способ создания реактивной тяги ядерного ракетного двигателя

Формула изобретения

Способ создания реактивной тяги ядерного ракетного двигателя, заключающийся в том, что рабочее тело нагревают в активной зоне реактора продуктами деления делящегося материала, деление которых осуществляют тепловыми нейтронами, полученными из быстрых нейтронов в замедлителе, и выбрасывают из сопла двигателя, создавая реактивную тягу, отличающийся тем, что делящийся материал ускоряют до скорости его резонансного деления при соударении с тепловыми или ультрахолодными нейтронами и вводят его в активную зону реактора, где осуществляется цепная ядерная реакция деления на резонансных нейтронах, при этом реактивная тяга создается осколками деления, а также быстрыми нейтронами и гамма-квантами, выбрасываемыми из сопла двигателя, причем цепная реакция деления поддерживается за счет замедления в замедлителе остальных быстрых нейтронов до тепловых или ультрахолодных энергий и их последующего дифундирования в активную зону реактора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ракетной и ядерной технике и предназначено для освоения космического пространства. Оно может быть использовано для получения электрической и тепловой энергии на космическом корабле.

Общепринятым, традиционным способом создания реактивной тяги является химическая реакция горения, продукты которой, являющиеся в этом случае рабочим телом, выбрасываются из сопла реактивного двигателя.

Недостатком реактивных двигателей, основанных на химической реакции горения, является невысокая скорость выхода продуктов горения из сопла двигателя, составляющая 1000.3000 м/с, что влечет за собой необходимость размещения на ракете больших масс горючего для придания ей заданной скорости.

Аналогичным недостатком обладают и ядерные реактивные двигатели. В известном ядерном реактивном двигателю цепная ядерная реакция деления осуществляется с использованием газообразного ядерного топлива. Это топливо в предварительно нагретом состоянии подается в активную зону реактора, где оно высокочастотным электромагнитным полем превращается в плазму, затем сжимается и удерживается в центре активной зоны магнитным полем соленоида.

В этом двигателе из-за большого давления газообразного делящегося вещества высокоэнергетические продукты деления не могут быть использованы в качестве рабочего тела для создания реактивной тяги, поскольку они полностью поглотятся в активной зоне реактора из-за малой длины свободного пробега, которая значительно меньше 1 см (например, при давлении газа в одну атмосферу длина пробега в воздухе равна 2 см.) [В.И.Калашников, М.С.Козодаев, Детекторы элементарных частиц, Москва, Издательство Наука, 1966г. стр. 32; К. Н.Мухии, Введение в ядерную физику, Госатомиздат, 1963г. стр.337]

Реактивная тяга двигателя создается рабочим телом жидким водородом. Жидкий водород, проходя по каналам, охватывающим активную зону реактора, испаряется и затем попадает в активную зону, где, контактируя с плазмой делящегося вещества, разогревается и под большим давлением и с высокой скоростью (до 3000 к/с) выбрасывается из сопла двигателя. Однако и этой скорости недостаточно для получения высоких скоростей ракеты (десятки сотни тысяч километров в секунду) даже при размещении на ней больших (в несколько раз больших, чем масса ракеты) количеств жидкого водорода (патент Англии G 6 C N 1000050 от 29 августа 1962г.-прототип).

Задачей настоящего изобретения является уменьшение начальной массы горючего на ракете и повышение реактивной тяги двигателя.

В предлагаемом способе для возникновения цепной ядерной реакции деления делящийся материал ускоряют до скорости его резонансного деления при соударении с тепловыми или ультрахолодными нейтронами и вводят в активную зону реактора, в которой осуществляется цепная ядерная реакция деления на резонансных нейтронах.

При этом реактивная тяга создается осколками деления, а также быстрыми нейтронами и гамма-квантами, выбрасываемыми из сопла двигателя. Цепная реакция деления поддерживается за счет замедления в замедлителе остальных быстрых нейтронов до тепловых или ультрахолодных энергий и их последующего диффундирования в активную зону реактора.

Реактивная тяга ракетного двигателя создается осколками деления (имеющих скорость примерно 1,210⁷ м/с), быстрыми нейтронами (скорость - 510⁷ м/с) и гамма-квантами (перемещающимися со скоростью 310⁸ м/с), т. е. средняя скорость выхода рабочего тела из сопла двигателя составит 1,210⁷м/с.

