop. Den tillverkas för närvarande inte i industriell skala. Förutom det faktum att energiutbytet för denna reaktion är högre än för DT-reaktionen, har den följande ytterligare fördelar:
I reaktionen D- 3 He i form av neutroner frigörs endast ca 5 % av kraften (mot 80 % för DT). Cirka 20 % frigörs i form av röntgenstrålar. All resten av energin kan direkt användas för att skapa jet-framstöt. Således är D-3He-reaktionen mycket mer lovande för användning i TNRD-reaktorn.
Reaktionen mellan deuteriumkärnor (DD, monopropellant) D + D -> 3 He + n vid ett energiutbyte av 3,3 MeV, och
D + D -> T + p+ vid en energiutgång på 4 MeV. Neutronutbytet i denna reaktion är mycket signifikant.
Vissa andra typer av reaktioner är också möjliga:
p + 6 Li → 4 He (1,7 MeV) + 3 He (2,3 MeV) 3 He + 6 Li → 2 4 He + p + 16,9 MeV p + 11 B → 3 4 He + 8,7 MeVDet finns inget neutronutbyte i ovanstående reaktioner.
Valet av bränsle beror på många faktorer - dess tillgänglighet och låga kostnad, energiutbyte, lätthet att uppnå de villkor som krävs för fusionsreaktionen (främst temperatur), reaktorns nödvändiga designegenskaper och så vidare. De mest lovande för implementeringen av TNRE är de så kallade "neutronfria" reaktionerna, eftersom neutronflödet som genereras av termonukleär fusion (till exempel i deuterium-tritium-reaktionen) bär bort en betydande del av kraften och inte kan användas för att skapa dragkraft. Dessutom genererar neutronstrålning inducerad radioaktivitet i utformningen av reaktorn och fartyget, vilket skapar ytterligare en fara för besättningen. Deuterium-helium-3-reaktionen är lovande, också på grund av bristen på neutronutbyte.
För närvarande har ett annat koncept av TNRE föreslagits - att använda små mängder antimateria som en katalysator för en termonukleär reaktion.
Idén om att skapa en TNRD dök upp nästan omedelbart efter implementeringen av de första termonukleära reaktionerna (tester av termonukleära laddningar). En av de första publikationerna om utvecklingen av TNRD var en artikel publicerad 1958 av J. Ross. För närvarande pågår en teoretisk utveckling av sådana typer av motorer (särskilt baserad på termonukleär laserfusion) och i allmänhet omfattande praktisk forskning inom området kontrollerad termonukleär fusion. Det finns gedigna teoretiska och tekniska förutsättningar för implementering av denna typ av motorer inom överskådlig framtid. Baserat på de beräknade egenskaperna hos TNRE kommer sådana motorer att kunna säkerställa skapandet av höghastighets och effektiv interplanetär transport för utvecklingen av solsystemet. Men verkliga prover av TNRD vid tidpunkten för 2022 har ännu inte skapats.
| Motorer | |||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| |||||||||||||||||
| se även evighetsmaskin Kuggväxelmotor gummimotor | |||||||||||||||||