Способ и устройство для нагрева газа при помощи тонкого слоя ядерного топлива, а также космический двигатель, использующий этот способ

Группа изобретений относится к ракетной технике и предназначена для нагрева газов с использованием деления атомного ядра. Способ нагрева газа характеризуется тем, что газ вводят в, по меньшей мере, одну камеру. Камера имеет стенку, покрытую расщепляющимся материалом. Расщепляющийся материал подвергают воздействию потока нейтронов для индуцирования расщепления, за счет которого фрагменты расщепления выделяются внутрь камеры. Указанную стенку камеры охлаждают с задней стороны по отношению к камере и указанному покрытию. Кроме этого, имеется устройство для осуществления этого способа. Устройство для нагрева газа включает, по меньшей мере, одну камеру для помещения в нее газа. Камера имеет стенку, покрытую расщепляющимся материалом, и приспособление для воздействия на расщепляющийся материал потоком нейтронов для индуцирования и выделения фрагментов расщепления внутрь камеры. Устройство выполнено с возможностью охлаждения указанной стенки камеры с задней стороны по отношению к камере и указанному покрытию из расщепляющегося материала. Кроме этого, имеется космический двигатель, использующий указанный способ для нагрева газа. Космический двигатель включает устройство для нагрева газа и приспособление для выброса нагретого газа в космос для создания тяги. Группа изобретений направлена на создание альтернативного пути нагрева газа с помощью реакции деления ядра, который подходит для применения в космических двигателях для создания тяги. 3 н. и 39 з.п. ф-лы, 24 ил., 4 табл.

 

Область техники, к которой относится изобретение.

Настоящее изобретение относится к использованию деления атомного ядра для нагрева газов. Этот процесс находит применение, в частности, в области создания ракетных двигателей для полетов в дальний космос.

Уровень техники

Хотя на Земле в настоящее время ядерная энергия конкурирует с другими видами энергии, ее уникальные особенности делают ее практически незаменимой в случае путешествий в дальний космос для реального достижения далеко идущих целей исследования человеком Марса, спутников других планет и астероидов.

Инициированное нейтронами расщепление является предпочтительной ядерной реакцией для практического производства энергии, благодаря значительному энергетическому выходу (200 МэВ) и возможности поддерживания реакции с помощью вторичных нейтронов.

Существующее состояние уровня техники в области ядерных космических ракетных двигателей представлено, в частности, проектом NERVA (см. "Nuclear thermal rockets: next step to space", Aerospace America, June 1989, pages 16-29; или R.W. Bussard et al. "Nuclear Rocket Propulsion", McGraw-Hill, New York, 1958). В соответствии с проектом NERVA энергия, производимая за счет реакции расщепления, выделяется из топливных стержней в виде высокотемпературной тепловой энергии. Для обеспечения теплового потока от топлива к ракетному топливному газу температура топливного газа должна быть несколько ниже, чем рабочая температура топлива, которая в свою очередь ограничена при высоких температурах механической прочностью и стабильностью топливных стержней. Кроме того, чтобы обеспечить надежный перенос тепла к топливному газу, давление газа, имеющего высокую температуру, должно быть очень высоким, порядка 150 бар (1 бар = 10⁵ Па).

Скорость истечения v_exh ракетного двигателя ограничена энтальпией и конечной температурой энерговыделяющей реакции и пропорциональна так называемому удельному импульсу. Удельный импульс I_sp определяется как I_sp=v_exh/g, где g=9.81 мс^-2 является ускорением силы тяжести. Он представляет собой промежуток времени, в течение которого заданная масса топливного газа может осуществлять силу тяги, равную его весу. Химические ракетные двигатели, использующие жидкий водород и кислород, обычно работают при температурах выхлопа 3600 К в стехиометрических условиях с эффективным молекулярным весом А, примерно равным 11, что ограничивает удельный импульс до 450 с. Двигатели типа NERVA действуют несколько лучше и позволяют увеличить удельный импульс до примерно 950 с. Однако это преимущество возникает в основном благодаря снижению эффективного молекулярного веса (удельный импульс пропорционален 1/) за счет использования чистого газообразного водорода (А=2 вместо А=11), а не из-за увеличения температуры выхлопа.

Фактически ожидается, что ракеты NERVA будут работать при более низких температурах, чем химические ракеты (3000 К), за счет, как уже было отмечено, материальных ограничений ядерного реактора. Огромное количество энергии, доступной за счет процесса расщепления, остается по большей части неиспользованным, во-первых, из-за ограничений размеров, связанных с минимальной критической массой, требующейся для поддержания цепной реакции деления, и, во-вторых, из-за сложности извлечения тепла из реактора при достаточно высоких температурах. Тем не менее о двигателе NERVA часто упоминают как о пока единственном реальном кандидате в двигатели для пилотируемого полета на Марс.

Двигатель NERVA по существу представляет собой неизолированный реактор на быстрых нейтронах, что является серьезным недостатком для ядерных двигателей, осуществляющих движение в пространстве. Рассмотрим, например, установку из трех двигателей NERVA, как описано в недавнем отчете NASA о полете на Марс ("Human Exploration of Mars: The Reference Mission of the NASA Mars Exploration Study Team", (включая Addendum V3.0, June 1998). Установленная мощность составляет около 1 ГВт, и из двигателей будет выбрасываться примерно 3.2×10¹⁹ быстрых нейтронов в секунду. Стандартная разрешенная доза не превышает 10 н/см²/с и достигается только на неэкранированном расстоянии 5000 км.

Кроме того, утечка нейтронов будет также затруднять одновременную работу нескольких находящихся рядом двигателей NERVA, как указано в вышеупомянутом отчете. Действительно, реактор, даже если он выключен согласно контрольной шкале, все-таки представляет собой размножающее устройство в докритическом состоянии и будет вырабатывать энергию при облучении нейтронами из находящихся рядом двигателей. Например, если всего лишь 1% нейтронов из одного двигателя попадет в соседний блок, он раскачается на полную мощность. Если он уже включен, дополнительного поступления нейтронов будет достаточно, чтобы привести его в критическое состояние. Объединенная система контроля мешающих друг другу реакторов очень сложна и нереальна для применения в пилотируемых полетах в космос.

Для любого двигателя, использующегося для межпланетного путешествия, остаточный поток нейтронов вне двигателя должен быть достаточно малым, чтобы двигатель мог работать не слишком далеко от Космической Станции (ISS), которая считается основным "местом стыковки" в межпланетном путешествии. Кроме того, доза, полученная командой, должна быть также мала по сравнению с неизбежно получаемой дозой фонового космического излучения, которая составляет примерно до 40 рад/год.

Потенциальные особенности нескольких ядерных устройств для космических ракетных двигателей сверх потенциальных возможностей NERVA были проиллюстрированы в нескольких статьях (Т.Kammash, ed., "Fusion Energy in Space Propulsion", AIAA Progress in Astron. And Aeron., Vol. 167, AIAA, NY, 1995; или N.R.Schuize, "The NASA-LEWIS Program on Fusion Energy for space Power and Propulsion", Fusion Technology, 19-1, pages 11-28, 1991). В большей степени они основаны на слиянии или синтезе, чем на делении, прежде всего потому, что этот процесс позволяет использовать заряженные продукты реакции для непосредственного нагрева истекающих газов до высоких температур в форме плазмы.

Оба способа и инерционного, и магнитного удержания слияния были глубоко изучены. Выбор в качестве рекомендации был продиктован очевидным доказательством того, что ионизирующие продукты реакции, которые используются для нагрева топливного газа, гораздо проще извлечь из устройства с магнитным удержанием (МС), чем с инерционным (IF).

Однако огромные фундаментальные и технологические проблемы пока препятствовали практической реализации устройства для производства энергии за счет ядерного синтеза на Земле, а тем более в космосе. Установки для ядерного синтеза, в особенности МС, неизбежно представляют собой устройства очень большого размера с очень сложной техникой, и они едва ли могут быть адаптированы к условиям длительного межпланетного перелета.

Другая концепция ядерных ракетных двигателей, основанных на расщеплении ядра, представляет собой так называемый двигатель с плазменной ядерной тягой. Имеются в виду коаксиальная система потока и двигатели с ядерным запуском (см. R. Ragsdale et al., « Gas Core Rocket Reactors - a New Look », NASA TM X-67823, 1971; и J.D. CLEMENT et al. /«Gas Core Reactor Technology», Reactor Technol. 13-3, 1970). В этих устройствах расщепляющийся материал (обогащенный ²³⁵U) нагревают до температуры плазмы, вплоть до 50000 К, и используют его излучение для нагрева газообразного водорода. Это непростая задача, поскольку водород и большинство других легких газов являются оптически прозрачными при температуре менее чем 15000 К для всех видов излучения, кроме собственного.

Обычно ожидается, что коаксиальный проточный плазменный реактор для двигателя с космической тягой будет работать с мощностью 6000 МВт, производя удельный импульс I_sp=4000 с. Диаметр полости составляет около 4 м, давление находится в интервале от 400 до 600 бар и общий вес составляет порядка 500 тонн. Критическая масса составляет от 40 до 80 кг ²³⁵U. Однако не ясно, каким образом такая масса может быть на старте переведена из твердого состояния в состояние плазмы.

Концепция двигателя с ядерным запуском в отличие от коаксиальной проточной системы предусматривает вместимость всего топлива в пределы проницаемой конструкции с охлаждаемыми изнутри стенками, обходя таким образом проблему смешивания топлива с топливным газом с последующей потерей в выхлопе. Расщепляющаяся плазма удерживается в удалении от проницаемых стенок при помощи впрыскиваемого по касательной вихревого потока буферного газа, который рециркулируют, при этом потери урана возвращаются и рециркулируют в плазму. Иначе - принцип работы тот же самый, что и у коаксиального проточного плазменного реактора. Типичные данные для двигателя с ядерным запуском следующие: мощность 4600 МВт; удельный импульс I_sp=1870 с; вес 35 тонн, крайнее значение температуры топлива 5000 К и давление 500 бар.

Эти концепции были подробно исследованы, хотя не было проведено никаких испытаний. Ожидается, что эта технология будет сложной, причем главная трудность состоит в контроле критического состояния урановой плазмы. На самом деле изменение коэффициента размножения не более чем на 0,7% - если оно сразу же не скомпенсировано с помощью контрольной панели - может привести к немедленной аварии из-за критического состояния. В случае плотного расщепляющегося материала без учета воздействия отражателя критическая масса пропорциональна величине, обратной квадрату плотности. Кроме того, поперечные сечения, а значит, и критическая масса являются функциями температуры. Более того, не понятно, каким образом может быть реализована эффективная и безопасная система контроля с учетом быстрого движения внутренней активной зоны (расщепляющейся плазмы и окружающего газа) и возможного возникновения гидродинамической неустойчивости.

Задачей настоящего изобретения является предложение альтернативного пути нагрева газов с помощью реакций деления ядра, который подходит для применения в космических двигателях для создания космической тяги.

Раскрытие изобретения

В настоящем изобретении предлагается способ нагрева газа, заключающийся в том, что газ вводят, по меньшей мере, в одну камеру, имеющую стенку, покрытую расщепляющимся материалом, и этот расщепляющийся материал подвергают воздействию потока нейтронов для инициирования расщепления, в результате чего фрагменты расщепления выделяются внутрь камеры.

Большая часть инициированной расщеплением энергии выделяется в форме кинетической энергии указанных фрагментов расщепления (ФР). Расщепляющееся покрытие камеры обеспечивает по существу двухмерное топливо таким образом, что значительная часть ФР выбрасывается из слоя внутрь объема, содержащего газ. Следовательно, кинетическая энергия ФР переносится на газ, эффективно нагревая его.

Предпочтительно инициирование расщепления происходит в критических условиях, хотя докритические положения также могут быть рассмотрены.

Стенка камеры охлаждается с ее задней стороны по отношению к камере и покрытию из расщепляющегося материала. Охлаждающей средой может быть жидкий металл, такой как ⁷Li.

В обычном варианте осуществления изобретения содержание расщепляющегося вещества в покрытии из расщепляющегося материала составляет менее чем 10 мг/см², предпочтительно в пределах от 1 до 3 мг/см², обеспечивая оптимальное согласование начала реакции расщепления и выделения ФР.

Предпочтительным расщепляющимся изотопом для покрытия из расщепляющегося материала является ^242mAm. Другими изотопами, которые можно использовать, являются ²³³U, ²³⁵U и ²³⁹Pu. Расщепляющийся материал может быть в форме карбида.

Чтобы увеличить эффективность нейтронов, камеру, например, трубчатой формы располагают внутри оболочки, окруженной нейтронным отражателем, включающим, например, углерод, бериллий и/или оксид бериллия. Обычно внутри оболочки, окруженной нейтронным отражателем, может быть размещено множество камер для приема нагретого газа. В предпочтительном варианте осуществления изобретения нейтронный отражатель включает слой углеродного материала, окружающий оболочку, причем толщина указанного слоя в см составляет по меньшей мере 50/d (в см), предпочтительно, по меньшей мере, 150/d, где d представляет собой плотность указанного углеродного материала, выраженную в г/см³.

Для контроля реакции расщепления нейронный отражатель может иметь полости для приема удаляемых поглощающих нейтроны контрольных стержней.

В случае применения данного способа в ракетном двигателе камера сообщается с выхлопным соплом через проход, выполненный в нейтронном отражателе. Оболочка может содержать топливный отсек, где расположена камера, и отсек для сбора горячего газа между топливным отсеком и проходом. При этом охлаждающая среда циркулирует в контуре, первая часть которого проходит по лицевой стороне нейтронного отражателя, смежной с отсеком для сбора горячего газа, а вторая часть расположена в топливном отсеке и отделена от отсека для сбора горячего газа с помощью перегородки, имеющей отверстие, в которое вставлен открытый конец покрытой стенки камеры. Покрытая стенка камеры отделяет камеру от второй части охлаждающего контура внутри топливного отсека.

Стенку камеры преимущественно изготавливают из пористого материала, например углеродного материала. Газ затем может быть введен через поры внутри пористого материала стенки. Такую стенку предпочтительно покрывают газонепроницаемым слоем (например, карбидом титана) на ее задней стороне по отношению к камере и покрытию из расщепляющегося материала. Этот слой может также изолировать стенку камеры от смежного хладагента.

Другой аспект настоящего изобретения относится к устройству для нагрева газа для осуществления способа, описанного выше. Такое устройство включает по меньшей мере одну камеру для помещения в нее газа, имеющую стенку, покрытую расщепляющимся материалом, и средства для воздействия на расщепляющийся материал потоком нейтронов для индукции расщепления и выделения фрагментов расщепления внутрь камеры.

Еще один аспект настоящего изобретения относится к космическому двигателю, включающему устройство для нагрева газа, как определено выше, и приспособление для выброса нагретого газа в космос для создания тяги.

Непосредственное использование ФР для нагрева низкомолекулярного топливного газа (обычно водорода) не страдает от ограничений по энергии и материалу, накладываемых на химические и NERVA двигатели. Двигатель основан, во-первых, на конфигурации очень горячего газа и холодного топлива и, во-вторых, на очень маленьком количестве ядерного топлива в форме очень тонкого слоя (около 3 мкм), который очень эффективно сгорает. Специальная нейтронная динамика используется для того, чтобы гарантировать, что даже такой ультратонкий слой топлива является достаточным для достижения критического состояния. Сверхвысокий вакуум, который обязательно присутствует в космосе, используется для отвода части произведенных ФР.

Оставшейся части ФР, не рассеявшейся в газе, достаточно для того, чтобы обеспечить присутствие достаточного числа запаздывающих нейтронов, необходимых для контроля при выбранных критических параметрах реактора.

Очень высокая температура выхлопного газа, трансформированного с помощью сопла в согласованное движение в направлении тяги, обеспечивает значительно большие величины скорости выхлопа v_exh и соответствующего удельного импульса I_sp, чем у обычных двигателей с химическим топливом или ядерных двигателей NERVA.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 изображает график, показывающий долю энергии ФР, выделяющихся с одной стороны плоского слоя (фольги) из расщепляющегося материала (^242mAm). Асимптотический предел, имеющий значение 0.44 при нулевой толщине, при котором выделяется половина ФР, представляет собой половину всей энергии, сообщенной ФР в процессе расщепления.

Фиг.2 - схематический план, используемый для расчетов. Полый нейтронный отражатель 1 с нанесенньм в виде покрытия однородным слоем расщепляющегося материала 2 окружает объем 3, заполненный газом низкого давления, и в нем размножаются испускаемые из фольги ФР и в конечном счете переходят в состояние покоя.

Фиг.3 - график, показывающий коэффициент размножения k для упрощенной геометрии одного слоя на сферическом отражателе в виде функции толщины слоя отражателя и слоя расщепляющегося вещества ^242mAm.

Фиг.4 - график, показывающий коэффициент размножения k, вычисленный в соответствии с простой теорией диффузии, для различных расщепляющихся элементов и толщины углеродного отражателя 20 см и 40 см (плотность 1.9 г/см³), в виде функции произведения прироста площади G_area на толщину слоя (мг/см²), прямо пропорционального общему количеству топлива в полости. Поперечные сечения определяли при 0,15 эВ. Результаты для ²³³U были очень близки к ²³⁵U и для ясности не были изображены.

Фиг.5 - схематический вид поперечного сечения полой трубки малого диаметра, покрытой изнутри тонким слоем топлива 5. Топливный газ вытекает из стенок через поры или малые отверстия, причем поток схематически показан в виде маленьких стрелок 6, и выходит через открытый конец 7 трубки. Заданная величина давления газа поддерживается в трубке при помощи противодавления, действующего на конец 7 и создаваемого динамически в проходе сопла.

Фиг.6 - график, показывающий зависимость основных параметров мультитрубчатой конфигурации в виде функции линейных размеров внутреннего радиуса отражателя (2R=h). Уплотненность фракции f=0,7.

Фиг.7 - график появляющегося спектра кинетической энергии ФР, усредненный по составу дочернего ядра, для различной толщины слоя.

Фиг.8 - график, показывающий распределение остаточного суммарного ионного заряда на выходе с фольги, усредненного по составу дочернего ядра, для различной толщины слоя.

Фиг.9 - удельные потери энергии (МэВ на мг/см²) для разнообразных ионов от Z=34 до Z=64 в твердом уране и газообразном водороде в виде функции кинетической энергии МэВ/AMU. Нами замечено, что большие удельные ионизационные потери характерны для водорода из-за более низкой скорости орбитальных электронов. Остаточный ионный заряд уменьшается при низких скоростях, и это является причиной меньших ионизационных потерь при низкой скорости ионов, т.е. отсутствия пика Брэгга.

Фиг.10 - график, показывающий удельный энергетический вклад, усредненный по спектру ФР и направлениям в газообразном водороде, в виде функции от расстояния от (бесконечной) фольги, для различной толщины слоя.

Фиг.11 - график, показывающий фракционный энергетический вклад в 1 мкг/см² (ω(t)) благодаря ФР на расстоянии t (мкг/см²) от бесконечной однородной фольги со слоем ^242mAm толщиной 3 мг/см². Также показано объединенное воздействие двух поверхностей фольги, расположенных друг напротив друга на расстоянии 500 мг/см². Чтобы найти действительную величину энергии, отложившуюся в 1 мкг/см³ водорода, следует умножить ω(t) на энергию, испускаемую каждым см² поверхности фольги.

Фиг.12 - график, показывающий удельную мощность dW/dm, отложившуюся в газе, в соответствии с объединенным числовым расчетом гидродинамического и ФР распространения для цилиндрической геометрической формы на фиг.5 и удельной общей ядерной поверхностной удельной мощности 200 Вт/см². Конечная температура ограничена радиацией до 9400 К. Диаметр трубки был установлен в размере 40 см и длина трубки в размере 250 см. Однако соотношение размер/давление представляет собой отличный параметр для масштабирования с целью распространения результатов на различные диаметры трубки. Поскольку длина трубки намного больше ее диаметра, распределение энергии в ее центральной части является однородным и не зависит от длины трубки. Показано несколько значений давления в интервале от 1 до 30 бар.

Фиг.13 - график, показывающий фракцию энергии ФР, заключающейся в газе dW/dm, как функции от давления газа, в соответствии с условиями, описанными для фиг.12. "Масштабирующим параметром" является произведение давления на диаметр трубки.

Фиг.14 - график, показывающий оптимальный диаметр трубки для геометрической формы, показанной на фиг.5, и 90% ФР энерговклад в газ как функции от давления в трубке.

Фиг.15 - график, показывающий радиальное отклонение от однородного удельного ФР энерговклада dW/dm при оптимальном давлении (90% ФР энерговклад в газ) и цилиндрической геометрической форме, показанной на фиг.5, в соответствии с условиями, изображенными на фиг.12.

Фиг.16 - график, показывающий остаточную излученную мощность, интегрированную по спектру, в Вт на 1 мкг излучающего газа в виде функции от толщины пересекаемого газа при различных температурах газа. Величина 5 мкг/см² соответствует примерно 1 см газа при 7000 К и давлении 3 атм.

Фиг.17 - график, показывающий дифференциальное распределение массы dm/dT внутри нагревательной трубки (Фиг.5), в виде функции от температуры Т, с учетом и без учета воздействия удаленных потерь излучения. Кривая с учетом радиационных потерь имеет асимптоту при температуте, примерно, 9500 К по причине наступления равновесия между мощностью нагрева ФР и излучаемой мощностью.

Фиг.18 - график, показывающий оптическую мощность, излученную обратно на стенки, и долю мощности ФР, излученных обратно на стенки, в виде функции конечной температуры торможения Т_max для двигателя с параметрами, изображенными на фиг.12.

Фиг.19 - основной план двигателя в соответствии с изобретением. Размеры и число трубок являются условными.

Фиг.20 - вид поперечного сечения вдоль средней плоскости фиг.19. Размеры и число трубок являются условными.

Фиг.21 - принципиальную диаграмму "протекающей" стенки трубки. Показана небольшая часть круговой секции трубки 28. Внутренний объем трубки 29 заполнен газом, в то время как трубка погружена в охлаждающее средство 36.

Фиг.22 - график, показывающий соотношение площадей радиатора и слоя, обеспечивающего нагрев, в виде функции от температуры радиатора в °С, для различных величин удельной мощности расщепления слоя. Также указана температура кипения лития при атмосферном давлении.

Фиг.23 - схематическую принципиальную диаграмму охлаждающей системы двигателя, проиллюстрированного на фиг.19.

Фиг.24 - график, показывающий скорость выхлопа и удельный импульс для оптимизированной выхлопной воронки в 1-D приближении в виде функции от температуры торможения. Верхняя кривая соответствует адиабатическому равновесию при полной рекомбинации, а нижняя кривая не учитывает рекомбинации. Давление торможения составляет 6 атм.

Описание предпочтительных вариантов осуществления.

1. Нагревание фрагментов расщепления.

Хорошо известная инициируемая нейтронами реакция расщепления является предпочтительным источником ядерной энергии благодаря высокому выходу энергии и ее способности поддерживать цепную реакцию, основанную на нейтронах. В этой реакции начальное ядро расщепляется на два фрагмента расщепления (ФР) и ряд нейтронов ( не менее 2), которые необходимы для продолжения цепной реакции. Средняя энергия, разделяется в типичной реакции расщепления так, что главная пропорция - а именно 168 МВт/191 МВт=88% - используемой энергии (за исключением нейтрино) вырабатывается в виде кинетической энергии парами ФР. Так как фрагменты исходных ядер расщепляются вне области притяжения ядерных сил, энергия вырабатывается с помощью сильного электростатического отталкивания между двумя фрагментами - остальное, являющееся остатком де-возбуждения ядерных уровней с гамма- и нейтронным возбуждением, возможно сопровождаемым β-возбуждением.

ФР проходят очень короткий путь в расщепляющемся топливе, поставляя энергию в виде тепла в непосредственной близости от начального ядра с чрезвычайно высокими удельными ионизационными потерями, обусловленными их высоким зарядом. Так как самая большая область любого из двух ФР обычно не превосходит 10 мкм в металлическом топливе, такой сильно локализованный энерговклад обычно не является прямо доступным и высокий удельный тепловой вклад ФР сопровождается теплопроводностью в пределах основной массы топлива.

Здесь описан способ для практического прямого использования кинетической энергии ФР, выделяемой тонким расщепляющимся слоем, нанесенным на фольгу на основе критического (или возможно также до-критического) расщепления управляемого ядерного реактора. Эта энергия рассеивается в окружающей газовой среде, например водороде или другом топливном газе, который является сильно нагретым, обычно приблизительно до 10000 К.

Самым непосредственным применением этого метода является запуск ракеты в космос. Таким образом, обычно подразумевается, что двигатель работает в межпланетном вакууме. Ультравысокий вакуум, обязательно существующий в космосе, используется для откачки газа, а также ФР, испускаемых фольгой. Остальная часть ФР остается обычно внедренной в фольгу, хотя, со временем, некоторая дополнительная фракция позже может быть также испущена и потеряна в пространстве.

По сравнению с химическим запуском двигателей, который начинается при сильной тяге за относительно короткое время, этот способ, подобно ионному запуску, вызывает продолжительную, но низкоинтенсивную тягу, подходящую для продолжительных полетов в глубокий космос. Однако он возможно намного более мощный, чем ионный запуск, так как может быть легко получена мощность тяги в несколько МВт. Может быть получен двигатель большого масштаба, подходящий для межпланетных полетов человека. Строение двигателя, базирующееся на конфигурации очень горячего газа и холодного топлива, является относительно простым, с несколькими функциональными компонентами; без быстро двигающихся больших элементов и он легок и при этом прост в управлении.

Такая высокая температура трансформируется с помощью сопла в поток атомарного водорода с высокой скоростью, а именно, удельный импульс I_sp≈2,000 с, намного больший, чем удельный импульс I_sp, не превышающий 430 с лучших химических двигателей. Необходимая конечная скорость ракеты может быть достигнута с существенно меньшей массой топлива, которая, в свою очередь, увеличивает возможную дальность полетов или, с другой стороны, сокращает их продолжительность.

2. Достижение критического уровня.

Для того, чтобы осуществить эффективный выход ФР из топливного сырья, расщепляющийся материал должен быть в виде очень тонкого (несколько мг/см²) слоя, либо в металлической, либо другой форме химического соединения. ФР испускаются в беспорядочном направлении и равномерно по толщине слоя, доля кинетической энергии ФР, выделенная из слоя, показана на фиг.1. На фигуре показана доля полной ядерной энергии, выработанной внутри слоя, которая выделяется в виде кинетической энергии ФР. Очевидно, что энергетическая экстракционная эффективность (КПД) - быстро уменьшающаяся функция толщины слоя. Толщина слоя порядка 1-3 мг/см² обеспечивает подходящее соотношение между толщиной слоя и хорошей ФР энергией, перенесенной из слоя.

Толщина 1 мг/см² соответствует около 1,100 атомным слоям расщепляющегося материала (например, ^242mAm) или не более чем 10 грамм слоя на квадратный метр. Как можно достичь критической точки при таком сильном разрежении расщепляющегося материала? Например, для (теплового) нейтрона, который пересекает обычно такой слой, используя наиболее подходящий элемент ^242mAm, для которого эффективное поперечное сечение расщепления σ_fiss составляет около 5,300 барн, а вероятность взаимодействия не превышает 1,31%. Для других, более простых элементов, подобно, например, ²³⁵U, ²³³U или ²³⁹Pu, эта вероятность взаимодействия в 10 раз меньше (см. Табл.1). Поэтому требуются многие последовательные нейтронные пересечения расщепляющегося слоя. В настоящем изобретении это достигается подходящей конфигурацией тонких топливных слоев внутри очень эффективного нейтронного отражателя.

Таблица 1 Некоторые поперечные сечения при 0,15 эВ для подходящих топливных элементов.
	Захват (барн) σcapt	Расщепление (барн)σfiss		Родственное ядро	Родственный захват (барн)
233U	27,91	215,97	0,11	234U	36,71
235U	34,45	207,51	0,14	236U	2,19
239Pu	310,34	535,24	0,37	240Pu	150,60
242mAm	1098,89	5248,15	0,17	243Am	34,51

Рассмотрим сначала идеальную конфигурацию камеры, внутрь которой вводится некоторое топливо через окружающий толстый нейтронный отражающий материал. Нейтроны будут совершать переходы «пинг-понг» внутри камеры между отражательными стенками и многократно пересекать тонкую топливную нагруженную фольгу. Нейтроны приобретают высокую вероятность расщепления. Критический уровень обеспечивается вследствие появления нейтронов после нового расщепления, продолжая процесс.

Так как вероятность затухания при каждом пересечении камеры мала, поток внутри камеры будет примерно одинаковым. Таким образом вероятность взаимодействия на единицу массы топлива не будет зависеть от фактической пространственной конфигурации топлива внутри устройства. Для расчетных целей и в первом приближении можно, следовательно, допустить, что (Фиг.2) внутри отражателя 1 топливный слой 2 равномерно распределяется по внутренним стенкам камеры 3. Это может быть только расчетным артефактом. На практике внутренняя структура может состоять из нескольких цилиндрических единиц с тонким расщепляющимся слоем, нанесенным на внутренние стенки.

После замедления процесса замедления в отражателе средняя (произведенная расщеплением) нейтронная кинетическая энергия будет быстро приближаться к тепловой энергии при температуре отражателя. Простой расчет, основанный на теории диффузии для термических нейтронов, показывает, что для идеальной топливной конфигурации поток в присутствии (бесконечного) отражателя возрастает по отношению к потоку вне отражателя приблизительно в соотношении

, где

∑_ela - поперечное сечение растяжения рассеивающего материала;

∑_capt - поперечное сечение захвата рассеивающего материала.

Некоторые предложенные элементы представлены в Табл.2. Были выбраны низшие элементы, так как они обеспечивают быстрое нагревание вырабатываемых расщеплением нейтронов. Величина D=∑_ela/3 является так называемым коэффициентом диффузии и является параметром диффузии. Могут использоваться также более сложные химические соединения, содержащие элементы с малым нейтронным захватом макроскопического поперечного сечения. Следует заметить, что кислород имеет такие свойства: например свойства ВеО очень близки к свойствам металлического бериллия.

Таблица 2 Список некоторых элементов, пригодных в качестве отражателя.
Материал	Плотность (г/см2)	L=1/k (см)	D(см)	(см)
Жидкий Н	0,07	9,76	0,65	3,98	26,14
Жидкий D	0,14	2425,63	12,15	990,26	244,53
7Li	0,534	84,75	7,26	34,60	12,27
Бериллий	1,84	31,12	0,44	12,70	73,58
Углерод	1,90	66,59	0,72	27,19	94,78

Конечная толщина отражателя будет давать меньшую величину F, выпадение в осадок потока в отражателе является показательным для характерной длины L. Следовательно, L представляет относительную единицу для требуемой толщины отражателя. Можно сделать вывод, что Be (ВеО) и С являются интересными кандидатами; Li является слишком прозрачным (D слишком велико) и F является слишком маленьким; дейтерий имеет слишком большую L. С Be (ВеО) и С возможно очень существенное повышение коэффициентов.

Фактический нейтронный коэффициент размножения k (k=1 для критического уровня) как функция эквивалентного отдельного ^242mAm слоя и углеродной толщины отражателя был рассчитан методом Монте-Карло и показан на Фиг.3. Следует добавить контрольные стержни, помещенные в отражатель для контроля за нейтронным умножением и для поддержания его около 1 в течение всего времени, избегая быстрого достижения критического уровня как в обычном мощном реакторе.

Выбор топливного элемента, выделяющего тепло, строго соотносится с требованиями к критическому уровню. В таблице 1 показаны некоторые подходящие параметры для возможных топливных кандидатов при средней нейтронной энергии 0,15 эВ, соответствующей температуре отражателя 1500 К.

Как уже было показано, фактическая структура двигателя будет состоять из конфигурации нескольких слоев с подпитываемой поверхностью существенно большей, чем топливная поверхность единственного слоя на внутренних стенках отражателя. Соотношение этих двух площадей обозначено как прирост умноженной поверхности Garea фактической конфигурации относительно конфигурации простого слоя. На фиг.4 показан коэффициент размножения k, рассчитанный по простой теории диффузии для различных расщепляющихся элементов и С отражателя с толщиной 20 см и 40 см (плотность: 1,9 г/см³), как произведение прироста площади Garea на толщину слоя [мг/см²], простая пропорция к общему количеству топлива в камере. Поперечные сечения находятся в пределах 0,15 эВ. Результаты для ²³³U очень близки к результатам ²³⁵U и, для ясности, не показаны.

Следует заметить, что ^242mAm является исключением, но также способен привести к критическому уровню, как ²³⁹Pu и ²³⁵U (²³³U). Однако в случае использования ²³⁵U толщина отражателя должна быть существенно увеличена. Вообще, выбор меньшего количества используемого топлива предполагает более массивный отражатель для компенсации проведенного действия.

Ядерные свойства ^242mAm (t1/2=141 год) кратко изложены, исходя из вероятного предназначения описанного двигателя, то есть реактивного движения в космосе. Главным этапом распада (99,95%) является переход в обычное состояние 242Am (t1/2=16,01 ч) при внутреннем превращении с испусканием неустойчивого электрона (40,3 кэВ), остальное является α-распадом. Дочернее ядро распадается на 17,3% до ²⁴²Pu (t1/2=3.76·105 года) и на 82,7% в ²⁴²Cm (t1/2=162,9 дня), который, в свою очередь, превращается посредством α-распада в ²³⁸Pu (t1/2=87,72 года).

Поглотительная радиотоксичность ²⁴²mAm и его продуктов распада является примерно 1/2 частью от поглотительной радиотоксичности и продуктов распада ²³⁸Pu для равных масс в течение первой сотни лет. Следовательно, потенциальный риск окружающей среде при использовании любого из этих элементов в сопоставимых количествах является почти одинаковым. Этот последний элемент уже хорошо известен для применения в космосе, так как он использовался в качестве источника энергии, например, в Voyager, Cassini и других полетах.

Длительное сгорание топлива (определяющееся как полная видимая энергия, которая может быть выработана единицей массы топливного элемента) требует того, чтобы соотношение σ_capt/(σ_capt+σ_fiss) было как можно более меньшим для того, чтобы устранить избыточное выделение дочерних элементов по реакции (A, Z)+n→(A+1, Z)+γ, которое, в свою очередь, может вычитать нейтроны с захватом. Кроме того, для данной расщепляющейся массы полезный объем сгорания также равен σ_capt/(σ_capt+σ_fiss), так как канал захвата не вырабатывает никакой заметной энергии.

Из таблицы 1 следует, что тогда как ²³⁵U и ²³³U имеют отличные ядерные характеристики, очень похожие на характеристики ^242mAm, поперечное сечение захвата у ²³⁹Pu намного больше, и это ведет к дочернему ядру, которое также имеет большое поперечное сечение захвата. Следовательно, следует ожидать существенно более короткое выгорание. Ввиду низкой радиотоксичности и отличных расщепляющих свойств ²³⁵U также является возможным заменителем ^242mAm, хотя может потребоваться более тяжелый отражатель.

Фактическую конфигурацию отражателя следует рассчитывать для каждого отдельного случая. Однако не возникает сомнений, что конфигурации могут быть выбраны в соответствии с предложенным способом, в котором такой тонкий топливный слой может приводить к критическому уровню.

3. Общая конструкция области нагрева.

Оптимизация использования пространства внутри камеры замедлителя предполагает очень большой ряд полых трубок малого диаметра, изнутри покрытых расщепляющимся материалом, схематически показанных на фиг.5. Каждая цилиндрическая трубка 4 изнутри покрыта тонким топливным слоем 5. Позже будет лучше показано, что топливный газ вытекает из стенок через поры или маленькие отверстия с потоком, схематически показанным маленькими стрелками 6, и выходит через открытые концы 7 трубок. Давление газа поддерживается на уровне предписанной величины в трубке противодействующей силой на конец 7 и динамически вырабатывается соплом форсунки, а именно маленьким отверстием, через которое газ выпускается в пространство.

Предложим следующую иллюстрацию, при которой объем внутри пустого отражателя заполнен некоторым количеством трубок малого диаметра, и доля заполнения f определяется как доля объема, занимаемого трубками, поэтому f не превышает 1. Отношение площади поверхностей n цилиндров к площади поверхности одного цилиндра можно округленно представить как

Эти трубчатые элементы являются, так или иначе, аналогами топливных стержней в обычном реакторе. Нет оснований, чтобы n не был бы на самом деле большим, тогда как механическая структура каждой трубки сохраняется простой. Как и в случае реактора, охлаждающая жидкость может циркулировать между этими трубками. Следуя этой аналогии, охлаждение стержня может осуществляться с использованием жидкости или газа. Однако для эффективного охлаждения газа требуется высокое давление и большой циркуляционный объем. Следовательно, предпочтителен жидкий охладитель, возможно в «двухфазном» (кипящем) виде. Ввиду высокой температуры, необходимой для рассеивания тепла в пространстве, предпочтителен выбор легко плавящегося металла, например лития (⁷Li), уже использующегося для применения в ядерном пространстве и который имеет отличные нейтронные свойства, показанные в Таблице 2.

Одна из иллюстраций конфигурации с множеством трубок может быть основана на следующей эскизной геометрии:

3.1.1) Предположим, что отражатель имеет цилиндрический внутренний объем высотой h, равной диаметру (h=2R): эта конфигурация обеспечивает оптимальную нейтронную вместимость, поскольку увеличивает соотношение объема к внутренней поверхности.

3.1.2) Внутренний объем заполнен компактным множеством n трубок с долей заполнения f=0,7. Трубки имеют высоту, равную h, и радиус r. Легко увидеть, что n≈fR²/r².

На фиг.6 показано изменение главных параметров как функции от внутреннего размера отражателя, R. Для ясности диаметр трубки установлен на реальной величине, 2r=10 см. Конечное число трубок является весьма большим: от n=100 для R=10 см до n=400 для R=120 см в соответствии с R² зависимостью. Поверхность топливного слоя увеличивается от 38 м² для R=60 до 304 м² для R=120 см, в соответствии с R²h∞R³ зависимостью. Похожая сильная зависимость очевидно ожидается для массы топлива и последовательного числа дней сгорания при данной установленной мощности.

Особое значение имеет поверхностный фактор умножения, столь большой, как и G_area=8.4 и G_area=16.3 для двух указанных величин R, возрастающий линейно с R. Некоторые представленные параметры показаны в Таблице 3.

Таблица 3 Типичные устройства с множеством трубок.
	А	В	С
Радиус камеры	100,0	125,0	150,0	CM
Длина трубок	200,0	250,0	300,0	CM
Радиус трубки	5,0	5,0	5,0	CM
Давление газа	15,0	15,0	15,0	бар
Количество трубок	280,0	438,0	630,0
Поверхность слоя топлива	175,9	343,6	593,8	М2
Прирост площади над одинарной трубкой	14,0	17,5	21,0
Масса топлива 1 мг/см2	1,8	3,4	5,9	кг
Масса топлива 3 мг/см2	5,3	10,3	17,8	кг
Выделенная энергия 3 мг/см2	2638,9	5154,2	8906,4	МВт/день
Длительность расхода топлива 100 МВт	25,4	51,5	89,1	день

Такой большой прирост поверхности G_area по сравнению с одинарным слоем типичный, как величина одного порядка, может эксплуатироваться двумя различными путями:

3.1.3) чтобы уменьшить толщину топливного слоя и соответственно улучшить эффективность (КПД) ФР экстракции. Например, доля энергии, извлеченная из фольги, за счет ФР вырастает от 23,8% при 3 мг/см² до 33,9% при 1 мг/см² и до 44% при толщине фольги, близкой к нулю.

3.1.4) чтобы увеличить количество расщепляющегося материала для заданной толщины фольги и увеличить продолжительность горения между дозаправками горючим.

3.1.5) сделать возможным использование менее легко расщепляемых топлив, таких как, например, ²³⁵U, ²³³U и ²³⁹Pu.

Более тщательный выбор этих параметров, очевидно, определяется специфическими требованиями поставленной задачи.

Топливная конфигурация, необходимая для эффективного использования полученной кинетической энергии ФР, довольно необычна, и это необходимо учитывать при более подробном обсуждении некоторых относящихся к делу вопросов. Мы сосредоточимся на ^242mAm. Напоминаем, что «лучшим вторым» с точки зрения множественности нейтронов будет ²³⁹Pu. ²³³U или ²³⁵U также могут быть использованы при соответствующем увеличении выполненной работы отражателем и при большем приросте поверхности G_area. Подобные соображения применимы для всех этих элементов.

Химическая форма топливного слоя заслуживает особого внимания, поскольку она должна гарантировать более длительное время жизни. Основное влияние на слой оказывают, во-первых, присутствие газа, который следует нагреть, и, во-вторых, радиационное повреждение, обусловленное нейтронами и ФР. Осуществление первого условия зависит, конечно, от типа газа, который собираются нагревать.

Рассмотрим вначале первый случай, в котором топливный газ, который следует нагреть, является водородом, обладающий отличной топливной характеристикой для ракет:

3.1.6) Как было показано при испытаниях, карбид америция Am₂С₃ приобретает значительную эластичность в присутствии водорода и рекомендуется для применения с этим газом при температуре более 15000°С.

3.1.7) Особый интерес представляют собой трехкомпонентные составы, подобные карбиду U-Zr-Nb, который уже был использован в газовом ядерном реакторе NERVA-NASA. Карбид U-Z-Nb уже работал в NERVA без каких-либо заметных повреждений в течение нескольких часов в атмосфере горячего водорода (3000 К) при высоком давлении (150 бар). Хотя мы имеем дело в настоящее время чаще с тонким слоем, нежели чем с массой материала, эта технология представляется безопасной, особенно если принять во внимание, что в наших условиях температура и давление оказываются менее экстремальными. Замена урана америцием (карбид Am-Zr-Nb) или возможно плутонием (карбид Pu-Zr-Nb) возможна без дополнительных проблем, и она приводит к составам со свойствами, очень схожими со свойствами карбида U-Zr-Nb.

Использование других газов может изменить требования к химическому составу слоя. Например, в дополнение к двум составам 3.1.6) и 3.1.7) также могут быть использованы другие составы в случае инертного благородного газа, подобного гелию, аргону и т.д.

3.1.8) Слой чистого металлического америция: плотность 13,67 г/см³, точка плавления 1176°С и точка кипения 2011°С.

Эта химическая форма непригодна в случае присутствия газообразного водорода, поскольку возможно образование водородных соединений типа AmH₂ и AmH₃. Отметим, что металлический Am может находиться также в виде тонкого "влажного" (жидкого) слоя при высокой температуре.

3.1.9) Оксид америция AmO₂ наиболее стабильный из оксидов и с высокой точкой плавления. Однако в присутствии (сильно сжатого) горячего водорода очень вероятно его разложение до металла и поэтому, как в случае 3.1.8), он пригоден только при нагревании несжимаемых газов.

Ясно, что выбор подходящего химического состава слоя требует тщательного рассмотрения химического поведения в присутствии каждого специфического газа, будь то водород, гелий или другие газы.

Радиационное повреждение - это второй важный элемент, который должен быть тщательно исследован так же, как химическая стабильность слоя, оно может ограничить величину достижимого сгорания.

3.1.10) Интегрированный нейтронный поток внутри замедлителя (регулятора), соответствующий 1/е превращаемого топлива, равняется

где:

σ_fiss, σ_capt были определены выше (см. табл.1);

φ - нейтронный поток через единицу площади.

Интегрированный нейтронный поток внутри замедлителя крайне мал из-за сильной абсорбции в поперечном сечении расщепляемого топлива. Кроме того, спектр достигает максимума в зоне тепловой энергии, что в дальнейшем снижает радиационное повреждение. Этот объединенный поток нейтронов имеет величину на несколько порядков меньше, чем поток, типичный для отработанного топлива обычного двигателя, поэтому не возникает серьезных проблем ни в элементах двигателя, ни в отражателе даже после многих дозаправок топливом.

3.1.11) Потенциальная техническая проблема связана со стабильностью слоя ^242mAm при сильной местной ионизации производимых ФР. Полное лучевой повреждение слоя ^242mAm, как было очень приблизительно установлено, составляет порядка 30 d.p.a. (смещений на атом) относительно максимума перспективного выгорания, соответствующего половине расщепленного топлива. Лучевые окна, открытые для излучения заряженных частиц, не оказывают существенного воздействия, поскольку не обнаружено серьезного повреждения после облучения такой дозой. Поскольку подвергаемый расщеплению поверхностный слой не имеет независимой структурной функции, радиационное повреждение само по себе не должно быть проблемой. Это особенно справедливо, если соответствующая высокая температура обеспечивает некоторый регенерирующий отжиг. Обычные металлическое и оксидное топлива в быстрых реакторах-размножителях подвержены выгоранию, которое составляет около 1/2 от величины, учитываемой при данном применении. В этом случае должно быть добавлено радиационное повреждение, обусловленное быстрыми нейтронами, для которых радиационное повреждение является значительно превосходящим, чем в нашем случае.

3.1.12) Другой возможной причиной потери части слоя ^242mAm может быть прямой выброс (ловушка рассеивания) из слоя. Однако в течение обозначенного периода сгорания общий поток уходящих ионов составляет, примерно, 1.21×10¹⁸ А/см², и фракция, выброшенная через поперечное сечение площади σ_ej, _q=0, представляет собой dn/n=φσ_ej, _q=0/2=0,6×10¹⁸σ_ej,q=0, причем учтено, что источник выходящего иона равномерно распределен внутри слоя. Для dn/n, не превышающего 0,1, величина σ_ej,q=0 не превышает 1.64×10^-19 см², что является верхним ограничением.

3.1.13) Существенная доля (примерно, 50%) ФР из слоя пронизывает несущую фольгу и остается внедренной в нее. Эта ситуация не отличается от той, которая имеется для покрытия топлива у обычного двигателя, в котором ФР, испускаемые кромкой топлива, налетают на удерживающее покрытие стенки. В этом случае никаких серьезных проблем не предвидится.

Следует подчеркнуть, что сохранение слоя на всем протяжении предполагаемого горения топлива является важным моментом, поскольку двигатель должен работать при минимальном исходном топливном запасе, и это сильно зависит от тщательности производственного процесса ввиду упомянутых выше результатов.

Интересно исследовать развитие изотопного состава топливного слоя в течение продолжительного ядерного горения. Вырабатываемая удельная мощность выражается в МВт/кг исходного топлива. Допускают, что такая мощность вырабатывается с постоянной скоростью за период времени, измеряемый днями. Общая удельная энергия (сгорания), которая может быть извлечена из топлива, может быть выражена в МВт/кг × день. Полное ядерное преобразование 1 кг ^242mAm при приблизительно 90% расщеплении и 10% превращении в (устойчивый) ^242mAm вырабатывает около 840 МВт × день или эквивалентно 7,26×10¹³ Дж, что очень приблизительно эквивалентно энергетическому эффективному содержанию 1000 тонн лучшего химического топлива (жидкий кислород + водород).

Можно ожидать достижения на практике сгорания, которое составляет около половины такого теоретического предела. Это означает, что около половины ^242mAm будет действительно сожжено, принимая конечно во внимание, что тонкий слой не повреждается иным способом или не испаряется во время горения.

Развитие во времени изотопной композиции топлива, обусловленное ядерным горением, моделируется полной программой Монте-Карло. Эта программа использует реальную геометрию с ^242mAm топливом, сожженным с постоянной подачей энергии. Было смоделировано развитие во времени топливной композиции, включающее распад всех элементов и особенно ФР (фрагменты расщепления). При оценке коэффициента размножения k было принято во внимание влияние всех вторичных реакций. Накопление ФР внутри двигателя с течением времени представляет дополнительный источник захватов, и поэтому коэффициент размножения снижается. Предполагается, что все ФР остаются внутри двигателя и тем самым способствуют полному захвату нейтронов. Эта оценка занижена, поскольку реально около 20-30% ФР немедленно удаляются с газом. Некоторая часть из сохранившихся ФР может рассеиваться с газом (диффундировать) из тонкого слоя и прогрессивно теряться в пространстве, смешиваясь с топливом. Несущественно короткое время (несколько минут) удерживания внутри двигателя основной фракции ФР (70-80%) является полезным, чтобы справиться с "запоздавшими" нейтронами и обеспечить контроль за критичностью, как и в случае обычного реактора.

Горение топлива прекращается, когда величина к падает ниже 1. Коэффициент размножения к в отсутствии контролирующих стержней после первого, почти немедленного падения, обусловленного захватами в ксеноне ФР, мягко понижается по мере сгорания, достигая конца критического режима после около 500 МВт × день/кг. Большая часть снижения связана со снижением массы топлива из-за расщепления и захвата. Очевидно, с этой точки зрения, необходима дозаправка.

Доля нейтронов, захваченных аккумулированными ФР, составляет только около 10% при максимальном сгорании 500 МВт × день/кг. Эта доля разлагается и происходит постоянное появление ксенона, который быстро превращается и повышает вклад остальной части продуктов ФР. Как уже указывалось, эта картина должна быть рассмотрена как сохраняющая верхний предел фактически имеющей место нейтронной потери, обусловленной накоплением продуктов ФР в двигателе, так как более вероятно, что ксенон и другие элементы легко распространяются в пространстве.

4. Процесс нагревания.

4.1 Процесс нагревания ФР.

Типичный спектр кинетической энергии в МэВ ФР, выделенный из фольги, показан на фиг.7. ФР сохраняет существенную часть их атомных электронов, таким образом, их заряд не равен Z. Распределение остаточного заряда на выходе с фольги показано на фиг.8.

Интересны энергетические потери энергии в газе, уходящем из слоя, вначале при температуре слоя, который постепенно нагревается до высоких температур по мере выхода из фольги. Потери удельной ионизации при низком значении Z газа [МэВ/мкг/см²] являются, к счастью, много выше (обычно в 20 раз), чем эти потери при высоком значении Z расщепляемого слоя (фиг.9). Потери энергии замедляются в слое, так как скорость ФР значительно меньше, чем скорость внутренних электронов с высоким Z. Таким образом, много меньшая толщина газа оказывается достаточной для того, чтобы извлечь большую часть энергии ФР.

Эта разница в дальнейшем увеличивается, если газ под влиянием высокой температуры ионизируется, поскольку потери энергии в дальнейшем повышаются в большом количестве свободных электронов. Это является благоприятным обстоятельством, так как в случае очень горячего газа ФР нагревание должно конкурировать с потерями излучаемой энергии, которая вычитает энергию в местном масштабе по отношению к газу. Очевидно, процесс нагревания прекратится, когда наступит равновесие между двумя этими процессами. Интегрирование по распределению источников в фольге, угловое распределение ФР и их масс-спектры приводят к полученной кривой КПД, представленной на фиг.1, на котором представлена доля общей энергии, выделенной в результате происходящего в фольге расщепления в виде энергетических ФР в случае ^242mAm. Очень похожие кривые получены для других потенциальных элементов топлива, обозначенных выше.

Возможно перейти к конкретному обсуждению процесса нагревания газа путем испускания ФР слоем. Рассмотрим одномерную модель бесконечно растянутой тонкой плоской фольги с однородной единицей поверхности с удельной расщепляющей мощностью Λ=d²P/dxdy, испускаемой из фольги, с последующим заполнением пространства наполовину водородом. Эта очень простая модель позволяет объяснить главную особенность процесса. Более сложные вычисления, принимающие во внимание точную геометрию двигателя, представлены далее.

Плотность газа в свою очередь в значительной степени зависит от температуры и, так же как мощность, будет определяться объемом. Для того чтобы удалить такую температурную зависимость, предпочтительно рассматривать как переменную пересеченную толщину газа в мг/см². Пока температура газа ниже порога ионизации, пороговые удельные потери энергии ионизации строго пропорциональны плотности.

В особенности, при постоянных условиях бесконечной фольги отложение удельной энергии (определенной как энергия на единицу массы и времени или эквивалентно как мощность на единицу массы) ФР, испускаемого фольгой на единицу массы газа dW/dm, является функцией поперечного расстояния от фольги z и давления (однородного) газа р₀. Поэтому зависимость плотности газа p(z) от температуры может быть устранена с помощью варьируемого замещения, в котором вместо z используют координату толщины

где

ρ - локальная плотность.

Интересно уравнение dW/dm=Λω(t), которое отражает локальное скопление энергии на единицу массы газа. Очевидно, , так как величина dW/dm по сравнению с переменной t(z) определяет удельную мощность, излучаемую единицей площади Λ. Функция ω(t), вычисленная по методу Монте-Карло, показана на фиг.10 для фольги различной толщины. Результат показывает, что функция ω(t) однородно падает с t (то есть самое высокое значение удельной энергии достигается около фольги) и максимально в области выравнивания, составляющей 500 мкг/см², соответствующей 3×10²⁰ атомов/см². Наибольшее количество энергии скапливается приблизительно до 1,5×10²⁰ атомов/см².

Энергетический вклад будет более однородным, если газ содержится в промежутке между двумя листами такой фольги, помещенной в газ толщиной порядка 500 мкг/см² (отдельное значение может быть установлено при данной геометрии двигателя, например, путем регулирования рабочего давления). Сумма dW/dm=Λ[ω(t)+ω(500 мкг/см² - t)] демонстрирует относительно плоское распределение (фиг.11).

Корректный анализ процесса нагревания требует объединения гидродинамики и численного расчета распространения ФР, которое было осуществлено при геометрии, изображенной на фиг.5, и при конечной температуре 9400 К (излучение ограничено, смотри ниже). Диаметр трубки был установлен до 40 см, а длина трубки - 250 см. Однако отношение размер/давление является отличным параметром масштабирования для того, чтобы распространить результат на трубки различного диаметра. Поскольку длина трубки намного больше, чем диаметр, распределение энергии в центральной части трубки является однородным и не зависит от длины трубки. Удельная мощность, испускаемая единицей площади, установлена Λ=200 Вт/см². Следует отметить, что даже для такого относительно умеренного значения Λ величина удельной энергии dW/dm≈10⁶ Вт/г в газе действительно очень большая. Конечное распределение (фиг.12) показывает, что dW/dm относительно однородно, как предсказано одноразмерной моделью, если давление отрегулировано подбором диапазона ФР к диаметру трубки. Для давлений, которые намного ниже оптимального, значительная фракция ФР вновь попадает на стенки трубки. Для много больших давлений ФР останавливаются, не достигая центральной части газа.

Часть энергии ФР, заключенная внутри газа, как функция давления газа показана на фиг.13. Отмечаем, что использовано переменное масштабирование [диаметр трубки] × [давление]. Оптимальный диаметр трубки был до некоторой степени установлен произвольно на 90% части энергии ФР, заключенной в газе, и это показано на фиг.14 как функция давления в трубке. Распределение результирующей энергии очень плоское в пределах ±12%, как показано на фиг.15.

В заключение следует отметить, что для относительно умеренной плотности поверхности ядерной энергии фольги Λ=200W/см² удельная объемная усредненная мощность по газу dW/dm очень большая и составляет, приблизительно, 0,661 МВт/г.

Энергия нагревания порядка одного Мегаватта для каждого грамма газа является поэтому возможной с приемлемо низкой поверхностью нагревания фольги. Очевидно, имеется прямая пропорциональная зависимость между поверхностным мощным разложением на фольге и (почти постоянным) удельным массивным энергетическим вкладом в газе.

Позже будет показано, что время пребывания газа в трубке относительно велико (несколько секунд), и возможно достижение требуемой температуры газа с удельной мощностью поверхности фольги обычно в интервале от 20 до 200 Вт/см², что намного меньше, чем технический допуск из-за охлаждения.

4.2 Радиационные потери.

Горячий газ испускает энергию излучения, которая может быть или снова поглощена соседним газом, или рассеяна по стенкам двигателя. Такое радиационное влияние, как оказалось, является быстро возрастающей функцией от температуры газа и играет важную роль в работе двигателя. Действительно, максимальная температура, которая может достигаться при ФР процессе нагрева, ограничена условием равновесия между удельной мощностью, вносимой с ФР, и мощностью, излучаемой в частотных областях, в которых газ является оптически "разреженным". Следовательно, это влияние определяет окончательное исполнение способа.

Удачным обстоятельством является то, что основные уравнения для атомов водорода и свободных электронов хорошо известны. Молекулярный водород устойчив только до температуры, которая ниже соответствующих температур для существенных радиационных потерь. Следовательно, существует хорошая теоретическая основа, по крайней мере в случае, когда водород является движущим элементом. Сделаем краткие выводы. Включаются все переходы, а именно связанно-связанные, связанно-непрерывные и непрерывно-непрерывные.

Остаточная испускаемая мощность, которую несет излучение после пересечения толщины L газа (в мкг/см²), показана на фиг.16. Спектр достигает максимума в видимой области со значительным хвостом в инфракрасной области.

Наблюдается быстрый спад остаточной мощности в зависимости от пересекаемой толщины в области, соответствующей фракции сантиметра газа. Существенная доля излучаемой мощности явно заново поглощается около точки эмиссии, в данном случае, где температура газа очень близка к температуре излучаемого элемента. Этим вкладом можно легко пренебречь, так как он способствует явному увеличению теплопроводности. Следом за этим быстрым спадом можно наблюдать относительно длинное плато, соответствующее излучению, при котором газ является по существу прозрачным. Это излучение обычно улетучивается из нагревающегося объема и поражает стенки двигателя, где оно может быть абсорбировано или рассеяно/отражено обратно в газовый объем.

Из фиг.16 ясно видно, что огромное количество испускаемого излучения, по крайней мере пока оно не превышает 12000 К, явно группируется в двух отличных спектральных областях:

4.2.1) в одной из которых излучение благополучно абсорбируется до указанной толщины 5 мкг/см² (соответствующей 1 см газа при 3 бар и 7000 К), вызывая соседний тепловой переход, и

4.2.2) в другой, в которой газ по существу прозрачен до линии превышения размера объема газа, вызывая потерю тепла на стенках (далекая радиация).

И рассеянное излучение, и процесс ФР нагревания являются прямо пропорциональными к массе водорода, но первое, в отличие от последнего, растет очень быстро с температурой газа. Следовательно, это будет ограничением температуры, для которой удельная мощность, унесенная далекой радиацией, становится равной удельной мощности, внесенной ФР. Температура газа будет сосредоточена на этой величине.

Предположим, что (1) ФР нагревание обеспечивает постоянную мощность W_фр на единицу массы, температуру и независимое положение и (2) радиация, излучаемая газом, устраняет мощность W_фр(Т) на единицу массы, которая, в свою очередь, может быть рассчитана в числовом отношении из излучаемой мощности, для которой газ является прозрачным (см. 4.2.2). По истечении промежутка времени dt порция газа, проходящая через двигатель по его собственной поточной трубке, будет приобретать удельную энтальпию на единицу массы:

dE=(W_фр-W_фр(T))dt

С другой стороны, масса, проходящая через двигатель, сохраняется и в постоянных условиях для любой данной температуры составляет

dm/dt=φ=const,

а именно равна макроскопическому массовому потоку φ (г/с) через двигатель.

Изменение энтальпии соотносится с изменением температуры при (постоянном давлении) удельном коэффициенте теплоемкости dE=с_pdT. Объединяя вышеуказанные уравнения, можно вывести зависимость времени от процесса нагревания для данного газового элементарного объема, проходящего вдоль линии потока:

При интегрировании это уравнение может использоваться для расчета времени жизни газа внутри двигателя. В присутствии радиационных потерь, которые растут очень быстро с температурой газа, максимум температуры T_∞ достигается (после бесконечного времени) как равновесие между теплотой, вырабатываемой ФР, и радиационными потерями в соответствии с условием dt/dT=0 или W_фр(T_∞)=W_фр.

Распределение массы газа внутри двигателя как функция от температуры Т<Т_max составляет

Типичное распределение температуры с W_фр(T) и без W_фр(T) показано на фиг.17. Отметим быстрый всплеск радиационных потерь и асимптотический максимум температуры для Т_∞=9500 К. Общая масса газа внутри двигателя легко рассчитывается при интегрировании кривой на фиг.17.

Интегрируя удельную мощность по массовому распределению как функцию от температуры, можно найти общую мощность излучения, оканчивающуюся на стенках, для данной конечной температуры Т_max:

Общая мощность, возвращающаяся на стенки, показана на фиг.18 как функция от конечной температуры. Для не слишком высокой температуры фракция η_rad=P_{rad, стенка}(Т_max)/Р_фр, поглощенная стенками, умеренна, например η_rad=0,0342 при T_max=9300 К и η_rad=0,0576 при Т_max=9400 К. Фактическая мощность ФР медленно устанавливается до правильной мощности для этих потерь.

Эти результаты должны быть тщательно учтены в вычислениях Монте-Карло при проведении теплового процесса. Полные гидродинамические вычисления подтверждают эти выводы.

5. Разработка критерия для рабочего пространства двигателя.

5.1 Функциональное описание.

Типичная структура основана на относительно большом числе пустых тонких цилиндрических трубок, открытых с одного конца, позволяющих газу выделяться в застойной области. Каждая трубка (фиг.5) покрыта тонким расщепляющимся слоем. Слабый поток газа (порядка около 1 г/с/м²) постоянно отходит от стенок трубок в их внутреннее пространство или через капиллярные отверстия, или через поры, или через любое другое эквивалентное устройство. Он медленно двигается далеко от стенок, сходясь к выходящему концу, при прогрессивном действующем ФР нагревании. ФР произведены тонким (обычно 3 мкг/см²) слоем соответствующего химического соединения высоко расщепляющегося элемента (обычно ^242mAm), который обеспечивает достижение ядерного критического уровня благодаря высоко рефлексивным свойствам отражателя. Поверхностная удельная мощность Λ, обусловленная происходящим на внутренней стенке трубки расщеплением, находится в пределах от 20 до 200 Вт/см², соответствующей (в подходящих условиях) ФР удельной мощности нагрева для газа порядка dW/dm от 0,5×10⁵ до 0,5×10⁶ Вт/г. Главная доля мощности расщепления (обычно 70%, зависит изначально от геометрии и давления газа) должна быть удалена при охлаждении внешней поверхности трубки, тогда как остаток используется для нагрева газа. Для этого эффекта используется соответствующий хладагент в хорошем термическом контакте с внешней поверхностью трубок по аналогии с тем, как это сделано для топливных стержней обычного реактора.

Трубки охлаждаются с внешней стороны. Хладагент должен выбираться осторожно, таким образом, чтобы он был способен регулировать полное количество ядерного тепла, следовательно, в случае внезапной утечки газа водорода полная энергия, исходящая из реакции расщепления, должна быть поглощена стенкой. Внешняя сторона поддерживающей стенки должна быть охлаждена, например, с использованием жидкого лития (температура плавления 180°С, температура кипения 1342°С) по технологии, которая используется в космических двигателях. Используется изотопно чистый ⁷Li, так как ⁶Li имеет слишком большое поперечное сечение нейтронного захвата. С другой стороны, ⁷Li имеет отличные нейтронные свойства, как показано в табл. 2. Плотность жидкого лития составляет 0,534 г/см³. Изотопно выделенный ⁷Li является коммерчески доступным при относительно низкой цене. ⁷Li не имеет заметного поперечного сечения захвата для нейтронов, и он может широко использоваться без противопоказаний. Следовательно, обычная температура для внешней стенки, вероятно, находится в пределах 1300°С. Температура расщепляющегося слоя немного выше из-за падения температуры, обусловленного теплопроводностью через стенки трубки. Эта разность температур обычно не больше, чем несколько сотен °С для вышеуказанных энергетических плотностей.

Почти любой газ или вообще любое соединение, которое является газообразным при температуре и давлении на входе в камеру, может нагреваться этим способом. Прямое использование ФР для нагрева газа далеко от стенок не зависит от энергии и материальных ограничений, накладываемых на химический и газовый реактор работающих двигателей. Подход основан на очень горячем конечном газе, уходящем от относительно холодных стенок, испускающих ФР.

Мы сконцентрировались здесь на случае с водородом, так как он является наиболее подходящим топливом для космического использования. Горячий газообразный водород под давлением в несколько бар в застойной области достигает температуры порядка 9500 К, и наступает равновесие между теплом, подводимым ФР, и утерянным теплом радиационной прозрачности к газу, и он выпускается в пространство через сопло. Очень высокая температура отработанного газа преобразуется соплом в его движение в направлении тяги со скоростью истечения v_exh, намного большей, чем скорость обычного химического топлива или классического ядерного двигателя. Следовательно, заданная конечная скорость ракеты может достигаться со значительно меньшей массой топлива, которая в свою очередь расширяет потенциальную область полетов или, с другой стороны, уменьшает их продолжительность.

Газ (водород) в хорошем приближении работает при приблизительно постоянном давлении в области от 4 до 20 бар. Заметим, что эта область давления является всего лишь показательной вследствие того, что, во-первых, механизм нагревания почти независим от давления и, во-вторых, радиационные потери очень слабо зависят от действующего давления (например, расширение линии давления). Гидродинамика и ФР нагревающий процесс масштабируют как "давление × размер", пока поведение газа близко к поведению идеального газа. Что касается нейтронного отражателя, то можно предположить, что самым легким будет устройство с наименьшей сердцевиной, т.е. с наивысшим возможным давлением. Однако невозможно изготовить сердцевину намного меньше необходимой толщины отражателя. Также температура входящего газа является отчасти произвольной; выходящая насыщенная температура находится в пределах 9500 К, ограниченная, как уже показано, радиационными потерями горячего газа. Следовательно, в зависимости от применения существует большой выбор параметров.

На основе изложенного получена концепция двигателя, основанная на следующих четырех главных компонентах: (1) отражатель, (2) ФР нагревающая область, (3) область расширения и выхода газа и (4) система охлаждения. Эти компоненты далее описываются более подробно.

На фиг.19 показан основной макет двигателя, а на фиг.20 показан вид поперечного сечения вдоль среднего плана. Также показаны размеры и число трубок.

5.2 Отражатель.

Отражатель содержит и отражает нейтроны от расщепляющегося ядра. Два главных (основных) элемента высокой чистоты являются отличными кандидатами для заполнения объема полости замедлителя-регулятора из-за их высокой мощности нейтронного отражения: углерод (графит, углеродные волокна) или бериллий (металлический или ВеО).

Существует значительная свобода выбора для фактической реализации отражателя. Например, если требуется минимизация веса, замедлитель может состоять из нескольких слоев:

5.2.1) первый, внутренний слой, который очень эффективно отражает нейтроны (например, ВеО), следующий

5.2.2) второй более тонкий слой, изготовленный, например, из водородного соединения, так как водород имеет намного меньшую диффузионную длину , но менее летуч, поскольку .

5.2.3) замедлитель для снижения утечки из среды с внешней стороны может быть покрыт тонким (несколько см) слоем материала, сильно адсорбирующего нейтроны, например таким, как СВ₄.

Отражатель 10 снабжен удаляемым покрытием 11, которое используется также для дозаправки. Он также является обычным местом для расположения на контролируемой глубине внутри отражателя 10 контрольных стержней 12 (например, из СВ₄), необходимых для регулирования коэффициента k, определяющего критичность. Он также имеет вход 13, через который происходит выхлоп топлива. Наконец, чтобы ввести (14) и забрать (15) жидкий хладагент (например, расплавленный литий), используют соответствующую систему труб. Температура полости регулятора определяет среднюю энергию нейтронов.

5.3 ФР нагревающая область.

Внутри полости отражателя расположено множество греющих трубок 16 (для ясности на фиг.19 показана только одна из них), структура которых уже была предварительно описана. Америций 5 (или другое эквивалентное топливо) в подходящей химической форме, как описано выше в главе 3, наносится на тонкую, но крепкую конструкцию из трубок 4 (фиг.5). Эта же самая конструкция (фиг.5) должна позволять вводить с помощью капилляров в стенке газообразный водород 6, который выпускается через открытый конец 7 трубки. Трубки жестко закреплены на месте с помощью системы 17 захвата (которая может размыкаться, чтобы удалить трубки для дозаправки) на удерживаемой на месте пластине 18, которая жестко прикреплена к отражателю. Эта конструкция напоминает конструкцию обычного реактора с трубками, заменяющими топливные отсеки.

Как будет видно в дальнейшем, поток топливного газа, поступившего в конструкцию трубок, также проходит через систему 17 захвата, а также находится внутри закрепленной пластины 18. Пластина 18 разделяет двигатель на два главных объема, верхнюю часть 19, в которой расположены трубки и которая заполнена охлаждающей жидкостью, и нижнюю часть 20 основания, которая заполняется топливным газом при его прохождении к соплу 21 и форсунке 22. Таким образом опорная пластина гарантирует разделение охлаждающейся жидкости с одной стороны и области хранения газа с другой. Хладагент также используется для охлаждения нагретых стенок в области 20 с помощью соответствующей линии 23. Эта линия могла бы обеспечивать также некоторый поток водорода для охлаждения "испарением".

Все материалы, которые необходимо использовать для конструирования этой секции, в зависимости от их конкретной функции должны одновременно удовлетворять множеству требований, хотя и в различной степени:

5.3.1) Их объединенное макроскопическое поглощающее нейтроны поперечное сечение материала должно быть очень маленьким, чтобы предотвратить проницаемость нейтронов внутрь полости замедлителя, для очевидного исключения расщепляющегося топлива. Доля нейтронов, поглощенных данным компонентом, приблизительно пропорциональна произведению общего количества используемой массы на тепловое поперечное сечение. Можно привести некоторые соображения относительно возможной потери нейтрона во время процесса термализации, для которого относящееся к нему поперечное сечение является резонансным интегралом.

5.3.2) Материалы должны быть способны противостоять радиационному повреждению главным образом из-за теплового потока нейтронов и также расщепляющегося слоя ФР. К счастью, последнее воздействие ограничено проникновением через толщину приблизительно 10 мг/см². Как указано в разделе 3.4, радиационное повреждение из-за этого потока заряженных частиц составляет приблизительно 30 d.p.a. по определяемому горению, что соответствует половине расщепившегося топлива. Радиационное повреждение остальной части двигателя из-за нейтронного потока намного меньше, обычно составляет порядка 1 d.p.a.

5.3.3) Материалы должны сохранять хорошие механические свойства в диапазоне температур воздействия, который, как было определено, составляет порядка 1500 К, поскольку намного меньшие температуры требуют применения избыточной поверхности излучающих панелей. Они должны сопротивляться тепловым ударам в течение всей работы и иметь высокую стабильность.

5.3.4) Материалы должны быть совместимы прежде всего с топливным газом (водородом) и охлаждающей жидкостью (расплавленным литием). Топливный слой должен иметь превосходную адгезию к окружающей среде. Недостаток совместимости мог бы быть решен с помощью подходящих слоев покрытия.

5.3.5) Материалы должны минимизировать имеющийся вес, который является первейшей проблемой при любом применении, связанном с полетами.

Среди возможного выбора материала для основных составляющих двигателя детально будет обсуждено использование композиционных углеродных волокон и связующих. Указанные материалы являются относительно новыми, они непрерывно совершенствуются и имеют быстро улучшающиеся характеристики. Представляет интерес исследовательская работа, выполненная в так называемом проекте ITER, который касается термоядерного сплава и, в частности, критического компонента, называемого "дивертором", поскольку он одновременно подвергается (i) интенсивной нейтронной радиации, (ii) высокой температуре и температурным ударам и (iii) присутствию горячей водородной плазмы. Таким образом, эти требования весьма близки тем требованиям, которые необходимы для настоящего применения.

Как пример этого, можно указать, что в Таблице 4 указаны свойства композиционного материала, полученного из углеродных волокон, созданных для ITER. Этот продукт был протестирован в условиях нейтронной радиации в диапазоне 0,8-5 d.p.a. и при температуре 1500°С, что соответствует требованиям по настоящему изобретению. Результаты чрезвычайно обещающие:

5.3.6) изменение размера минимально, порядка 0,1-0,2%.

5.3.7) теплопроводность, хотя несколько изменяется при низких температурах (коэффициент потери 0,75÷0,8 при 800°С), остается неизменной при температуре выше 1000°С благодаря отжигу, при котором поглощаются вызванные радиацией повреждения, обусловленные высокой температурой.

5.3.8) влияние радиации на термическое расширение очень мало. Следует обратить внимание на то, что термическое расширение материала очень невелико, обычно на один порядок меньше величины, которая известна для металлических сплавов, используемых в подобных условиях.

5.3.9) радиация улучшает модуль Юнга, с увеличением приблизительно на 30-40% после 1 d.p.a. Это влияние связано с улучшением данного модуля и разрушающим напряжением с температурой (+15% в 1500°С).

Таблица 4 Иллюстрация свойств составов углеродных волокон (X, Y, Z), разработанных для ITER.
		X	Y	Z
Температура сублимации	3,600				°С
Плотность	1,90				г/см3
Термическое расширение		0,4	1	2.1	10-6/К
Теплопроводность		154	58	55	Вт·м-1·K-1
Модуль нового поколения		107	20	12	Gpa
Разрушающее напряжение		130	30	19	GPa

Вообще при температурах, проектируемых для настоящего изобретения, влияния, возникающие из-за нейтронной радиации, малы, и материал сохраняет практически все основные свойства необлученных образцов.

Таким образом, кажется приемлемым изготовить ФР нагревательные трубки из композиционных углеродных волокон и связующего. Другое близкое по применению свойство этих материалов заключается в том, что состав является пористым и проницаемым по отношению к водороду (это также изучалось в связи с проектом ITER). Эти особенности в большой степени зависят от составных частей состава, и проницаемость может варьироваться на величину в несколько порядков с помощью специфических процессов местного уплотнения или наложением защитных покрытий. В соответствии с настоящим изобретением эта особенность имеет два важных применения:

5.3.10) Это позволяет вводить топливный газ (водород) в ФР нагревательные трубки. Было подсчитано, что плита толщиной в несколько миллиметров с ограниченным числом узких пологих каналов, в которые вводят водород под давлением, могут обеспечивать необходимую норму поставки топлива, которая должна быть порядка 1 г/см². Использование подходящего барьера/покрытия предотвращает утечку газа через внешний слой трубки в жидкий хладагент. Диаграмма принципа "прохудившейся" стены трубки демонстрируется на фиг.21.

5.3.11) Это позволяет охлаждать до приемлемой температуры стенки и камеры, и сопла, подвергнутые воздействию очень горячего газа так называемым охлаждением конвекционным испарением.

Детали структуры трубки показаны на фиг.21, на которой показана маленькая пластина кругового сечения трубки 28. Внутренний объем 29 трубки заполнен газом, в то время как трубка погружена в хладагент 36. Трубка сделана из углеродной матрицы, с соответствующей ориентацией волокон 33, и она является пористой по отношению к газу, которым снабжается через множество тонких трубок 32, внедренных в стенки трубки. Металлическое покрытие 30 покрывает внешнюю поверхность трубок, чтобы предотвратить попадание газа через выход в область хладагента. Это покрытие 30 также используется, чтобы гарантировать совместимость с жидкостью хладагента. Оно может быть изготовлено, например, из карбида титана. Дополнительное покрытие 31, которое находится внутри стен трубки, на частях газовых трубок, через которые поставляется газ 32, ориентируемый на внешние точки трубки, может помочь направить поток газа по направлению к внутреннему объему 29. Топливо, располагающееся на внутренней стенке 34 трубки, может быть разделено на полоски с помощью множества маленьких разрезов-щелей 35, которые позволяют газу поступать в трубку, хотя проницаемость тонкого слоя к водороду очень высока и даже однородна, но очень тонкий слой не составляет никакого барьера газовому потоку.

Что касается химической совместимости композиционных углеродных волокон и связующего с водородом, то было установлено, что, хотя при более низких температурах имеется возможность образования CH₄, такое влияние сильно уменьшено при высоких температурах. Попадание такого, в конечном счете образовавшегося небольшого количества CH₄ в ФР нагревательную камеру должно быть безопасным, в то время как влияние эрозии на композиционный материал, как ожидается, будет незначительным. С другой стороны, в окружающей среде, богатой водородом, практически полностью предотвращается окисление. Относительно химической совместимости углерода с литием, должны быть рассмотрены два влияния:

5.3.12) Образование карбида (Li₂C₂).

5.3.13) Растворимость углерода в жидком металле с явлением комплексного переноса.

5.3.14) Разбухание материала из-за проникновения жидкого металла внутрь композита.

Все эти влияния должны быть исследованы, прежде чем будет осуществлен прямой контакт между хладагентом и углеродными волокнами. Однако этот контакт может быть устранен, поскольку, как видно из фиг.21, для того, чтобы избежать просачивания водорода в хладагент, используют соответствующее поверхностное покрытие 30 на внешней поверхности трубок, которое впоследствии гарантирует разделение между хладагентом и композиционным углеродным материалом. Превосходным материалом для этого покрытия является карбид титана.

Итак, общая конструкция ФР нагревающей области включает относительно большое количество трубок, сделанных из углеродистого композиционного материала, погруженного в низконапорную охлаждающую ванну. Это напоминает структуру обычного реактора с полыми трубками, заменяющими топливные стержни и сборку.

Эта аналогия подтверждается и тем, что имеется базовая пластина, в которую включены эти трубки. Отдельные трубки являются сменными и используются для дозаправки, и прикрепленное к пластине соединение гарантирует механическую поддержку, а также снабжение водородом. Трубки только поддерживаются опорной плитой, в то же время являются свободными.

Дополнительная дозаправка по аналогии с реактором осуществляется путем извлечения трубки из держащей тарелки-плиты, после того как будет удалена верхняя крышка отражателя и в отсутствии охлаждающей жидкости. Процедура топливной экстракции может быть выполнена из верхней крышки полости замедлителя с применением методики, известной для обычных реакторов, например с парой вращающихся покрытых тарелок.

Очевидно, возможно и более сложные операции. Например, группы трубок могли бы быть устроены в виде субблоков (топливные связки), которые отдельно удаляются как блоки в течение дозаправки в пространстве. Каждый из этих субблоков мог бы иметь собственное расширение газа и выхлоп через форсунку. Очевидно, все субблоки двигателя расположены внутри одного объема отражателя.

5.4 Расширение газа и область выхлопа.

Возвращаясь снова к фиг.19, можно отметить, что горячий газ от трубок собирается в застойной области 20. Эта часть очень похожа на ту же часть обычного химического двигателя ракеты, за исключением того, что температура застоя намного выше (например, 9500 К и атомарный Н в нашем случае, против примерно 3500 К и стехиометрической смеси Н₂ и О₂ для жидкого Н/O химического двигателя). Давление в двигателе поддерживается на заданном значении с помощью узкого отверстия 21, через которое происходит утечка газа к воронке 22 расширения, в которой тепловая энергия преобразовывается в скорость газа и, следовательно, в реактивную тягу. Наиболее вероятно, что газ, проходящий через форсунку и через воронку расширения, остается в виде атомарного водорода ("замороженный поток"), который имеет самую маленькую атомную массу (равную 1) и поэтому высокий удельный импульс. Стенки прохода и соседних частей охлаждаются литием 23 и сохраняются при приемлемой температуре "подушкой" более холодного газа путем испарения. Температура в воронке расширения в конечном счете очень низкая, но экзотермическая конверсия атомарный → молекулярный может происходить в контакте с твердыми поверхностями.

Полная термодинамическая эффективность (КПД) преобразования "теплота - тяга" составляет, обычно, 60-70%.

5.5 Система охлаждения.

Функция системы охлаждения заключается в рассеивании теплоты в пространство, не конвертируя ее в тягу, и эта система разработана таким образом, чтобы быть способной рассеять всю произведенную ядерную энергию в случае, если, например, происходит отказ в газовой поставке.

Эта система соединена с источником теплоты (внешние стенки трубок) с помощью циркулирующего хладагента (тепловая трубка). Поэтому температура трубок близка к температуре, с которой излучается энергия, которая, в свою очередь, зависит от температуры излучающей поверхности в соответствии с законом излучения абсолютно черного тела (закон Стефана). Общая площадь поверхности радиатора S_rad (это фактический эквивалент поверхности абсолютно черного тела, и он равен фактической площади поверхности с учетом коэффициента поглощения поверхности) пропорциональна общей площади расщепляющейся (^242mAm) поверхности S_foil и в большой степени зависит от температуры радиатора T_rad:

Фактическая зависимость для типичных значений удельной расщепляющей мощности расщепления представлена на фиг.22. Очевидно, что для того, чтобы гарантировать эффективное охлаждение, радиатор должен работать при максимально возможной температуре. Хорошей точкой отсчета могла бы быть точка кипения лития при низком давлении (1 бар абсолютный), соответствующая 1342°С. При этой температуре соотношение S_rad/S_foil, равное 5,12, 2,56 и 1,28, соответственно для dW_fiss/dS_foil=200, 100 и 50 Вт/см², которые являются разумными значениями. Теплота кипения ⁷Li, которая используется для охлаждения (концепция кипящего реактора), составляет 19,24 кДж/г (134,7 кДж/моль), и рассеивание, например, мощности 100 МВт требует кипения и последующей конденсации чистых 5,2 кг/с (9,7 литров/с) хладагента. Поэтому с точки зрения качественного анализа можно считать характерную температуру двигателя не меньшей, чем 1500 К.

Температура рефлектора в полости замедлителя по практическим причинам, вероятно, будет очень близка к температуре двигателя. Поэтому большая часть двигателя будет работать при той же самой температуре.

Удаление избыточной теплоты является проблемой в космосе. Как уже было указано, предполагается, что расплавленный литиевый хладагент находится в точке кипения с низким давлением (точное давление будет зависеть от фактической рабочей температуры). Литий извлекают в виде пара и направляют к излучающим панелям, где он конденсируется вновь в жидкую фазу. Теплота кипения имеет относительно высокое значение, составляющее 19,24 кДж/г. Как уже было указано, рассеивание 100 МВт мощности требует кипения и последующей конденсации чистых 5,2 кг/с (9,7 литра/с) хладагента.

На фиг.23 с целью иллюстрации представлена схематичная принципиальная диаграмма системы охлаждения. Объем двигателя, заполненный хладагентом 40, производит двухфазный кипящий литий, который перемещается в направлении 41 к парожидкостному сепаратору 42. Жидкость перемещается в направлении 43 к насосу 48 и заново вводится по направлению 49 в объем двигателя, заполненный хладагентом 40. Паровая фракция доставляется в направлении 44 к излучающим панелям 45, где она медленно сжижается. Образовавшуюся жидкую фазу переносят в направлении 46 к насосу 47 и через трубопровод 49 в охлаждающий объем двигателя 40.

Система излучающих панелей 45 с такой значительной поверхностью подвергается риску быть пробитой бомбардировкой метеоритов. В связи с этим требуется тонкая сегментация потока хладагента в панелях со специальными изоляционными клапанами, чтобы избежать сильной утечки газа в пространство в случае образования случайного отверстия.

5.6 Ожидаемое выполнение работы нагретым газом.

Чтобы преобразовать высокотемпературную энергию в тягу, газ подвергают расширению в расширяющемся раструбе, преобразуя тепловую энергию (энтальпию), происходящую в результате нагрева газа, в кинетическую энергию импульса, с последовательным изменением в составе газа. В любой точке скорость v определяется законом сохранения энергии:

Число Маха М и площадь А области сопла относятся к полной площади A_throat сопла как

Поэтому возможно вычислить для каждого конкретного давления количество изоэнтропически расширяющегося в воронке газа, его параметры в данный момент и, в частности, скорость газа, то есть удельный импульс, или при давлении на выходе, или при выходе через форсунку к физическому вакууму.

Главное предположение в предыдущем вычислении - существование химического равновесия газа повсюду в расширяющейся форсунке. Если это предположение не выполняется жестко, имеют место две реакции рекомбинации, направленные на поддержание термодинамического равновесия в процессе охлаждения:

5.6.1) Рекомбинация электронной плазмы в нейтральные атомы. Первичная реакция представляет собой следующее: р_n+→Н°+γ, а именно обратный процесс фотоионизации. Этот процесс не происходит, поскольку при T_∞≤9500 К степень ионизации очень мала.

5.6.2) Рекомбинация нейтральных атомов в молекулы, а именно Н°+Н°→Н₂. Эта реакция, как здесь описано, кинематически невозможна, так как невозможно одновременно сохранять и энергию, и импульс. Поэтому эта форма рекомбинации может происходить только через более высокие порядки процессов, вовлекая (1) одновременные столкновения со многими телами подобно, например, 3Н°→Н°+Н₂, требуя более высокого давления, или (2) с эмиссией фотона или, что более вероятно, Оже-электрона Н°+Н°→H₂+γ (е). Однако порог для указанной последней реакции (2) - потенциал ионизации, и это далеко отстоит от типичных рассматриваемых типов энергий.

Таким образом, вероятно, эта рекомбинация останется "замороженной", по крайней мере, при относительно низких давлениях, и тяга у двигателя будет достигнута прежде всего через эмиссию нейтральных атомов водорода. В связи с этим подсчет был повторен для газа, в котором сохраняется атомное состояние, при выделении его через сопло при температуре, которая выше температуры рекомбинации, и оно сохраняется во время движения в воронке расширения.

На фиг.24 представлена зависимость скорости выхлопа и удельного импульса в вакууме при условии химического равновесия и полностью "замороженного" потока для давления полного торможения 6 атм как функции температуры полного торможения. Как уже было отмечено, ожидаемая температура застойной области составляет 9500 К.

Потеря от работы с выхлопом атомного водорода не столь велика, как можно было ожидать. Действительно, хотя экзотермическая реакция рекомбинации в молекулы водорода отсутствует, средняя величина А испускаемого газа разделена на два с учетом молекулярного водорода, таким образом увеличивая скорость и, следовательно, удельный импульс за счет коэффициента =1.41, который является значительным. При температуре полного торможения от 9300 К до 9400 К, излучение ограничено, в этом случае получают замороженный поток с удельным импульсом I_sp=2000 секунд, который может быть сравнен с I_sp=2540 секунд для осуществления полной рекомбинации (усовершенствование составляет 24%) и I_sp=430 секунды в случае лучших химических двигателей.

Атомный поток водорода является сильно охлажденным (220 К по сравнению с 2300 К при полной рекомбинации), что само по себе является преимуществом при проектировании сопла. Однако необходимо отметить, что рекомбинация может быстро происходить при контакте со стенками, которые могут обеспечивать отсутствующий импульсный баланс, необходимый для возникновения реакции. Это известный эффект, на котором основан так называемый "плазменный факел". Быстрая рекомбинация производит избыточную теплоту при контакте с твердыми поверхностями, которые могли бы устранить вышеупомянутое преимущество при низкой температуре газа.

1. Способ нагрева газа, характеризующийся тем, что газ вводят в, по меньшей мере, одну камеру, имеющую стенку, покрытую расщепляющимся материалом, и этот расщепляющийся материал подвергают воздействию потока нейтронов для индуцирования расщепления, за счет которого фрагменты расщепления выделяются внутрь камеры, при этом указанную стенку камеры охлаждают с задней стороны по отношению к камере и указанному покрытию.

2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что индуцирование расщепления происходит в критических условиях.

3. Способ по любому из предшествующих пунктов, характеризующийся тем, что содержание расщепляющегося вещества в покрытии из расщепляющегося материала составляет менее чем 10 мг/см², предпочтительно в пределах от 1 до 3 мг/см².

4. Способ по любому из предшествующих пунктов, характеризующийся тем, что расщепляющийся материал в качестве расщепляющегося изотопа включает ^242mAm.

5. Способ по любому из пп.1-3, характеризующийся тем, что расщепляющийся материал в качестве расщепляющегося изотопа включает ²³³U, ²³⁵U или ²³⁹Pu.

6. Способ по п.4 или 5, характеризующийся тем, что расщепляющийся материал находится в форме карбида.

7. Способ по любому из предшествующих пунктов, характеризующийся тем, что указанная, по меньшей мере, одна камера расположена внутри оболочки, окруженной нейтронным отражателем.

8. Способ по п.7, характеризующийся тем, что нейтронный отражатель включает углерод, бериллий или оксид бериллия.

9. Способ по п.7, характеризующийся тем, что нейтронный отражатель включает слой углеродного материала, окружающий оболочку, причем толщина указанного слоя в см составляет, по меньшей мере, 50/d, предпочтительно, по меньшей мере, 150/d, где d представляет собой плотность указанного углеродного материала, выраженную в г/см².

10. Способ по любому из пп.7-9, характеризующийся тем, что нейтронный отражатель содержит полости для приема сменных поглощающих нейтроны контрольных стержней.

11. Способ по любому из пп.7-10, характеризующийся тем, что внутри оболочки, окруженной нейтронным отражателем, размещено множество камер для приема нагретого газа.

12. Способ по любому из пп.7-11, характеризующийся тем, что указанная, по меньшей мере, одна камера сообщается с выхлопным соплом через проход, проделанный в нейтронном отражателе.

13. Способ по п.12, характеризующийся тем, что оболочка содержит топливный отсек, где расположена указанная, по меньшей мере, одна камера, и отсек для сбора горячего газа между топливным отсеком и проходом, при этом охлаждающая среда циркулирует в контуре, первая часть которого проходит по лицевой стороне нейтронного отражателя, смежной с отсеком для сбора горячего газа, а вторая часть расположена в топливном отсеке и отделена от отсека для сбора горячего газа с помощью перегородки, имеющей отверстие, в которое вставлен открытый конец покрытой стенки камеры, и покрытая стенка камеры отделяет камеру от указанной второй части охлаждающего контура внутри топливного отсека.

14. Способ по любому из предшествующих пунктов, характеризующийся тем, что указанная, по меньшей мере, одна камера имеет трубчатую форму.

15. Способ по любому из предшествующих пунктов, характеризующийся тем, что стенка указанной, по меньшей мере, одной камеры изготовлена из пористого материала, а газ вводят через поры внутри пористого материала стенки.

16. Способ по п.15, характеризующийся тем, что указанный пористый материал является углеродным материалом.

17. Способ по п.15 или 16, характеризующийся тем, что стенка покрыта газонепроницаемым слоем на ее задней стороне по отношению к камере и покрытию из расщепляющего материала.

18. Способ по п.17, характеризующийся тем, что газонепроницаемый слой включает карбид титана.

19. Способ по п.1 или 13, характеризующийся тем, что в качестве охлаждающей среды используют жидкий металл.

20. Способ по п.19, характеризующийся тем, что указанный жидкий металл включает ⁷Li.

21. Устройство для нагрева газа, включающее, по меньшей мере, одну камеру для помещения в нее газа, имеющую стенку, покрытую расщепляющимся материалом, и приспособление для воздействия на расщепляющийся материал потоком нейтронов для индуцирования расщепления и выделения фрагментов расщепления внутрь камеры, при этом устройство выполнено с возможностью охлаждения указанной стенки камеры с задней стороны по отношению к камере и указанному покрытию из расщепляющегося материала.

22. Устройство по п.21, характеризующееся тем, что покрытие из расщепляющегося материала и приспособление для воздействия потоком нейтронов выполнены с возможностью индуцирования расщепления в критических условиях.

23. Устройство по п.21 или 22, характеризующееся тем, что содержание расщепляющегося вещества в покрытии из расщепляющегося материала составляет менее чем 10 мг/см², предпочтительно в пределах от 1 до 3 мг/см².

24. Устройство по любому из пп.21-23, характеризующееся тем, что расщепляющийся материал в качестве расщепляющегося изотопа включает ^242mAm.

25. Устройство по любому из пп.21-23, характеризующееся тем, что расщепляющийся материал в качестве расщепляющегося изотопа включает ²³³U, ²³⁵U или ²³⁹Pu.

26. Устройство по п.24 или 25, характеризующееся тем, что расщепляющийся материал находится в форме карбида.

27. Устройство по любому из пп.21-26, характеризующееся тем, что включает нейтронный отражатель, окружающий оболочку, внутри которой расположена указанная, по меньшей мере, одна камера.

28. Устройство по п.27, характеризующееся тем, что нейтронный отражатель включает углерод, бериллий или оксид бериллия.

29. Устройство по п.27, характеризующееся тем, что нейтронный отражатель включает слой углеродного материала, окружающий оболочку, причем толщина указанного слоя в см составляет, по меньшей мере, 50/d, предпочтительно, по меньшей мере,150/d, где d представляет собой плотность указанного углеродного материала, выраженную в г/см².

30. Устройство по любому из пп.27-29, характеризующееся тем, что нейтронный отражатель содержит полости для приема сменных поглощающих нейтроны контрольных стержней.

31. Устройство по любому из пп.27-30, характеризующееся тем, что внутри оболочки, окруженной нейтронным отражателем, размещено множество камер для приема нагретого газа.

32. Устройство по любому из пп.27-31, характеризующееся тем, что указанная, по меньшей мере, одна камера сообщается с выхлопным соплом через проход, проделанный в нейтронном отражателе.

33. Устройство по п.32, характеризующееся тем, что оболочка содержит топливный отсек, где расположена указанная, по меньшей мере, одна камера, и отсек для сбора горячего газа между топливным отсеком и проходом, при этом охлаждающая среда имеет возможность циркулирования в контуре, первая часть которого проходит по лицевой стороне нейтронного отражателя, смежной с отсеком для сбора горячего газа, а вторая часть расположена в топливном отсеке и отделена от отсека для сбора горячего газа с помощью перегородки, имеющей отверстие, в которое вставлен открытый конец покрытой стенки камеры, и покрытая стенка камеры отделяет камеру от указанной второй части охлаждающего контура внутри топливного отсека.

34. Устройство по любому из пп.21-33, характеризующееся тем, что указанная, по меньшей мере, одна камера имеет трубчатую форму.

35. Устройство по любому из пп.21-34, характеризующееся тем, что стенка указанной, по меньшей мере, одной камеры изготовлена из пористого материала, а устройство включает приспособление для ввода газа внутрь камеры через поры пористого материала стенки.

36. Устройство по п.35, характеризующееся тем, что указанный пористый материал является углеродным материалом.

37. Устройство по п.35 или 36, характеризующееся тем, что стенка покрыта газонепроницаемым слоем на ее задней стороне по отношению к камере и покрытию из расщепляющегося материала.

38. Устройство по п.21 или 31, характеризующееся тем, что в качестве охлаждающей среды используют жидкий металл.

39. Устройство по п.38, характеризующееся тем, что указанный жидкий металл включает ⁷Li.

40. Двигатель для космического аппарата, включающий устройство для нагрева газа по любому из пп.21-39 и приспособление для выброса нагретого газа в космос для создания тяги.

41. Двигатель для космического аппарата по п.40, характеризующийся тем, что нагретый газ включает водород.

42. Двигатель для космического аппарата по п.40, характеризующийся тем, что нагретый газ включает диоксид углерода, и/или гелий, и/или аргон.