Mio-tech-service.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое термоядерный двигатель

Термоядерный ракетный двигатель

Термоя́дерный раке́тный дви́гатель (ТЯРД) — ракетный двигатель, в котором основным источником энергии являются термоядерные реакции. В настоящее время практически работающий двигатель ещё не создан, и работы над ним представляют теоретические изыскания и эксперименты на мощных исследовательских лазерных установках. Практическое значение этого двигателя крайне велико, так как в настоящее время именно в этом двигателе могут быть достигнуты предельные параметры удельного импульса и тяги на единицу веса.

Что такое токамак?

Под действием огромных температур и гравитации в глубинах нашего Солнца и других звезд происходит термоядерный синтез. Ядра водорода сталкиваются, образуют более тяжелые атомы гелия, а заодно высвобождают нейтроны и огромное количество энергии.

Современная наука пришла к выводу, что при наименьшей исходной температуре наибольшее количество энергии производит реакция между изотопами водорода — дейтерием и тритием. Но для этого важны три условия: высокая температура (порядка 150 млн градусов по Цельсию), высокая плотность плазмы и высокое время ее удержания.

Дело в том, что создать такую колоссальную плотность, как у Солнца, нам не удастся. Остается только нагревать газ до состояния плазмы посредством сверхвысоких температур. Но ни один материал не способен вынести соприкосновения со столь горячей плазмой. Для этого академик Андрей Сахаров (с подачи Олега Лаврентьева) в 1950-е годы предложил использовать тороидальные (в виде пустотелого бублика) камеры с магнитным полем, которое удерживало бы плазму. Позже и термин придумали — токамак.

Современные электростанции, сжигая ископаемое топливо, конвертируют механическую мощность (кручения турбин, например) в электричество. Токамаки будут использовать энергию синтеза, абсорбируемую в виде тепла стенками устройства, для нагрева и производства пара, который и будет крутить турбины.

Небольшие экспериментальные токамаки строились по всему миру. И они успешно доказали, что человек может создать высокотемпературную плазму и удерживать ее некоторое время в стабильном состоянии. Но до промышленных образцов еще далеко.

Уже не мечта?

За основу взят наш токамак (тороидальная камера с магнитными катушками), появившийся ещё в 1954 г. В нём магнитное поле удерживает разогретую плазму, не позволяя ей касаться стенок камеры, которые не выдержат столь высоких температур. После 1968 г., когда на токамаке T-3 в Курчатовском институте удалось разогреть плазму до 10 млн градусов и англичане подтвердили этот факт, такие установки начали строить в разных странах.

Но токамак ИТЭР будет всем токамакам токамак! По проекту он 30-метровой высоты. Расположится на площадке в 1 км длиной и 400 м шириной.

Вячеслав Першуков, директор блока по управлению инновациями, заместитель генерального директора Госкорпорации «Росатом», при поддержке которой и прошла конференция в С.-Петербурге, привёл важные цифры. Среди всех научных публикаций в области термоядерного синтеза, технологии, которая используется в проекте ИТЭР, посвящено существенно более половины.

Неудивительно, что Осаму Мотоджима, генеральный директор Международной организации ИТЭР, был одним из самых популярных и востребованных участников конференции. «На наших глазах проект прошёл путь от бумаги до бетона, — сказал он. — И это демонстрирует, что термоядерная энергия — уже не мечта, а реальная задача».

Читать еще:  Шкала температуры двигателя фольксваген

Магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом (VASIMR)

VASIMR представляет собой плазменную ракету, которая является предшественником ракет на термоядерном синтезе. Но поскольку ракеты на синтезе будут использовать плазму, исследователи многое узнают об этом типе ракеты. Двигатель VASIMR прекрасен тем, что создает плазму в экстремально горячих условиях, а после выталкивает, создавая тягу. Есть три основных типа ячеек в двигателе VASIMR.