Увеличение примерно в 4000 раз скорости выхода из сопла двигателя рабочего тела, в соответствующее количество раз уменьшает начальную массу топлива для достижения ракетой заданной скорости.

Для того, чтобы продукты деления можно было бы использовать в качестве рабочего тела, выбрасываемого из сопла двигателя, необходимо чтобы они, проходя через активную зону реактора, потеряли не более половины своей кинетической энергии. В связи с этим необходимо, чтобы плотность газообразного делящегося вещества в активной зоне реактора была бы на несколько порядков меньше, чем в прототипе. Тогда длина пробега продуктов деления сможет стать значительно больше объема активной зоны реактора и они смогут достигнуть выходное сопло двигателя и создать реактивную тягу при минимальной потере своей кинетической энергии (скорости).

Осуществить цепную ядерную реакцию деления на такой заряженной плазме обычным способом невозможно, поэтому в данном изобретении использован резонансный способ деления ядерного топлива.

Сущность резонансного способа деления заключается в том, что цепная ядерная реакция деления происходит на резонансе делящегося материала. Для этого все тепловые нейтроны, которые облучают делящийся материал, переводят в область энергии резонанса. Ускорить нейтроны до энергии резонанса практически невозможно, поэтому ускоряют делящийся материал до такой скорости, при которой энергия встречи (соударения) тепловых нейтронов и движущихся ядер делящегося материала совпадет с энергией выбранного резонанса деления. При таком делении делящегося материала его критическая масса, при которой начинается цепная ядерная реакция, может быть снижена примерно в 200 раз.

Это происходит потому, что в этом случае можно выбрать такое значение сечения резонансного деления ядерного топлива, которое будет в 2.6 раз больше его сечения деления тепловыми нейтронами. Кроме того, при скорости движения делящегося материала, равной или превышающей скорость нейтронов, происходит примерно 2.100-кратное увеличение пути нейтронов в этом материале. Такое увеличение пути равносильно увеличению в соответствующее число раз плотности облучаемого ими материала.

В связи с этим, при рассмотрении резонансов делящихся веществ во внимание принималось следующее: отношение сечения деления ядерного материала в резонансе к его делению тепловыми нейтронами; кажущееся увеличение плотности делящегося материала для рассматриваемого резонанса, которое пропорционально отношению скоростей нейтронов в резонансе к скорости тепловых нейтронов; соотношение величин сечений деления (_f) в тепловой области и в резонансе (при этом чем больше _f, тем лучше); отношение сечения поглощения (_c) к сечению деления (_f) в тепловой области и в резонансе, которое характеризуется параметром альфа () (чем меньше , тем лучше).

В тепловой области исходные значения параметров для U₂₃₅ и Pu²³⁹ соответственно равны: сечения деления (_f) 579,55 и 742,4 барна, значения = 0,1734 и 0,358, скорость тепловых нейтронов V 2200 м/с [Бюллетень информационного центра по ядерным данным. Выпуск третий, приложение 4, Атомиздат, 1967г.

Суммарный эффект от всех параметров рассматриваемого резонанса, для наглядности был выражен через "эффективное" сечение деления для тепловых нейтронов, в этом случае остальные параметры резонанса принимались равными аналогичным параметрам рассматриваемого делящегося материала для тепловых нейтронов. В результате такого представления в последующем рассматривалось только соотношение значений величин сечений деления в тепловой области и резонансе, т.е. использовались кратности сечений деления.

Из полученных для каждого резонанса кратностей сечений деления для U²³⁵ и Pu²³⁹ были выбраны их максимальные значения, которые соответственно равны 15 и 180. То есть эти значения показывают во сколько раз можно уменьшить начальную массу рассмотренных делящихся веществ для возникновения цепной ядерной реакции деления на тепловых нейтронах.

Для оценки плотности делящегося вещества, при которой возникает цепная ядерная реакция деления, рассмотрим данные по критическим радиусам цилиндров из водного раствора делящихся веществ, окруженных водой [Критические параметры систем с делящимися веществами и ядерная безопасность. Справочник. Атомиздат, М. 1966 г. Из этих данных следует, что при концентрации 0,3 кг/л делящегося вещества, состоящего из 50% U²³⁸ (в котором содержится 23% U²³⁵) и 50% Pu²³⁹ критический радиус цилиндра равен 2,8 см. Очевидно, что если весь U²³⁸ заменить на U²³⁵ или Pu²³⁹, то критический радиус цилиндра при приведенной концентрации будет несколько меньшим.

