1. трохи фізики
2. межі дозволеного
3. Взриволет
4. справжні зорельоти
5. магнітні ракети
6. Вакуум на халяву
7. сили інерції
8. Токамаки в космосі
9. Повний бак

Перший термоядерний вибух, що пролунав 1 листопада 1952 року народження, дав людству надію не тільки на освоєння невичерпного джерела енергії, а й на створення принципово нових ракетних двигунів, здатних доставити наші космічні кораблі до далеких планет і навіть до сусідніх зірок.

«Планета є колиска розуму, але не можна вічно жити в колисці», - сказав Костянтин Ціолковський. Для польотів до Місяця або, наприклад, до Марсу досить існуючих хімічних ракетних двигунів. Але для того щоб літати далі, до зовнішніх планет Сонячної системи (або навіть найближчих зірок!), І не витрачати на це багато років і десятиліття, потрібні двигуни принципово нового типу. Не дивно, що ще в кінці 1950-х років виникла ідея використовувати для двигунів енергію, завдяки якій горять зірки, - енергію термоядерного синтезу.

трохи фізики

Будь-ракетний двигун створює тягу, викидаючи в навколишній простір речовина, яке називають робочим тілом. З дюз звичайних ракет закінчуються газоподібні продукти згоряння палива. У електроракетні двигуні робочим тілом служить потік плазми, розігнаної електромагнітними силами. У ядерному - водень або гелій, розігрітий енергією ділення ядер урану або плутонію.

Сила тяги будь-якого двигуна залежить від швидкості, з якою молекули робочого тіла викидаються з сопла. Піднявши температуру, можна збільшити енергію (і швидкість) молекул. Однак жароміцні матеріали і конструкції мають свої межі, до того ж підводиться енергія теж обмежена. А можна використовувати більш легкі молекули, оскільки при одній і тій же енергії їх швидкість буде більше. Ядерні двигуни, які можуть розігрівати легкий водень, в цьому відношенні мають серйозну перевагу перед хімічними, продукти згоряння яких істотно важче.

Крім власне тяги, дуже важливим показником ракетного двигуна є його питома імпульс (або питома тяга) - відношення сили тяги до витрати робочого тіла. Ця величина, що має розмірність м / с, характеризує ефективність двигуна. Теоретично вона дорівнює швидкості витікання робочого тіла, а на практиці може мати відчутні відмінності, тому її називають ефективною (еквівалентної) швидкістю витікання. Питома імпульс (в м / с) має й інший наочний фізичний зміст: чисельно цей час в секундах, протягом якого один кілограм палива може створювати тягу в 1 Н (або тяга в ньютонах, що досягається при щомиті викиді одного кілограма робочого тіла).

межі дозволеного

У 1897 році Костянтин Едуардович Ціолковський вивів знамениту формулу, визначальну максимальну кінцеву швидкість одноступінчастої ракети: вона дорівнює ефективної швидкості витікання робочого тіла (питомому імпульсу двигуна), помноженої на натуральний логарифм відносини початковій і кінцевій мас ракети. Перший множник визначається типом і конструкцією двигуна, а другий повільно зростає навіть при великій кількості палива. Наприклад, для того щоб розігнати ракету кінцевої масою 10 т до швидкості вище за другу космічну (11,2 км / с) за допомогою звичайних сучасних ракетних двигунів з імпульсом 3000 м / с, потрібно близько 500 т палива і окислювача.

Взриволет

Ще одна дуже оригінальна концепція термоядерного ракетного двигуна - проект «Оріон», який на повному серйозно розроблявся в США в 1950-1960-х роках. Він припускав використовувати для польоту ... сотні і тисячі ядерних боєголовок, що підривають одна за одною! Ядерні вибухи передбачалося виробляти позаду корабля, при цьому повинні були використовуватися спеціальні боєзаряди, що дають дві направлені струмені плазми, одна з яких потрапляла в спеціальну тягову плиту корабля, штовхаючи його вперед. Тяга також створювалася за рахунок випаровування масла, яким обприскували ця плита. Випаровування масла охолоджувало плиту, захищаючи її від руйнування. Згідно з розрахунками, питома імпульс повинен був становити десятки тисяч метрів в секунду, при цьому тяги вистачило б для старту з Землі. Були розроблені найрізноманітніші варіанти таких кораблів, починаючи від місячних і закінчуючи міжзоряними. В рамках проекту були створені макети, які використовують звичайні хімічні бомби, які довели можливість стійкого польоту за рахунок серії вибухів. Крім того, був проведений справжній ядерний вибух, в ході якого підтвердилася можливість створення тягової плити.

Навіть з урахуванням технології багатоступеневих ракет практично неможливо досягти швидкості, що перевищує питомий імпульс більш ніж в чотири-п'ять разів. Тому з самого початку космічних розробок серйозні сили були кинуті на збільшення ефективної швидкості витікання робочого тіла. Зараз кращі ракетні двигуни на хімічному паливі (водень-кисневі) лише наближаються до позначки 4500 м / с, і майже всі способи поліпшення їх характеристик вже вичерпані. Ядерні ракетні двигуни дозволили б збільшити температуру до десятків тисяч градусів, а швидкість витікання - приблизно до 20000 м / с, але навіть з такими двигунами політ корабля до зовнішніх планет Сонячної системи зайняв би роки. А про польоти до зірок і говорити не доводиться.

справжні зорельоти

Тим часом існує спосіб підняти швидкість витікання на багато порядків. Температура плазми при термоядерному синтезі становить не десятки тисяч, а мільйони градусів. Відповідно, теоретичний питомий імпульс при реакції дейтерію і гелію-3 становить 21 500 000 м / с, тобто більше 7% від швидкості світла, що потенційно дозволяє розігнати міжзоряний зонд до 25-30% від швидкості світла. Звичайно, потрібно залишити запас палива на гальмування, але і 10-15% світлової швидкості цілком достатньо для відправки безпілотних апаратів як мінімум до наших найближчих сусідів - зоряній системі Альфа Центавра.

Найбільш реалістичний варіант проекту «Оріон». Цей міжпланетний корабель розрахований на старт з орбіти, висновок в космос повинен був здійснюватися ракетою-носієм Сатурн-V.

Правда, це тільки в теорії. Справа в тому, що потужність ракетного двигуна дорівнює половині твори його тяги (Н) на його питомий імпульс (м / с). Потужність, наприклад, двигуна першого ступеня ракети-носія «Зеніт» РД-171 з тягою 806 тс і питомим імпульсом 3300 м / с - 13 ГВт (у два рази більше Саяно-Шушенській ГЕС!). Термоядерний двигун такої ж потужності з питомим імпульсом в 21 500 000 м / с матиме тягу всього 123 кгс, і розгін до скільки-небудь істотних швидкостей займе довгі роки. У цієї проблеми може бути два рішення. По-перше, можна спробувати збільшити потужність двигуна. Але, на жаль, навіть 13 ГВт потужності (вихідний, а не термоядерної!) Виглядають важкодосяжним на практиці. По-друге, можна знизити питомий імпульс. Вже 100 000 м / с відкриють нам абсолютно нові можливості освоєння Сонячної системи. При цьому 1 ГВт вихідної потужності буде відповідати 20 000 Н або більше 2 тс тяги - цілком достатньо навіть для важкого (сотні тонн «сухий» маси) міжпланетного корабля, не призначеного для входу в атмосферу.

магнітні ракети

За рідкісним винятком, усі проекти термоядерних ракетних двигунів з магнітним утриманням ґрунтуються на так званих відкритих магнітних пастках - циліндрах, з торців яких закінчується потік плазми. Якщо для енергетичного реактора такі втрати плазми є серйозною проблемою, то для термоядерного двигуна це сенс його роботи, так як саме потік плазми з торця двигуна і створює тягу. Питома імпульс двигуна визначається температурою плазми і може досягати декількох мільйонів метрів в секунду. Напуск в районі торця двигуна додаткового робочого тіла (звичайного водню) може більш ніж на порядок підвищити тягу двигуна (природно, на шкоду питомому імпульсу).

Найпростіший варіант такого двигуна - пробкотрон, що складається всього з двох магнітних котушок, пробок, розташованих на деякій відстані один від одного. Іноді посередині додають менш потужні котушки, які дозволяють управляти профілем магнітного поля між пробками. При досить великому розмірі в пробкотрон може проходити термоядерна реакція, що виділяє трохи більше енергії, ніж витрачається на її підтримку. Але, на жаль, зовсім ненабагато і тільки при роботі на суміші дейтерію і тритію. Оскільки ККД перетворення теплової енергії в електричну невеликий, пробкотрон завжди буде вимагати для своєї роботи підведення енергії ззовні. Якщо згадати, які потужності необхідні для створення суттєвої тяги при великому питомому імпульсі, вийде, що для живлення двигуна нам буде потрібно повномасштабна космічна АЕС. В таких умовах простіше відмовитися від термоядерного реактора і використовувати куди більш просту і істотно краще відпрацьовану зв'язку з АЕС і електрореактивних двигунів.

Розвитком ідеї пробкотрон є многопробочная пастка (з гофрованим полем). У першому наближенні шляхом збільшення її довжини можна досягти як завгодно хорошого утримання плазми, аж до запалювання самоподдерживающейся термоядерної реакції, що не вимагає підведення енергії ззовні. З урахуванням високої щільності плазми, яку можна досягти в пастці такого типу, вона справляє враження дуже перспективного кандидата. На жаль, є дві проблеми, істотно знижують перспективність цього напрямку. Перша - це втрати плазмою енергії поперек магнітного поля, які для установок великої довжини, швидше за все, стануть основними. Друга проблема полягає в тому, що навіть для суміші дейтерію і тритію (1: 1) необхідна довжина двигуна складе близько 1 км, а це на порядок перевершує розмір МКС (для інших видів палива розміри двигуна будуть ще більше).

Вакуум на халяву

Однією з найважливіших проблем термоядерного синтезу є взаємодія стінок вакуумної камери і плазми. Воно суттєво погіршує параметри плазми, а сама стінка руйнується. Термоядерні ракетні двигуни передбачається використовувати тільки в космосі, так що космічний вакуум дозволяє прибрати з конструкції стінку, залишивши лише невеликі захисні накладки на магнітних котушках. Це істотно полегшить завдання запалювання термоядерної плазми. Потенційно може трапитися так, що перші термоядерні двигуни почнуть працювати раніше, ніж наземні термоядерні електростанції.

Іншим розвитком пробкотрон є газодинамическая плазмова пастка, в якій довга область з однорідним магнітним полем відносно невеликий напруженості з обох кінців закінчується потужними магнітними пробками або парами пробок (додатковими пробкотрон з потужним полем). Позитивне властивість такої пастки - добре передбачувана поведінка плазми в ній. Однак її довжина, як і в разі многопробочной пастки, повинна буде становити близько кілометра або більше навіть при дейтерій-тритієвого паливі.

Найбільш проста відкрита плазмова пастка - пробкотрон. У найпростішому випадку вона складається всього з двох магнітних котушок. Розвиток пробкотрон - многопробочная і газодинамическая пастки.

Ще один варіант відкритих пасток - це пастки з амбіполярним утриманням плазми. У найпростішому випадку це система з трьох пробкотрон: один центральний з дуже великою довжиною і два маленьких на торцях. Безперервно подається розігріта плазма в торцевих пробкотрон не дає йти плазмі з центрального пробкотрон. Зробивши центральну частину досить довгою, ми завжди можемо виробляти в ній більше енергії, ніж потрібно для підтримки плазми в кінцевих ділянках. Така пастка теоретично повинна вийти помітно коротше газодинамической або многопробочной. Але є у неї і недоліки. По-перше, обов'язкова інжекція плазми в кінцевих ділянках і нагрів її там, на що потрібні десятки і навіть сотні мегават. Таким чином, реактор повинен стати не тільки двигуном, а й основою повномасштабної електростанції для підтримки власної роботи. По-друге, конфігурація електромагнітного поля в амбіполярной пастці куди складніше, ніж в інших типах відкритих пасток, а обсяг експериментальних даних недостатній. Так що поки говорити про здійсненності такого двигуна занадто рано.

сили інерції

У пастках з магнітним утриманням питомий імпульс обмежений температурою плазми, яка, в свою чергу, обмежена конструкцією. А ось інерційних ядерний синтез потенційно дозволяє отримати питомий імпульс порядку 10 000 000 м / с (близько 3% від швидкості світла), що робить його ідеальним варіантом для міжзоряних зондів. Саме цей принцип був використаний у відомому проекті зорельота «Дедал», який розроблявся групою спеціалістів з Британського міжпланетного товариства в 1970-х роках. Його ж використовує розробляється зараз спадкоємець «Дедала» - «Ікар».

Інерційних синтез. Основна ідея инерциального синтезу полягає в рівномірному опроміненні крупинки термоядерного палива потужними потоками частинок (фотонів, іонів, електронів), що призводить до її стиску і розігріву.

Термоядерні двигуни на инерциальном синтезі - це імпульсні термоядерні реактори, доповнені магнітним соплом для продуктів реакції. Оскільки запалювання реакції, що самопідтримується тут принципово неможливо, реактор повинен бути не тільки двигуном, але і електростанцією для забезпечення енергією самого себе. Причому його електрична потужність повинна становити як мінімум 10% від потужності реактивного струменя. Розрахунки показують, що при тязі двигуна всього 2000 Н (204 кгс) і питомому імпульсі 10 000 000 м / с нам буде потрібно потужність ракетного двигуна в 10 ГВт, а електрична - не менше 1 ГВт. Це потужність цілого енергоблоку великої АЕС.

Крім того, немає підстав вважати, що в скільки-небудь осяжному майбутньому будуть створені космічні лазери, придатні для обтиску мішеней такого двигуна. Єдиним реалістичним варіантом можна вважати використання пучків важких іонів. Але і вони, з потрібними характеристиками, ще не створені навіть для наземних установок.

Глобус-М. Експериментальний зал ФТИ РАН зі сферичним токамака Глобус-М. Нащадки цієї установки можуть стати основою як наземної електростанції, так і термоядерного ракетного двигуна.

Токамаки в космосі

Майже всі автори проектів термоядерних двигунів ігнорують токамаки, посилаючись на складність здійснення відбору плазми для реактивного струменя. Але вони помиляються.

На зорі термоядерних досліджень передбачалося, що в токамаке плазма буде надійно утримуватися. Однак швидко з'ясувалося, що плазма поперек магнітного поля йде на стінку установки і руйнує її. Одним з найбільш ефективних способів вирішення цієї проблеми виявилася концепція дивертора. Суть її в тому, що в конфігурації магнітного поля створюється чітка межа - сепаратріси. Усередині сепаратріси плазма максимально добре утримується, але за її межами майже миттєво йде на спеціальні пластини в нижній (найчастіше) частини установки, яка і називається дивертором.

Таким чином взаємодія між термоядерної плазмою і стінкою істотно послаблюється. Ніщо не заважає використовувати плазму, що перетинає сепаратріси і йде в дивертор, для створення тяги в ракетному двигуні. Напуск водню в область дивертора дозволить, як і в випадку відкритих пасток, на порядок підвищити тягу, пожертвувавши питомим імпульсом.

Найважливіша перевага токамака перед усіма іншими концепціями термоядерних ракетних двигунів - максимальна отработанность цього типу магнітних пасток. Якщо параметри створених відкритих магнітних пасток гірше необхідних в сотні разів, то параметри токамаков потрібно поліпшити всього на порядок. Крім того, напрацювання з термоядерного ракетного двигуна виявляться вкрай корисними для наземних термоядерних електростанцій. Розрахунки показують, що сферичний токамак з сильним магнітним полем, що працює на суміші 98% дейтерію і 2% тритію, здатний розвивати вихідну потужність близько 300 МВт. Об'єднуючи декілька таких токамаков, можна отримати тягу близько 1000 кгс при питомій імпульсі в 350 000 м / с, при цьому витрата дейтерію складе 1,5 г / с, а водню, що використовується як додаткове робоче тіло, - близько 26 г / с. Корабель «сухий» масою 565 т, що несе 35 т дейтерію і 600 т водню, зможе розігнатися до швидкості 65 км / с, загальмувати, знову розігнатися до цієї швидкості і знову загальмувати. Такі параметри дозволяють укласти тривалість експедиції до Сатурну в два роки.

Повний бак

На чому ж працюватимуть зорельоти? Вибір палива - окрема серйозна проблема. Найпростіше запустити реакцію в суміші дейтерію і тритію 1: 1. Однак з її використанням є великі проблеми. Тритій в природі не зустрічається, його необхідно отримувати штучно. Необхідну кількість при цьому складуть десятки тонн, що у багато разів перевищує можливості його виробництва за всю історію! Крім того, він радіоактивний (хоча і слабо) і завдяки цьому саморазогревается, так що його практично неможливо зберігати в зрідженому вигляді, а зберігати під тиском, та ще й охолоджувати - не найпростіше завдання.

Тому логічним рішенням представляється виробництво тритію з літію прямо в двигуні, як це планується робити на термоядерні електростанції. Але за один прохід через реактор встигає прореагувати лише частка відсотка термоядерного палива (в реакторах з інерціальним утриманням - до 10%). В електростанції вся відпрацьована (потрапила в дивертор) плазма збирається, і тритій може бути використаний повторно. Але в двигуні ця плазма викидається, так що на один атом тритію, який вступив в реакцію, потрібно провести сотні нових. Однак це неможливо: один термоядерний нейтрон в кращому випадку може призвести два атома тритію.

Використання суміші дейтерію і гелію-3 дозволяє максимум термоядерної енергії задіяти у виробництві тяги, так як «горіння» такої суміші дає куди менше нейтронів і більше швидких заряджених частинок. Гелій-3 стабільний і абсолютно безпечний. Але його на Землі немає. Єдине джерело гелію-3 - розпад тритію, так що виробництво його в кількості десятків тонн - ще більш складне завдання. Теоретично гелій-3 можна добувати на Місяці, але для цього буде потрібно створення потужної космічної інфраструктури (для чого якраз дуже придався б термоядерний ракетний двигун). Варто відзначити ще дві проблеми суміші дейтерію і гелію-3: по-перше, вона вимагає значно більшої температури і часу утримання плазми, а по-друге, дає меншу потужність на одиницю об'єму плазми.

Тому перші термоядерні ракетні двигуни будуть працювати або на чистому дейтерії, або на дейтерії з невеликою (не більше кількох відсотків) домішкою тритію. Недоліки у цього палива такі ж, як і у суміші дейтерію і гелію-3, плюс ще потужне нейтронне випромінювання. Зате дейтерій відносно дешевий і доступний практично в необмежених кількостях. Концентрація домішки тритію буде визначатися тим, скільки його вдасться зробити з літію. Навіть невелика домішка цього ізотопу може дозволити істотно підвищити термоядерну потужність реактора.

Стаття «Зоряні кораблі» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №4, Грудень 2013 ).