  1. Передняя ячейка — пропеллент, обычно водород, вводится в ячейку и ионизируется, чтобы создать плазму.
  2. Центральная ячейка — ячейка действует как усилитель для дальнейшего нагрева плазмы электромагнитной энергией. Радиоволнами добавляют энергии плазме, как в микроволновой печи.
  3. Кормовая ячейка — магнитное сопло преобразует энергию плазмы в струю выхлопных газов. Магнитное поле используется для выброса плазмы и защищает космический корабль, чтобы плазма не коснулась оболочки. Плазма уничтожила бы любой материал, с которым вступила бы в контакт. Температура плазмы в сопле составляет 100 миллионов градусов Цельсия. Это в 25 000 раз горячее, чем температура газа, который выбрасывается из космического шаттла.

Во время миссии на Марс двигатель VASIMR постоянно бы разгонялся в течение первой половины путешествия, а после изменил бы направление и замедлялся бы вторую половину. Ракету на переменной плазме можно также использовать для позиционирования спутников на орбите Земли.

Статуэтки из фарфора Италия.

Поиск по дневнику

Подписка по e-mail

Зачем нужна скорость?

На первом этапе любого полета в космос нужна ракета-носитель, — она выводит корабль на орбиту. Эти большие двигатели работают на горючем топливе — и обычно, если речь идет о запуске ракет, имеют в виду их. В ближайшее время они никуда не денутся — как и сила притяжения.

Но когда корабль попадает в космос, все становится интереснее. Чтобы преодолеть силу притяжения Земли и выйти в дальний космос, судну необходимо дополнительное ускорение. И тут-то в игру вступают ядерные системы. Если астронавты хотят исследовать нечто дальше Луны или тем более Марса, придется поторопиться. Космос огромен, и расстояния немаленькие.

Причины, почему быстрые ракеты лучше подходят для дальних космических полетов, две: безопасность и время.

По пути к Марсу астронавтам грозит очень высокий уровень радиации, чреватый серьезными проблемами со здоровьем вплоть до рака и бесплодия. Может помочь радиационная защита, но она чрезвычайно тяжелая, и чем дольше миссия, тем мощнее понадобится экранирование. Поэтому лучший способ снизить дозу облучения — просто добраться до точки назначения быстрее.

Но безопасность экипажа — не единственное преимущество. Чем более дальние полеты мы планируем, тем скорее нам нужны данные с беспилотных миссий. Аппарату «Вояджер-2» (Voyager-2) потребовалось 12 лет, чтобы добраться до Нептуна — и, пролетая мимо, он сделал несколько невероятных снимков. Будь у «Вояджера» двигатель мощнее, эти фотографии и данные появились бы у астрономов гораздо раньше.

Читать еще:  Шатун двигателя что это такое

Итак, скорость это преимущество. Но почему ядерные системы быстрее?

Концепт Нефть не нужна: Как термоядерный реактор попадёт в грузовик

Всё, что нужно знать об энергетике завтрашнего дня

  • Олег Акбаров , 16 октября 2014
  • 17819
  • 4

Текст
Олег Акбаров

Текст
Николай Удинцев

Вчера американская компания Lockheed Martin объявила, что намеревается создать портативный термоядерный реактор. Согласно пресс-релизу, им удалось достичь значительного прогресса в решении неустранимых до настоящего времени проблем, и первый полностью функциональный прототип появится уже в 2019 году. В мире, где колебания цен на энергоносители имеют такое значение, появление такой технологии может глобально изменить не только экологический, но и экономический, и политический ландшафт. Look At Me разобрался в истории проблемы, а также выяснил подробнее, кто такие Lockheed Martin и что они готовят.

Как работает термоядерная реакция

Существующие сейчас ядерные реакторы используют распад ядер атомов сверхтяжёлых элементов, в результате которого образуются более легкие и высвобождается энергия. При термоядерной реакции ядра атомов более лёгких элементов объединяются в более тяжёлые за счёт кинетической энергии теплового движения. Например, по тому же принципу работает Солнце и другие звезды.

Для достижения этого эффекта необходимо, чтобы ядра, преодолев кулоновский барьер, сблизились на расстояние, близкое размеру самих ядер и много меньше размера атома. В таких условиях ядра больше не могут отталкиваться друг от друга, поэтому вынуждены объединиться в более тяжёлый элемент. А при их объединении выделяется значительное количество энергии сильного взаимодействия. Она и является продуктом работы реактора.