При проведении дальнейших количественных оценок будем использовать полученный критический радиус, полагая при этом, что все делящееся вещество состоит из Pu²³⁹. Тогда на 1 см длины цилиндра будет приходиться 7,4 грамма Pu²³⁹ (1,810²² ядер), что обеспечит начало цепной ядерной реакции деления тепловыми нейтронами.

При использовании резонансного способа деления Pu²³⁹ для энергий его резонансов 65 или 75 эВ количество плутония, приходящееся на один сантиметр длины цилиндра, можно снизить примерно в 180 раз и тогда его концентрация составит 110²⁰ яд/см длины.

Если принять плотность плазмы из делящегося вещества равной 510¹⁴ яд/см³ (это на порядок меньше, чем плотность плазмы в Токамаке-15), то тогда диаметр плазменного цилиндра будет равен 5 м, что также близко к диаметру плазмы в Токамаках. Если бы использовать газовый ядерный реактор деления на тепловых нейтронах с плотностью газа 510¹⁴ яд/см³, то тогда диаметр цилиндра должен быть равен примерно 70 м и осколки деления все равно не вышли бы из активной зоны реактора без значительной потери своей кинетической энергии (скорости). Кроме того, создать магнитную ловушку для плазмы таких больших размеров также представляет значительную трудность. Следовательно, использовать осколки деления для создания реактивной тяги в газофазных ядерных реакторах на тепловых нейтронах не представляется возможным. Использование магнитного поля ловушки в качестве инструмента для удержания плазмы из ядерного горючего позволяет этим же полем удерживать и высокоэнергетические осколки продуктов деления.

Эффективность удержания магнитным полем магнитной ловушки ионизированных ядер Pu²³⁹, движущихся со скоростью, определяемой энергией используемого резонанса деления (Ек 75 эВ,V 1,210⁵м/с) и высокоэнергетических ядер продуктов деления (Ек 80 МэВ, V=1,210⁷м/с), можно оценить по радиусу их вращения в магнитном поле.

Например, если однократно ионизированные ядра Pu²³⁹, имеющие энергию 75 эВ, попадут в магнитное поле 5 тесла, то их радиус вращения вокруг магнитносиловых линий будет равен 0,06 м, при этом радиус вращения полностью ионизированных ядер осколков деления составит около 0,05 м. Для сравнения радиус вращения дейтона с энергией 175 кэВ, вводимого в Токамак "ИНТОР" для нагрева дейтериевой плазмы, равен 0,02 м (магнитное поле Токамака "ИНТОР" равно 5 тесла).

Данные позволяют сделать вывод, что осколки деления удерживаются магнитным полем и, вращаясь вокруг его магнитносиловых линий, будут двигаться к торцам магнитной ловушки, которые в данном случае могут служить в качестве сопла (сопл) двигателя.

Эффективность использования предложенного способа можно оценить следующим образом. Так, например, если предположить, что все осколки деления, выходящие из торцов магнитной ловушки, вносят 100% вклад в создание реактивной тяги, то скорость ракеты после расходования 10% ее массы составит примерно 1300 км/с [Б. М.Яворский, А.А.Детлов. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. Государственное издательство физико-математической литературы, Москва, 1963, стр.42]

Получение таких скоростей позволит примерно в течение года осуществить полет к самой дальней планете солнечной системы Плутон и вернуться обратно. При этом на ракету в качестве ядерного горючего будет помещен безопасный и компактный U²³⁸, который будет постепенно превращаться в Pu²³⁹ и затем "сжигаться" в камере деления ядерного реактивного двигателя. При этом, если исходная масса ракеты равна 50000 кг, то из этой массы 13000 кг, что составит менее 1 м³, будет приходиться на U²³⁸, которого хватит чтобы ракета долетела до планеты Плутон и вернулась обратно на землю.

Мощность ядерного реактивного двигателя на начальном этапе может быть равна 10 ГВт (310²⁰ дел/с), расход примерно 10 кг плутония в сутки с последующим повышением мощности до 100 ГВт (100 кг в сутки), при этом ускорение ракеты массой 50 тонн составит 1% от ускорения силы тяжести на земле.

При приведенных значениях мощностей реактивного двигателя в теплоносителе от замедления быстрых нейтронов будет выделяться значительная энергия, составляющая около 300 МВт вначале и 3000 МВт на выходе мощности двигателя на 100 ГВт, которая может быть использована для получения тепловой или электрической энергии на космическом корабле.