Ядерный Российский буксир для дальнего космоса

[Спросить]

При 2700 С степень ионизации для рубидия (88%) и цезия (95%) при 0,01 мбар, если усилить разлёт ионов полем, то получим ионизацию близкую к 100%.

Чем гадать на кофейной гуще, возьмите уравнение Саха и посчитайте. Там всё прозрачно.

Подобные оценки дают начало ионизации водорода с 10000К, на практике ионизация начинается с 3000К.
Тем более в моём случае газ находится в электрическом поле (неравновесная плазма).
И в любом случае требуется эксперимент.

[MIRNbIY]

То есть даже для Лития 3000 К достаточно, но рекомбинация быстрей при высоком давлении.

Нет, т.е. абсолютно недостаточно. Даже при очень низких давлениях.

При 2700 С степень ионизации рубидия (88%) и цезия (95%) при 0,01 мбар, если усилить разлёт ионов полем, то получим ионизацию близкую к 100%. Чем выше напряжённость поля, тем выше давление полной ионизации.

А какое давление в камере ионизации в ИД-500 ?

Есть сомнения в безопасной и устойчивой работе реактора, при таких температурах.
Про какое поле речь? Какова потребная электрическая мощность для формирования данного поля?

[Спросить]

То есть даже для Лития 3000 К достаточно, но рекомбинация быстрей при высоком давлении.

Нет, т.е. абсолютно недостаточно. Даже при очень низких давлениях.

При 2700 С степень ионизации рубидия (88%) и цезия (95%) при 0,01 мбар, если усилить разлёт ионов полем, то получим ионизацию близкую к 100%. Чем выше напряжённость поля, тем выше давление полной ионизации.

А какое давление в камере ионизации в ИД-500 ?

Есть сомнения в безопасной и устойчивой работе реактора, при таких температурах.
Про какое поле речь? Какова потребная электрическая мощность для формирования данного поля?

2700 С это уже на 100 градусов меньше, чем рабочая температура РД-0410. То есть ресурс уже в 3 раза больше (3 часа).
Речь о постоянном электрическом поле. Мощность на поддержание данного поля зависит от тока ионов, чем больше ток, тем большая мощность идёт на поддержание поля.
И чем выше напряжённость этого поля, тем меньшая температура требуется для термоионизации, либо при сохранении температуры больший поток ионов.

[SONY]

При 2700 С степень ионизации рубидия (88%) и цезия (95%) при 0,01 мбар, если усилить разлёт ионов полем, то получим ионизацию близкую к 100%.

Во-первых, я же написал ранее:

P.S. сейчас призадумался... Похоже, что выше я степень ионизации завысил... Я считал, что 1 - 0,7872 = 0,2128 ~ 21,3% степень ионизации. Но сейчас  вижу, что они электроны считают наравне с ионами... Если нам нужна доля массы ионизированного лития, то получается, что она не 21,3%, а 0,1064/(0,1064+0,7872) = 0,119069 ~ 11,9%. Аналогично и со всеми остальными числами, что я привёл выше.

Там не 88%, а 78,1%, и не 95%, а 90,7%.

Во-вторых, 0,01 мбар - это вообще ни о чём. При таком ничтожном давлении через реактор будут прокачиваться ничтожные же количества рабочего тела, много меньше нужного для создания тяги. Смотреть нужно в сторону как минимум 10 мбар, а скорее вообще 100-1000 мбар. При 10 мбар у цезия будет степень ионизации 6,8%...
В-третьих, если вы приложите электрическое поле, то, безусловно, получите полную ионизацию. Правда для этого совершенно не нужно ничего в реакторе греть - газовый разряд и так всё ионизирует. Собственно именно таким образом все ионные двигатели и работают: в ионизационной камере создают электрическое поле, которое провоцирует электрический разряд, а тот ионизирует рабочее тело.

[SONY]

Срок службы спутника 15 лет снижение мощности на четверть,одна треть потерь,как я понял должна приходиться на СБ,неизвестно какая получилась,не зря же материал СБ изменили.Ну и летают эти спутники по сути в ионосфере,так что это ни о чём не говорит.

Геостационарные спутники "по сути в ионосфере,так что это ни о чём не говорит"? Особенно когда мы говорим о полёте к Юпитеру?..

[SONY]

2700 С это уже на 100 градусов меньше, чем рабочая температура РД-0410. То есть ресурс уже в 3 раза больше (3 часа).

И что вы собираетесь за три часа сделать с тягой в несколько десятков ньютонов?.. Ну или несколько десятков миллиньютонов, если планируете на давлении 0,01 мбар работать.

[SONY]

Вообще, Спросить, скажите, какие вы предполагаете:
- тепловую мощность реактора;
- тягу двигательной установки;
- удельный импульс;
- КПД преобразования тепла реактора в кинетическую энергию струи рабочего тела?

[Спросить]

При 2700 С степень ионизации рубидия (88%) и цезия (95%) при 0,01 мбар, если усилить разлёт ионов полем, то получим ионизацию близкую к 100%.

Там не 88%, а 78,1%, и не 95%, а 90,7%.
Во-вторых, 0,01 мбар - это вообще ни о чём. При таком ничтожном давлении через реактор будут прокачиваться ничтожные же количества рабочего тела, много меньше нужного для создания тяги. Смотреть нужно в сторону как минимум 10 мбар, а скорее вообще 100-1000 мбар. При 10 мбар у цезия будет степень ионизации 6,8%...
В-третьих, если вы приложите электрическое поле, то, безусловно, получите полную ионизацию. Правда для этого совершенно не нужно ничего в реакторе греть - газовый разряд и так всё ионизирует. Собственно именно таким образом все ионные двигатели и работают: в ионизационной камере создают электрическое поле, которое провоцирует электрический разряд, а тот ионизирует рабочее тело.

Так как нет задачи поддерживать плазму в равновесном состоянии, неважно какой процент будет ионизирован при температуре 2700 С, хотя чем больше тем лучше. Достаточно знать, что термоионизация будет, и поле за определённое время полностью ионизирует нагретый газ. Даже 70% равновесной термоионизации для Рубидия достаточно, (может даже 20% Лития-6), чтобы полностью ионизироваться полем за конечное время. Понятное дело, что чем выше напряжённость поля и начальная степень ионизации, тем это время меньше. Осталось оценить это время.
По поводу давления, чем выше поле и равновесная степень ионизации, тем большее давление, без потери УИ, сможет создать установка.

Вообще, Спросить, скажите, какие вы предполагаете:
 - тепловую мощность реактора;
 - тягу двигательной установки;
 - удельный импульс;
 - КПД преобразования тепла реактора в кинетическую энергию струи рабочего тела?

1) Здесь важно не значение мощности, а попытка ионизировать сочетанием температуры и поля, миную преобразования большей части энергии из тепловой в электрическую. Тем самым, повышая общий КПД.
2) Тягу предполагаю как минимум в 10 больше, чем в ЯЭДУ.
3) УИ в 2 раза больше чем у РД-0410, скажем 2000 сек, но меньше чем у ИД-500 с его 7000 сек и 0,35 Н тяги.
4) Если принять что РД-0410 имеет самый высокий КПД, а ЯЭДУ самый низкий, то Термоионизатор занимает промежуточное состояние.

[SONY]

1) Здесь важно не значение мощности, а попытка ионизировать сочетанием температуры и поля, миную преобразования большей части энергии из тепловой в электрическую. Тем самым, повышая общий КПД.
2) Тягу предполагаю как минимум в 10 больше, чем в ЯЭДУ.
3) УИ в 2 раза больше чем у РД-0410, скажем 2000 сек, но меньше чем у ИД-500 с его 7000 сек и 0,35 Н тяги.
4) Если принять что РД-0410 имеет самый высокий КПД, а ЯЭДУ самый низкий, то Термоионизатор занимает промежуточное состояние.

Энергетическая цена иона ксенона - порядка 50 эВ. Т.е. чтобы получить внутри ионного или плазменного двигателя ион ксенона мы тратим 50 эВ электричества.

