ГфЯР(Д) - история

Автор vlad7308, 26.05.2010 14:36:05

« предыдущая - следующая »

0 Пользователей и 1 гость просматривают эту тему.

vlad7308

ЦитатаГазофазный ядерный реактивный двигатель (ГФЯРД) -- двигатель, в котором для образования реактивной струи используется энергия деления ядерного топлива находящегося в газообразной плазменной форме, и передаваемая эффективному теплоносителю (гелий, водород). Оличается исключительно большой мощностью, теплонапряжением в т.наз «горячей зоне», и высоким удельным импульсом.
источник http://traditio.ru/wiki/Газофазный_ядерный_реактивный_двигатель

В общем, ГфЯР (энергетический реактор) и ГфЯРД (двигатель) - древняя идея, еще из 50х годов.
ГфЯРД считался крайне заманчивой технологией и реальной возможностью перейти к исследованию и освоению Солнечной системы. Собственно, ГфЯРД это единственная известная ныне и более-менее реальная схема двигателя, имеющего сравнительно высокий УИ (до 3000 или даже 5000 с) и отношение тяги к массе больше 1.
В 50-70гг в США и СССР шли довольно активные эксперименты на эту тему.
Советские разработки по обыкновению секретились, что-то известно только про проект РД-600 - ГфЯРД с открытой активной зоной, магнитно-центрифужным удержанием делящегося вещества.
Схема давала отличное массо-тяговое соотношение и УИ, но также давала неизбежную и немаленькую утечку делящегося вещества из активной зоны, которое просто увлекалось рабочим телом и улетало в выхлоп.

В США работы по ГфЯРД также частично велись под грифами, но через некоторое время были рассекречены.
Насколько я пока разобрался, там была вдобавок очень популярна схема ГфЯРД с закрытой активной зоной. Вкратце схема эта состоит в том, что газофазная активная зона заключена в прозрачную колбу (light bulb), рабочее тело греется только излучением (при рабочей температуре активной зоны - это жесткий УФ). Колба прозрачна для этого излучения на 99.5%, и дополнительно принудительно охлаждается прозрачным для излучения теплоносителем, текущим между двойных стенок колбы. Температура активной зоны - 20-30 тыс градусов, температура рабочего тела на выходе из реактора - 8-12 тыс, УИ 2000-3000 сек. Проблемы этой схемы довольно очевидны, они активно решались и даже постепенно разрешались. например, долгий выбор материала для колбы привел к сравнительно простому и удачному решению - кварц обладает как раз нужными характеристиками, проблема быстрой потери прозрачности колбы из-за накопления радиационных дефектов была разрешена путем поддержания температуры колбы на уровне, на котором происходит активный термо-отжиг этих дефектов. И тд и тп.
вот например материалы конференции "Advanced Nuclear Propulsion" 1964г в Лос Аламосе - 370 страниц, процентов на 60 посвящено газофазным реакторам - http://ftp.fas.org/sgp/othergov/doe/lanl/lib-www/la-pubs/00403701.pdf. Честная наука, эксперименты, результаты. (Еще интересен просто сам дух, которым пропитаны эти тексты - "мы можем все, нет задач, которые мы бы не могли решить")

а вот красивая и современная, но уже совсем поп-сказка, хотя и на ту же тему - Liberty Ship HLLV http://nuclearspace.com/Liberty_ship_menupg.aspx. Проект полностью многоразовой SSTO экологически чистой и безопасной 8) ракеты-носителя на 500 тонн ПН, со стоимостью выведения ~200 USD за килограмм, в основе - тот самый light bulb GCNR. ну а фигли, если представить, что имеется двигатель с УИ 3000с и высокой тягой - можно чего угодно нафантазировать без проблем, даже многоразовое ракетное SSTO.

возможен также энергетический реактор на аналогичном принципе - в этом случае контур теплоносителя замкнут, электричество вырабатывается в МГД-генераторе с очень неплохим КПД, контур охлаждения очень высокотемпературный, благодаря чему радиатор может иметь довольно скромные размеры, и в общем энергомассовые характеристики энергетического газофазного реактора могут быть на порядок-полтора выше, чем твердофазного.

Пока вот так.

chameleon

Про РД-600, разрабатываемый в Энергомаше. Статья в двух частях.
http://engine.aviaport.ru/issues/05/page41.html
http://engine.aviaport.ru/issues/06/page12.html

Теория ГфЯРДа там также описывается. Во второй части, в качестве бонусов - проекты ПКК на его основе и собственно полученные практические результаты.


Между прочим :? мне встречалось упоминание, что РД-600 - это форсированный потомок 410-го, который ТвЯРД. А такие проекты были?

mark200000

Спасибо!

Очень интересные материалы!

Про ампульную схему, я, откровенно говоря, забыл. В ней, действительно, нет выноса урана из двигателя.
Но он все равно не может быть полностью чистым, т.к. через сопло будет проникать рассеянное излучение, кроме того небольшое колличество тепловых нейтронов будет выноситься рабочим телом.
Ну и, самое главное, возможность аварии РН.

ИМХО он найтет применение в дальнеи космосе, когда потребуется оргснизовать большие транспортные потоки межлу планетами.

mark200000

Еще мне интересно, как происходит запуск двигателя и его выключение?

vlad7308

Марк, водород (рабочее тело) не становится радиоактивным :)
то что светит через сопло - да черт с ним, чепуха
а нейтроны - ну что нейтроны? они ж уже меееедленные

в общем грязи от такой штуки вроде бы почти нет.
из центра Москвы конечно пускать ее не стоит. а с острова в океане - за милую душу 8)

с запуском и выключением - ну Вы почитайте статьи, там в общем понятно. вкратце включение например такое - впрыск в колбу гексафторида урана до субкритической массы, добавляем немного нейтронов из внешнего источника - АЗ начинает разогреваться, можно подавать рабочее тело. выключение - мгновенно всасываем обратно в систему активную зону (это ж газ), цепная реакция и тепловыделение прекращается моментально. сепарируем грязь, усе готово, можно ехать снова. масса гексафторида в АЗ - кажется ~30-50 кг, если есть мощный внешний источник нейтронов, может быть снижена до 15-20 кг. в общем вопросы включения-выключения гораздо красивее решаются, чем с ТфЯРДом, по крайней мере в теории. ни остаточного тепловыделения (почти), ни длительного процесса глушения двигателя, ни твердой активной зоны, до отказа набитой грязью через несколько часов работы

с авариями... рассуждая чисто теоретически, имея двигатель с такими характеристиками и таким запасом по УИ и тяге, можно сделать на ракете хранилище грязи и гексафторида хоть из "чугуния" :) со стенками в метр толщиной. то есть аварии конечно никто не отменял, но все не так плохо, как может показаться сначала

еще раз скажу - газовая активная зона это немножко другая вещь, нежели твердая, и с ней все сильно по другому

Андрей Суворов

А как поддерживать давление в колбе равным давлению газа снаружи колбы?
А как напихать в колбу достаточное количество гексафторида урана? Если реактор на меееедленных нейтронах, то как избежать активации замедлителя?
А как заставить газ поглощать то, что не попадает в лаймановские линии? Если мы хоть что-то добавляем в водород, то это что-то либо убивает УИ, либо активируется по-чёрному, либо и то, и другое. Какого размера должна быть камера, чтобы успеть излучением нагреть водород, сколько времени он должен в камере находиться?
А если газофазный ТВЭЛ субкритический, и, следовательно, нейтронодефицитный, где взять столько нейтронов, сколько ему нужно?

vlad7308

если на взлете развалится сама ампула - да, в атмосферу попадет 50кг гексафторида и некоторое (небольшое, мы ж только-только взлетаем) количество реального дерьма
весьма неприятно, да
но полученное в результате загрязнение - это максимум проценты от небольшой атомной бомбы, которые американцы когда то десятками испытывали на земле и в атмосфере на островах Тихого океана. вроде все живы-здоровы, так что риск ИМХО вполне допустимый.

в сказке про Либерти его автор Энтони Тэйт предлагает довольно остроумный способ избавляться от радиоактивной грязи, нарабатываемой в ГфЯРДе.
а именно - после выхода на орбиту поворачиваем ракету попой к Солнцу и стреляем в него выхлопом, в который специально подаем накопленную грязь. со скоростью истечения ~30 км\с выхлоп почти по прямой уйдет на Солнце, вуаля - корабль снова относительно чист

Tiger

Цитатаа именно - после выхода на орбиту поворачиваем ракету попой к Солнцу и стреляем в него выхлопом, в который специально подаем накопленную грязь. со скоростью истечения ~30 км\с выхлоп почти по прямой уйдет на Солнце, вуаля - корабль снова относительно чист

А ещё по недругам таким выхлопом присаживать можно на близких дистанциях.  :roll:
(350838) = 2002 EH163 = 2011 UN192

vlad7308

ЦитатаА как поддерживать давление в колбе равным давлению газа снаружи колбы?
А как напихать в колбу достаточное количество гексафторида урана? Если реактор на меееедленных нейтронах, то как избежать активации замедлителя?
А как заставить газ поглощать то, что не попадает в лаймановские линии? Если мы хоть что-то добавляем в водород, то это что-то либо убивает УИ, либо активируется по-чёрному, либо и то, и другое. Какого размера должна быть камера, чтобы успеть излучением нагреть водород, сколько времени он должен в камере находиться?
А если газофазный ТВЭЛ субкритический, и, следовательно, нейтронодефицитный, где взять столько нейтронов, сколько ему нужно?
на некоторые вопросы я помню ответы
например чтобы водород поглощал УФ, его предполагалось засевать сравнительно малым (доли процента) количеством лития или натрия. конкретно этот аспект был проработан довольно тщательно - все работало как надо. УИ почти не падает, литий не активируется

как уравновешивать давление внутри и снаружи - ну как то так. кажется в реальных экспериментах до этой фазы не дошли. но ЖРД ведь работают как то - там тоже нужное давление в КС довольно четко выдерживается. тут те же ТНА работают. да, наверно тут требвания будут жестче - колба вещь не очень крепкая, хоть и толщина стенок несколько сантиметров, все равно большого перепада не выдержит

тепловой поток от активной зоны к рабочему телу - считали, проверяли, есть экспериментальные данные. вроде все получается, к этом смысле система "сшивается" нормально

нейтронные потоки - тоже считали. прямых экспериментальных данных кажется нет, но такие вещи научиились неплохо считать уже в те времена. так что можно надеяться, что расчет соответствует действительности

ну и тд.
что то я просто не понимаю - я не ядерщик по образованию, ядерщики были на соседней кафедре 8)
что то просто не успели проверить и изучить до закрытия программ
но после прочтения материалов симпозиума у меня осталось впечатление, что в принципе не осталось потенциально неразрешимых проблем для создания ГфЯРД, ни научных, ни инженерных. все самые тонкие и неясные моменты были изучены, просчитаны, многие проверены экспериментально.
и все это было 30-40-50 лет назад.
тема все таки - История ГфЯРД 8)

mark200000

Я, как то, был на хранилище, где храняться радиоактивные изотопы, и прислонился ладонью к стене. Так я, потом, целый день руки мыл, и стиральным порошком, и щелочью - бесполезно. Поднесешь ладонь к счетчику гамма лучей, сразу трещать начинает.

Valerij

ЦитатаСпасибо!

Очень интересные материалы!

Про ампульную схему, я, откровенно говоря, забыл. В ней, действительно, нет выноса урана из двигателя.
Но он все равно не может быть полностью чистым, т.к. через сопло будет проникать рассеянное излучение, кроме того небольшое колличество тепловых нейтронов будет выноситься рабочим телом.
Ну и, самое главное, возможность аварии РН.

ИМХО он найтет применение в дальнеи космосе, когда потребуется оргснизовать большие транспортные потоки межлу планетами.
Когда он появится, то найдет свое применение задолго до дальнего космоса. Да, взлетать - садиться на Землю ему, пожалуй не стоит, но вот многоразовый лунный пилотируемый лендер - самое то. Уже потом, набрав опыт эксплуатации, можно делать МЭК с таким двигателем и марсианский пилотируемый лендер.

Вот на Марсе такой лендер (да еще с возможностью, в крайнем случае, за относительно короткое время вернуться на Землю!)  ну, очень пригодится....

Уилбер Райт: "Признаюсь, в 1901-м я сказал своему брату Орвиллу, что человек не будет летать лет пятьдесят. А два года спустя мы сами взлетели".


Андрей Суворов

Цитатана некоторые вопросы я помню ответы
например чтобы водород поглощал УФ, его предполагалось засевать сравнительно малым (доли процента) количеством лития или натрия. конкретно этот аспект был проработан довольно тщательно - все работало как надо. УИ почти не падает, литий не активируется
Как это - не активируется? Литий-6 отлично делится нейтронами на гелий и тритий. А тритий - ужасная пакость, потому что лезет везде, где есть вода или органика. Он, конечно, бета-излучатель и снаружи организма неопасен, вот только удержать его снаружи сложно.
Натрий активируется, см. про БН-600 в википедии. Насчёт "всё работало" - только в теории, и расчёты были весьма приблизительными. Как избежать реакции кварца с литием или натрием в рабочем теле? Расплавленный литий всего при 200 градусах проедает кварц на 1 мм в час. Натрий помедленнее, но тоже достаточно быстро - первые образцы натриевых ламп высокого давления имели ресурс часов в сто из-за реакции кварца с парами натрия. А в условиях ЯРД это будет происходить практически молниеносно.
Цитатакак уравновешивать давление внутри и снаружи - ну как то так. кажется в реальных экспериментах до этой фазы не дошли. но ЖРД ведь работают как то - там тоже нужное давление в КС довольно четко выдерживается. тут те же ТНА работают. да, наверно тут требвания будут жестче - колба вещь не очень крепкая, хоть и толщина стенок несколько сантиметров, все равно большого перепада не выдержит
да со стационарными режимами всё более-менее понятно, как быть с подъёмом мощности? Период реактора практически не зависит от избытка критичности, если он меньше доли запаздывающих нейтронов.
Цитататепловой поток от активной зоны к рабочему телу - считали, проверяли, есть экспериментальные данные. вроде все получается, к этом смысле система "сшивается" нормально

нейтронные потоки - тоже считали. прямых экспериментальных данных кажется нет, но такие вещи научиились неплохо считать уже в те времена. так что можно надеяться, что расчет соответствует действительности

ну и тд.
что то я просто не понимаю - я не ядерщик по образованию, ядерщики были на соседней кафедре 8)
что то просто не успели проверить и изучить до закрытия программ
но после прочтения материалов симпозиума у меня осталось впечатление, что в принципе не осталось потенциально неразрешимых проблем для создания ГфЯРД, ни научных, ни инженерных. все самые тонкие и неясные моменты были изучены, просчитаны, многие проверены экспериментально.
и все это было 30-40-50 лет назад.
тема все таки - История ГфЯРД 8)
Да там ошибки на порядки порядков, большая часть расчётов - уровня дипломных работ соответствующих специальностей.

Вопрос первый.
Какова плотность урановой плазмы при 12 000 К? Считая её даже идеальным газом, при давлении в 100 атмосфер получаем что-то в районе 25 кг/м3. Поскольку замедлителя в ядерной лампе нет, критмасса получается именно такого порядка, то есть колба имеет диаметр в районе метра с четвертью. Толщина отражателя-замедлителя - в районе полуметра для минимальной критмассы, если делать его из бериллия. Если делать тоньше - критмасса больше.

А ведь ещё должна быть толщина водорода достаточная, чтобы с полпроцента лития он поглотил всё излучение лампы - ну, не всё, но чтобы стенка не расплавилась. Так что выходит, что диаметр двигателя в целом зашкаливает за десять метров - это при ста атмосферах. Значит, нужна тысяча!

Вы представляете себе ядерную лампу с тысячей атмосфер внутри? И, по необходимости, снаружи, ведь толщина слоя водорода тоже зависит от давления.

Дальше. При той мощности, которая нужна для создания тяги, большей, чем вес этой конструкции, накопление осколков в активной зоне будет очень быстрым, а, значит и убыль делящегося материала тоже - порядка процента в секунду. а, значит, нужно обеспечить циркуляцию материала в ядерной лампе, фильтрацию осколков, особенно, реакторных ядов типа самария. Вы представляете себе МГД-насос на 1000 атмосфер и 10000 градусов?

И так везде, где ни копни.

Энтузиазм инженеров 50-х-60-х годов просто зашкаливал. Совершенно необоснованно.

Agent

ЦитатаТак что выходит, что диаметр двигателя в целом зашкаливает за десять метров - это при ста атмосферах. Значит, нужна тысяча!
Я этот момент не совсем понял. В чем проблема десяти или там двадцати метров?

vlad7308

Андрей, вы конечно почти во всем правы. Энтузиазм действительно временами зашкаливал. Вот пример ответа на один из ваших вопросов в вольном переводе (стр. 149 pdf документа или 147 печатная страница):
- Как вы собираетесь поддерживать равенство давлений с точностью до примерно двух атмосфер? Я думаю это сложная проблема.
- Нуу, это чисто инженерная проблема. Если б она была единственная, можно было бы лететь в следующем году
 :D  :D

По давлению в колбе - согласно концепции расчеты шли на давления в активной зоне в сотни атмосфер, до тысячи.

Насчет ошибок на порядки порядков - не знаю, честно скажу не проверял. Но ваш пример прикидки давления и критмассы примерно совпадает с имеющимися рассчетами, так что может и нету ошибок на порядки?

Тепловой поток лампа-рабочее тело реально моделировался на модельной установке.
Роль активной зоны играла электрическая дуга в кварцевой колбе, с примерно требуемыми параметрами по спектру и плотности излучения.

Насчет удаления осколков деления - не помню, есть ли в данной подборке статьи на эту тему. Кажется нет.

В общем еще раз повторю - энтузиазм зашкаливал, это правда.
Но все же похоже что на уровне теории и многих экспериментов устройство тем не менее "склеивалось" по всем процессам.

vlad7308

Цитата
ЦитатаТак что выходит, что диаметр двигателя в целом зашкаливает за десять метров - это при ста атмосферах. Значит, нужна тысяча!
Я этот момент не совсем понял. В чем проблема десяти или там двадцати метров?
да в общем то ни в чем
да, схема имеет ограничение по масштабированию вниз
что то вроде нескольких метров для минимального диаметра двигателя
ИМХО ничего особо страшного? не сто метров ведь

ЗЫ конкретная цифра зависит от очень многих параметров (делящееся вещество, отражатель-замедлитель, внешний источник нейтронов, рабочие температуры, геометрия "КС", поглощение излучения рабочим телом, охлаждение конструкций, и тд и тп), но все равно есть некий минимум, ниже которого не опуститься

Андрей Суворов

Цитата
ЦитатаТак что выходит, что диаметр двигателя в целом зашкаливает за десять метров - это при ста атмосферах. Значит, нужна тысяча!
Я этот момент не совсем понял. В чем проблема десяти или там двадцати метров?
Как - в чём? Как будет устроен, какую толщину будет иметь и сколько будет весить сосуд диаметром десять метров на сотню-другую атмосфер?

Ещё  и находящийся в сложных условиях (в ЯРД приходилось охлаждать конструкционные элементы из-за поглощения в них гамма-излучения и соответствующего нагрева).

Гамма-излучение не вызывает радиационных повреждений конструкционных материалов, в отличие от бета-, альфа- и нейтронного излучения, но нагрев такой силы, что происходит снижение прочности! А внутри - тысяча атмосфер!

И при этом нам обещают отношение тяги к массе больше единицы!

Ну, хорошо, допустим, мы делаем бериллиевый замедлитель и включаем его в силовую схему. Через сколько минут работы реактора он взорвётся из-за реакции (n, 2n), накопления гелия в бериллии и потери прочности?

Примерно через одну.

Сколько весит корпус реактора ВВЭР-1000? а ведь там внутри далеко не 10000 градусов, да и мощность в 3000 мегаватт (тепловая) способна создать тягу лишь в 22,5 тонны при УИ 2000 с.

Можно, конечно, говорить, что реактор на электростанции работает 30 лет, а ЯРД - всего лишь часы. Но...

Фактически, в случае газофазного ЯРД с ядерной лампой количество технических проблем переходит в качество - делающее эту схему нереализуемой.

А, вот, если сделать ГфЯРД гибридным с суперламинарным течением, то общая масса установки становится гораздо меньше. На два порядка, примерно. Но зато мы имеем одновременно проблемы и газофазной активной зоны, и твердофазной, где происходит предварительный подогрев водорода до 3000 К.

Твердофазная АЗ служит источником доп. нейтронов для газофазного ТВЭЛа, который без них тут же погаснет.

Но предварительно водород должен охладить отражатель-замедлитель, регулирующие органы (барабаны-поглотители),  да и просто конструкцию, в частности, корпус и сопло.

В связи с тем, что испытания ЯРД РД-0410 шли на пониженной, по сравнению с проектной, мощностью, охлаждать отражатель и конструкцию приходилось примерно вдвое большим расходом водорода, чем шёл через ТВС, чтобы на выходе ТВС температура водорода была близка к проектной.

В реальном двигателе такое невозможно - расход водорода через все места должен быть одинаков. Поэтому нейтронная мощность твердофазной части АЗ может составлять не более 25% от полной (с некоторыми ухищрениями - 30%), так что и у гибридной схемы есть проблемы с масштабированием вниз. Но, тем не менее, установку массой тонн 10-30 и тягой 1-2 тонны построить вполне можно. И рассчитывать на удельный импульс в 1800-2000 с, вот только никто и никогда не будет это строить, т.к. явно, что такая установка может быть оправдана лишь при пилотируемом полёте, а для автомата выгоднее строить ионники.

Dio

Цитата
Цитата
ЦитатаТак что выходит, что диаметр двигателя в целом зашкаливает за десять метров - это при ста атмосферах. Значит, нужна тысяча!
Я этот момент не совсем понял. В чем проблема десяти или там двадцати метров?
Как - в чём?
...
Андрей, вы интересно пишете об интересных вещах, но вы бы ему еще с той же обстоятельностью объяснили, почему 2+2=4

Valerij

ЦитатаАндрей, вы интересно пишете об интересных вещах, но вы бы ему еще с той же обстоятельностью объяснили, почему 2+2=4
Андрей, вы отлично обьясняете, и то, о чем вы сейчас рассказали - это отнюдь не только то, что можно назвать 2х2.

Спасибо, благодарю вас за потраченое время!

Уилбер Райт: "Признаюсь, в 1901-м я сказал своему брату Орвиллу, что человек не будет летать лет пятьдесят. А два года спустя мы сами взлетели".


Татарин

ЦитатаГамма-излучение не вызывает радиационных повреждений конструкционных материалов,
Ты не совсем прав: вызывает, и (при энергиях от единиц МэВ) лишь совсем немногим меньше, чем бета (в общем-то, и действуют-то обычно быстрые электроны, получившие импульс от фотона).

Agent

Цитата
Цитата
ЦитатаТак что выходит, что диаметр двигателя в целом зашкаливает за десять метров - это при ста атмосферах. Значит, нужна тысяча!
Я этот момент не совсем понял. В чем проблема десяти или там двадцати метров?
Как - в чём? Как будет устроен, какую толщину будет иметь и сколько будет весить сосуд диаметром десять метров на сотню-другую атмосфер?
Сколько?

ЦитатаЕщё  и находящийся в сложных условиях (в ЯРД приходилось охлаждать конструкционные элементы из-за поглощения в них гамма-излучения и соответствующего нагрева).

Гамма-излучение не вызывает радиационных повреждений конструкционных материалов, в отличие от бета-, альфа- и нейтронного излучения, но нагрев такой силы, что происходит снижение прочности! А внутри - тысяча атмосфер!
Опять тысяча атмосфер? Было ж сто... А 500 атмосфер не спасут отца русской ядерщины?
Я так понимаю, что у вас свой любимый гибридный пони. Зачем же мочить чужого? Да еще одними эмоциями.