Что хотят сделать
в Lockheed Martin

Компания Lockheed Martin на протяжении десятилетий является основным поставщиком Пентагона. На её счету разработка самолёта-разведчика U-2, истребителей F-117 Nighthawk, F-22 Raptor и ещё 22 самолётов. Однако в последние годы количество военных контрактов компании, которая около 90 % своих доходов получает от министерства обороны США, начало снижаться. Поэтому в Lockheed Martin заинтересовались альтернативной энергетикой.

Lockheed Martin: Compact Fusion Research & Development

В данный момент управляемую термоядерную реакцию проводят в токамаках или стеллараторах. Это установки в форме тора, которые удерживают высокотемпературную плазму (температура выше миллиона кельвинов) внутри с помощью мощного электромагнита. Проблема такого подхода заключается в том, что на данном этапе получаемая энергия практически равна затрачиваемой на поддержание работы установки.

Главное отличие концепта команды Lockheed Martin от токамака в том, что плазма удерживается другим способом: вместо камер в форме тора используется набор сверхпроводящих катушек. Они создают другую геометрию магнитного поля, которая удерживает всю камеру, где проходит реакция. И чем больше давление плазмы, тем сильнее магнитное поле будет её удерживать.

«Наша технология компактного термоядерного реактора совмещает несколько подходов к проблеме магнитного удержания плазмы и предполагает уменьшение прототипа реактора на 90 % по сравнению с более ранними концептами», — Томас Макгуайр, руководитель подразделения Skunk Works Revolutionaly Technology Programs (является частью Lockheed Martin).

По словам самого Макгуайра, защитившего свою дипломную работу в Массачусетском технологическом институте на тему термоядерного синтеза, он «по сути, соединил разные концепты в единый прототип, восполнив пробелы каждого достоинствами другого». В итоге получился принципиально новый продукт, которым и занимается его команда в Lockheed Martin.

Читать еще:  Двигатель ауди а6 1996г схема

Портативному реактору нужно около 20 кг термоядерного топлива

Традиционные реакторы занимают целые полигоны и обслуживаются сотнями специалистов

Несмотря на то что реактор предполагается построить такого размера, чтобы он уместился в прицеп грузовика, его мощности должно хватить на обеспечение энергией маленького города или 80 тысяч домов. Он будет превращать дешевый и экологичный водород (дейтерий и тритий) в гелий. При этом в год портативному реактору нужно около 20 кг термоядерного топлива. Объём его отходов, по словам представителей Lockheed Martin, будет намного меньше отходов от работы, например, угольной электростанции.

Компания хочет построить опытную модель портативного термоядерного реактора к 2016 году, первые прототипы мощностью 100 МВт — к 2019 году, а рабочие модели — к 2024 году. Повсеместное распространение устройств планируется к 2045 году.

Что даст человечеству управляемый термояд

Экологически
чистая энергия

Термоядерная реакция проходит намного безопаснее ядерной. Например, практически невозможным считается выход термоядерной реакции из-под контроля. Если же в реакторе случится авария, то ущерб для окружающей среды будет в разы меньше, чем при аварии на ядерном реакторе. Стоит отметить, что существующие реакции с участием дейтерия и трития всё же выделяют достаточное количество радиоактивных отходов, однако у них короткий период полураспада. При этом перспективные реакции с применением дейтерия и гелия-3 будут проходить почти без их образования.

Полёты
по Солнечной системе

Установка Lockheed Martin — прообраз термоядерного ракетного двигателя (ТЯРД). Такой можно установить на космический корабль для освоения Солнечной системы и ближайшего к Земле космического пространства. Считается, что ТЯРД сможет развивать скорость в 10 % от скорости света ( примерно 30 тысяч км/с ). В теории эффективность такого двигателя ( его удельный импульс ) минимум в 20 раз ( а максимум — в 9 тысяч раз ) превзойдёт эффективность существующих ракетных двигателей.

Практически бесконечный
источник энергии

Поскольку для работы термоядерного реактора нужен водород, топливо для него можно добывать из любой воды. В перспективе вместо трития будут использовать гелий-3, которого достаточно много в земной атмосфере и ещё больше (сотни тысяч тонн) на Луне. Со временем (и при достаточном распространении термоядерной энергетики) компании могут сократить добычу полезных ископаемых для их сжигания на существующих электростанциях.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector