Система ракетной тяги на инерционном термоядерном синтезе, называемая ракета на лазерном синтезе, laser fusion rocket (LFR) -привлекательная идея для будущих межпланетных миссий, так как подобный привод может обеспечить и большой удельный импульс и большую тягу одновременно. До настоящего времени, были сделаны некоторые концептуальные разработки в этой области, основываясь на обычной схеме инерционного воспламенения [то есть по схеме центрального воспламенения, central ignition (CI) ]. Мы в этой работе предлагаем проект LRF основанный на новой схеме - быстрого воспламенения, fast ignition (FI). Эта схема опирается на недавние экспериментальные и теоретические исследования, которые показывают ее большее преимущество и возможность при воспламенении мишеней термоядерного топлива, использовать меньше лазерной энергией. В применении к ракетному приводу на термоядерном синтезе это означало бы создание более компактной LFR.
В этой работе, мы оцениваем для нового проекта экономию массы главных компонентов, скажем, камеры сгорания, лазерного инициализатора и т.д. в сравнении с более ранней разработкой, основанной на традиционной схеме. В итоге мы обнаружили, что возможно сокращение сухой массы энергетической системы в 7 раз, если использовать быстрое воспламенение вместо обычного, центрального. Также становится возможным соответствующее уменьшение некоторых габаритных параметров, что показано на примере радиуса катушки магнитного зеркала (13 м в CI против 5 м в FI).
1. Введение
Ракетный двигатель, в котором тяга создается вспышками (микровзрывами) инерционного термоядерного синтеза, которые в свою очередь инициализируются лазерными лучами - это ракета на лазерном синтезе (LFR) - красивая, привлекательная идея для межпланетных путешествий будущего. Она подкупает тем, что может обеспечить в двигателе и большой удельный импульс и относительно большую тягу одновременно. Существует несколько концептуальных разработок использующие LFR, которые базируются на обычной схеме воспламенения (инициализации) термоядерной реакции в мишени (то есть по схеме центрального воспламенения, сокращенно CL).
Хайд [1] (в работе "Hyde", но по всей видимости R. Hide, предложивший подобную систему в 1972-м году. Прим. пер.) придумал LFR первым, а в последствии предложил усовершенствования к ней. Другие последователи [3] развили концепцию Хайда и в конечном итоге воплотили ее в проект корабля под названием VISTA (буквально "Перспектива"), который, по расчетам, способен доставить пилотируемую миссию на Марс и обратно с полезной нагрузкой в 100 тонн и продолжительностью всей миссии 100 дней, включая пребывание на планете приблизительно 10 дней. Недавно к первоначальному проекту были сделаны обширные дополнения и целый ряд усовершенствований. См. ссылку [4].
Рисунок 1 показывает схематическую компоновку LFR, которая получает тягу от инициализированных лазерами термоядерных микровзрывов.
Рисунок 1. Компоновка ракеты на термоядерном лазерном синтезе (LFR)
1 - Лазерный инициатор. 2 - Зеркало. 3 - Тепловые радиаторы. 4 - Полезная нагрузка. 5- Лучевой экран полезной нагрузки. 6 - Сверхпроводящий магнит. 7- Лучевой экран сверхпроводящего магнита. 8 - Точка термоядерного микровзрыва.
Геометрия данной концепции LFR - полый усеченный конус с углом 500. Такая форма понадобилась, чтобы сократить массу тяжелых экранов защищающих от нейтронной радиации (и гамма-лучей) а так же избежать паразитного нагревания обшивки корабля. Половина 50 градусного угла максимизирует эффективность тяги [3] [5].
Мы же, в свою очередь, здесь предлагаем развитие данного проекта LFR, базирующееся на новой схеме быстрого воспламенения инерционного синтеза (FI). Эта идея опирается на недавние экспериментальные и теоретические исследования, которые показывают, что можно получить большую энергетическую выгоду реакуции при использовании лазеров меньшей энергии [6][7]. Если мы применим FI в термоядерном двигателе, то это будет означать создание более компактной LFR.
В этой работе мы демонстрируем возможность уменьшение массы за счет таких компонентов системы как камера сгорания, блок лазерных инициализаторов и т.д. по сравнению с исходным проектом. Мы также указываем главные технологические проблемы, которые надо решить, чтобы воплотить LFR в металл.
2. Центральная инициализация (Central ignition) против Быстрой (fast ignition).
Быстрое воспламенение (инициализация, поджег), кратко FL, - это недавно предложенная схема инерционного термоядерного синтеза, где используются две разные лазерные системы для сжатия (имплозии) и нагревания мишени [8].
Требования для процесса сжатия таковы, что оболочка топлива должна быть обжата с использованием длинных (<20 наносекунд) лазерных импульсов которые должны обеспечить сжатие мишени до плотности более чем в 1000 раз большей, чем первоначальная. Сравнивая со схемой с центральным воспламенением (СI) которая требует чтобы в результате обжатия сформировалось горячее ядро в центре сжатой топливной мишени, здесь все требование сводится только к достижению высокой плотности перед началом следующей стадии быстрого воспламенения. Это снижает жесткость требований типа иррадиальности лазерных лучей, равномерности их мощности и однородности включения со всех сторон, которые надо строго соблюдать для центральной схемы инициализации. В новой же схеме для принудительного нагревания уже сжатой мишени используется высоко-энергетические электроны, которые вышибаются в мишени вторым высоко-мощным лазерным импульсом который направляется уже на сжатую топливную мишень, что должно поднять температуру топлива до нужной величины. Новая схема, использующая такое гидродинамическое сжатие, с последующим отдельным воспламенением, была предложена недавно [9]. Простая физика процесса, эффективность поглощения огромной энергии, низкая цена не требующая применять PW-лазеры, простота исследования в лабораториях при достаточном понимании физики процесса и умении экспериментаторов, как показано, является значительным преимуществом новой схемы.
Рисунок 2 сравнивает обе схемы.
Рисунок 2. Центральная инициализация против быстрой инициализации.
1- Лазерное облучение. 2 - испарение, сжатие. 3 - зажигание (инициализация) 3-а - центральное CI, 3-в -быстрое FI. 4 - вторичный лазерный луч. 5 - Горение.
Энергетическая прибыль (вычисляется как отношение энергии выделившейся при синтезе к энергии лазерных лучей, вложенных в мишень) для DT топлива представлена в виде графика на рисунке 3. Здесь она показана как функция от вложенной лазерной энергии для двух схем [10]. Видно, что быстрая схема воспламенения дает энергетическую прибыль намного больше при меньшей энергии лазерных инициаторов.
Рисунок 3 Энергетическая прибыль для DT-топлива.
1- Энергетическая прибыль (выделившаяся/вложенная энергия) 2 - Энергия (в Мегаджоулях) лазерной инициализации. 3- быстрая инициализация, 4 центральная инициализация.
3. Дизайн системы и расчет массы
Движение энергии и масс в LFR показано на рис. 4.
1 - Поток вещества. 2 - Поток энергии. 3 - Хранилище топлива. 4 - Инжектор мишеней. 5 - Камера сгорания. 6 - Тяга. 7 - кольцо-индуктор энергосистемы. 8 - Конденсатор. 9 - Лазерные драйверы. 10 - Радиаторы
Шарики с термоядерным топливом инжектируются в точку сгорания. В этот самый момент лазеры разряжаются, инициализируя термоядерный микровзрыв мишени. Продукты термоядерной реакции преобразовываются в тягу с помощью магнитного зеркала. Механизм получения импульса в зеркале показан на рис. 5.
1 - Магнитное кольцо. 2- Линии магнитного поля. 3-Магнитные силовые линии выталкивают плазму, не позволяя ей двигаться в сторону судна. 4 - Облако плазмы. 5 - Магнитные линии сжимаются. 6 - Термоядерная плазма. 7 - Расширение плазмы. 8 - Магнитное поле выталкивает плазму назад.
Часть энергии синтеза в виде потока заряженных частиц плазмы рекуперируется специальным кольцом-индуктором напрямую в ток и подается на источники питания лазеров для следующего выстрела. Лишнее тепло, являющееся результатом неэффективности лазерных драйверов и прочих подсистем энергетической системы рассеиваются через каналы высокотемпературных радиаторов.
Масса каждого из компонентов системы рассчитана с использованием выражений, данных в ссылке [1]. В таблице 1 приведен список параметров, взятых при вычислении.
Таблица 1. Принятые параметры
|
Параметр |
Центральное воспламенение |
Быстрое воспламенение |
| Мощность драйвера: [МДж] | 5 | 0,5 |
| Эффективность драйвера: cdriver | 0,06 | 0,06 |
| Энергия лазеров: EL (КДж) | 220 | 15 |
| Тип топлива | DT | DT |
| Топливная эффективность мишени: G | 1500 | 450 |
| Реактивная эффективность магнитного сопла: | 0.65 | 0.65 |
| Максимальная частота взрывов: f (c-1) | 30 | 30 |
| Радиус магнитной катушки зеркала: RC, (м) | 13 | 5 |
| Масса полезной нагрузки: (тонн) | 100 | 25 |
| Полная длинна системы: (м) | 125 | 48 |
| Расстояние до Марса: (м) | 7.83x1010 | 7.83x1010 |
| Время путешествия туда и обратно: (дни) | 80 | 80 |
Эффективность сгорания DT шарика (отношение полученной энергии к вложенной) приняты оптимистические. Для центрального воспламенения (CI) G=1500 при E = 5 MJ [11], а для быстрого воспламенения (FI) G = 450 и E = 0.5 MJ. Здесь G и E эффективность и общая энергия лазеров соответственно. Радиус токовой петли (катушки) в магнитном зеркале (сопле) уменьшился с 13 м для CI до 5 м в случае FI. Эффективность драйверов (KrF-лазеров) принята 6%. Другие ключевые параметры, типа частоты взрывов мишеней приняты теми же самыми, что и в [3]. Для полета на Марс туда и обратно длительность миссии оценивается приблизительно 80 дней (время пребывания у цели не учитывается). Стартовая масса рассчитана согласно предположению, что масса корабля остается постоянной и относительно малым расходом (например, топлива) мы пренебрегаем. Аналитический код траектории был составлен с использованием уравнений реактивного движения.
Результаты расчета представлены в таблице 2 и на рис 6.
Таблица 2. Распределение массы по модулям (в тоннах).
| Подсистема |
Центральное воспламенение |
Быстрое воспламенение |
| Полезная нагрузка: | 100 | 25 |
| Экран полезной нагрузки: | 104 | 68 |
| Всего полезная нагрузка: | 204 | 93 |
| DT топливо: | 14 | 0,53 |
| Инжектор мишеней: | 82 | 94 |
| Топливный бак: | 2 | 2 |
| Всего топливная система: | 98 | 97 |
| Лазерные драйверы | 66 | 6 |
| Тепловые радиаторы драйверов | 94 | 8 |
| Всего подсистема драйверов: | 160 | 14 |
| Магнитное кольцо | 301 | 12 |
| Экран магнитного кольца + амортизаторы | 82 | 13 |
| Радиаторы | 230 | 4 |
| Всего камера сгорания: | 613 | 29 |
| Стартовое оборудование реактора | 9 | 1 |
| Кабеля, трубопроводы, коммуникации | 3 | 1 |
| Кольцо-индуктор энергосистемы | 39 | 7 |
| Система охлаждения | 3 | 3 |
| Вспомогательная система: | 54 | 12 |
| ВСЕГО сухая масса: | 1031 | 148 |
| ВСЕГО полная масса: | 1129 | 245 |
Как показывает рисунок 6 возможно сокращение сухой массы энергетической установки в 7 раз если использовать новую схему воспламенения. При этом возможно соответствующее масштабное уменьшение радиуса токовой петли магнитного сопла.
Столь маленький радиус магнитной катушки 5 м сопоставим с радиусом магнитного кольца принятого в проекте ITER для магнитного удержания плазмы. Такое уменьшение размеров магнита должна понизить стоимость и время необходимое для развития концепции двигателя и LFR получает больше шансов на свое осуществление раньше. Все это указывает на преимущество схемы FI перед схемой CI для развития концепции LFR.
1-Полезная нагрузка. 2-Подсистема драйверов (инициации реакции). 3-Двигательная система (магнитное зеркало). 4-Вспомогательные системы.
Однако, имеются некоторые технические трудности, которые еще ждут своего решения. Во-первых, хотя энергетическая эффективность G сгорания топливной мишени - наиболее важный параметр, мы вынуждены признать, что имеется некоторая двусмысленность в оценке этого параметра.
Во-вторых. Магнитное сопло и камера сгорания - сердце проекта LPF. В нем разлетающаяся энергия плазмы преобразовывается в импульс корабля [4]. Проводился вычислительный эксперимент для оценки эффективности преобразования разлета однородной плазмы в импульс [12]. Было обнаружено, что эффективность преобразования может достигать 60%. Но необходимы более тонкие вычислительные эксперименты и они предлагаются как для GEKKO [13], так и в проекте National Ignition Facility[14].
В-третьих, прямое преобразование (рекуперации) энергии плазмы в электрическую энергию в кольце-индукторе как предполагают, будет составлять всего несколько процентов [15]. Но надо принять во внимание, что для CI потребуется 4%, а для FI потребуется еще больше - 17%, что следует из нашего расчета энергетической отдачи при сгорании шарика. Таким образом, подсистема энергоснабжения через кольцо-индуктор должна быть значительно усовершенствована и проверена в экспериментах.
4. Заключение.
По сравнению с CI схема FI, как мы здесь показываем, позволяет осуществить более компактную FLR (ракету на лазерном термоядерном синтезе), если технологические проблемы, типа метода рекуперации энергии плазмы в ток, будут решены.
Эта работа получила частичную поддержку в соответствии с программой исследований института лазерной энергетики в университете Осака (Institute of Laser Engineering, Osaka University).
References