Кинетическая энергия иона ксенона при скорости 19 613 м/с (соответствует удельному импульсу 2000 секунд) составляет 265 эВ.
Т.е. расход электричества на ионизацию - это всего 16%! В том случае, если КПД разгона 100%... Если разгон идёт с меньшим КПД, например 80%, и для получения 265 эВ кинетической энергии нужно потратить 331 эВ электричества, то расход электричества на ионизацию составит вообще 13%.
Если у вас разгон ионов идёт за счёт электричества, то даже снижение расходов на ионизацию до нуля даст лишь мизерный рост эффективности. А кроме как электричеством вы никак 2000 секунд на тяжёлом рабочем теле не получите, тепловая скорость чего-то типа ксенона или цезия при 3000 К - это каких-нибудь 100-150 м/с.

Достаточно знать, что термоионизация будет, и поле за определённое время полностью ионизирует нагретый газ. Даже 70% равновесной термоионизации для Рубидия достаточно, (может даже 20% Лития-6), чтобы полностью ионизироваться полем за конечное время.

Ещё раз: если у вас есть электрическое поле, то ионизация произойдёт мгновенно, причём при комнатной температуре. Но, см. выше, вы будете тратить 50 эВ на каждый ион в случае ксенона. Цезий выйдет "дешевле", но суть не меняется: ионизирует именно поле, точнее удары разогнанных полем электронов по атомам, а температура в жалкие 0,25 эВ тут вообще ни при чём.

От нагрева газа до 2700-3000 К никакой пользы, кроме вреда: такая температура радикально повышает коэффициенты распыления тех материалов, которые её выдерживают, а большинство материалов её не выдерживает в принципе, так что этот дикий "геморрой" и никакого положительного эффекта.

[Дмитрий Инфан]

Кто вам эту чушь сказал?..
Даже калий с его энергией ионизации 4,34 эВ при 3500 К почти не ионизирован:

Даже если рабочее тело не будет ионизовано при нагреве, то довести до ионизации нагретое будет проще и с меньшими затратами электроэнергии, чем не нагретое.

[opinion]

Посчитайте потери энергии за счет излучения для двигателя, нагретого до 3000 градусов. Не потеряете ли больше, чем сэкономите?

[SONY]

Даже если рабочее тело не будет ионизовано при нагреве, то довести до ионизации нагретое будет проще и с меньшими затратами электроэнергии, чем не нагретое.

Ещё раз для вас отдельно:

Энергетическая цена иона ксенона - порядка 50 эВ. Т.е. чтобы получить внутри ионного или плазменного двигателя ион ксенона мы тратим 50 эВ электричества.
Кинетическая энергия иона ксенона при скорости 19 613 м/с (соответствует удельному импульсу 2000 секунд) составляет 265 эВ.
Т.е. расход электричества на ионизацию - это всего 16%! В том случае, если КПД разгона 100%... Если разгон идёт с меньшим КПД, например 80%, и для получения 265 эВ кинетической энергии нужно потратить 331 эВ электричества, то расход электричества на ионизацию составит вообще 13%.
Если у вас разгон ионов идёт за счёт электричества, то даже снижение расходов на ионизацию до нуля даст лишь мизерный рост эффективности. А кроме как электричеством вы никак 2000 секунд на тяжёлом рабочем теле не получите, тепловая скорость чего-то типа ксенона или цезия при 3000 К - это каких-нибудь 100-150 м/с.

[Дмитрий Инфан]

Посчитайте потери энергии за счет излучения для двигателя, нагретого до 3000 градусов. Не потеряете ли больше, чем сэкономите?

Двигатели частично будут выполнять функцию радиаторов, что тоже полезно.

Т.е. расход электричества на ионизацию - это всего 16%!

Ну, то есть, аппарат в сборе будет на 16 % легче, как минимум.

[Антикосмит]

А что, если использовать какой-нибудь короткоживущий легкий изотоп с альфа-распадом для получения альфа-частиц?  Тут и ионизация не нужна и начальная скорость высокая. Главное полем направлять в нужную сторону. Одно плохо - эффективность низкая будет вернее всего.

Скорость вылета альфа-частицы составляет от 9400 км/с (изотоп неодима ¹⁴⁴Nd) до 23 700 км/с у изотопа полония ^212mPo.

Еще менее известны самые легкие альфа-излучатели начала таблицы Менделеева. Самыми легкими из них будут изотопы гелия-5 и лития-5, которые настолько неустойчивы, что определяются как резонансные состояния. Аналогично и для бериллия-6. Их время жизни близко к времени пролета частицы мимо атомного ядра со скоростью света. Немногим более устойчив бериллий-8, который распадается ровно на 2 альфа-частицы. Бор-8 промежуточно дает неустойчивый бериллий-8. Для самого тяжелого (из легких) изотопа бора-12 альфа-распад не является основным каналом распада, но он присутствует.

Другой вопрос как их получить на месте...

[Павел73]

А что, если использовать какой-нибудь короткоживущий легкий изотоп с альфа-распадом для получения альфа-частиц?  Тут и ионизация не нужна и начальная скорость высокая. Главное полем направлять в нужную сторону. Одно плохо - эффективность низкая будет вернее всего.

Да, получается что-то вроде "псевдоракетного двигателя". Карл Гильзин. Электрические межпланетные корабли. М. Наука. 1970. с. 100.

[SONY]

Двигатели частично будут выполнять функцию радиаторов, что тоже полезно.

Вы, кажется, не понимаете термодинамику...

Ну, то есть, аппарат в сборе будет на 16 % легче, как минимум.

И не только её...

Двигатель будет не легче, а тяжелее, и не на 16%, а эдак на 160%. Если вообще в принципе возможен.

А что, если использовать какой-нибудь короткоживущий легкий изотоп с альфа-распадом для получения альфа-частиц?  Тут и ионизация не нужна и начальная скорость высокая. Главное полем направлять в нужную сторону. Одно плохо - эффективность низкая будет вернее всего.

Проблема не в эффективности, а в тяге.

Альфа-частицы проходят в излучающем их веществе ничтожное расстояние, что-то порядка 10 мкм или менее. Причём с этих 10 мкм частицы выходят на поверхность с почти нулевой энергией, так что реально можно говорить лишь о слое толщиной порядка 5 мкм.
Если вы возьмёте квадратный метр поверхности, покрытый, допустим, полонием-210, то там будет лишь 46 г полония, который реально излучает наружу. Считая, что все частицы вылетают со скоростью 16 000 км/с (примерная начальная скорость альфа частиц полония-210) и учтя, что вылетают эти частицы не в одном направлении, а равномерно в полусферу, получим, что полный импульс работы такого полониевого двигателя составляет 7 Н*с. Это на уровне двигательных установок для CubeSat 3U, причём не самых лучших... И выдавать этот импульс двигатель будет (на самом деле, конечно, бесконечность) 200 суток (время жизни полония-210), т.е. тяга в среднем будет 0,4 мкН, что ничтожно уже даже по меркам двигателей для CubeSat. Напоминаю, что речь про двигатель метр на метр, а не 10 см на 10 см... Использование изотопов с меньшим периодом полураспада может, конечно, повысить среднюю тягу, но не полный импульс, и всё равно тяга будет оставаться ничтожной как для двигателя таких габаритов.

[Спросить]

Если у вас разгон ионов идёт за счёт электричества, то даже снижение расходов на ионизацию до нуля даст лишь мизерный рост эффективности. А кроме как электричеством вы никак 2000 секунд на тяжёлом рабочем теле не получите, тепловая скорость чего-то типа ксенона или цезия при 3000 К - это каких-нибудь 100-150 м/с.

Если энергию считать как (3/2)kT (и если я не ошибся), то при Т=3000К у атомов Рубидия скорость будет 930 м/с, Лития-6 = 4000 м/с.
Что равно снижению энергии ионизации на 0,4 эВ. Тогда энергия ионизации Рубидия станет 3,77 эВ, что меньше энергии ионизации Цезия (3,89 эВ) при н.у. У Лития-6 станет равна 5,00 эВ. Например у Ксенона при н.у. энергия ионизации 12,13 эВ, у водорода который грелся в РД-0410, - 13,6 эВ.

Т.е. расход электричества на ионизацию - это всего 16%! В том случае, если КПД разгона 100%... Если разгон идёт с меньшим КПД, например 80%, и для получения 265 эВ кинетической энергии нужно потратить 331 эВ электричества, то расход электричества на ионизацию составит вообще 13%.

Если всё так хорошо, почему ЯЭДУ не ионизирует килограммы ксенона в секунду для создания значительной тяги?

От нагрева газа до 2700-3000 К никакой пользы, кроме вреда: такая температура радикально повышает коэффициенты распыления тех материалов, которые её выдерживают, а большинство материалов её не выдерживает в принципе, так что этот дикий "геморрой" и никакого положительного эффекта.

Нить лампы накаливая работает годами при температуре 2800 С, так как вольфрам из которого она изготовлена плавится при 3422 С. Конечно с ионизацией горячего газа могут быть проблемы, ионизировать "холодный" ксенон проще.

Посчитайте потери энергии за счет излучения для двигателя, нагретого до 3000 градусов. Не потеряете ли больше, чем сэкономите?

В случае Термоионизатора, излучение нагревает, испаряет и ионизирует рабочее тело. Большая часть энергии реактора пойдёт на ионизацию. Такой ядерный нагреватель может быть компактней, чем электростанция. Так как ему не требуется тепловой контур, теплоноситель, турбина, холодильник, которые также будут ограничивать мощность установки. Это также увеличивает массу электростанции. Отсюда масса РД-0410 = 2 тонны, а ЯЭДУ = 20 - 35 тонн.
При этом КПД ЯЭДУ в лучшем случае составляет 24%, а КПД РД-0410 как у ЖРД близка к 95-98%. Потери возникают только при остановке разогретого реактора.

Кстати тепловая мощность РД-0410 63 МВт (при массе в 2 тонны), в то время как ЯЭДУ это 2 МВт из которых в электричество преобразуется 470 кВт (масса 20-35 тонн).

[SONY]

Если энергию считать как (3/2)kT (и если я не ошибся), то при Т=3000К у атомов Рубидия скорость будет 930 м/с, Лития-6 = 4000 м/с.

У более лёгких элементов скорости, естественно, выше. Но для лития-6 у меня получилось 3532 м/с, а не 4000 м/с. Оба числа на уровне ЖРД...

Что равно снижению энергии ионизации на 0,4 эВ. Тогда энергия ионизации Рубидия станет 3,77 эВ, что меньше энергии ионизации Цезия (3,89 эВ) при н.у. У Лития-6 станет равна 5,00 эВ. Например у Ксенона при н.у. энергия ионизации 12,13 эВ, у водорода который грелся в РД-0410, - 13,6 эВ.

И что с того?..

Если всё так хорошо, почему ЯЭДУ не ионизирует килограммы ксенона в секунду для создания значительной тяги?

Берём удельный импульс 2000 секунд (вы сами его указали) или 19 613 м/с. Берём расход рабочего тела 1 кг/с. Получаем выходную мощность двигателя 192,3 МВт. Для сравнения, РД-0410 имел максимум 196 МВт тепловой мощности.

Ещё вопросы есть?..

Нить лампы накаливая работает годами при температуре 2800 С, так как вольфрам из которого она изготовлена плавится при 3422 С.

Ага. Только вот вольфрам, который при комнатной температуре, например, дейтерием не распыляется даже при энергии этого дейтерия в 150 эВ, при температуре 1200 цельсия распыляется уже при энергии... 5 эВ (М. И. Гусева, В. М. Гуреев, Б. Н. Колбасов, С. Н. Коршунов, Ю. В. Мартыненко, В. Б. Петров, Б. И. Хрипунов, "Подпороговое распыление при высоких температурах", Письма в ЖЭТФ, 77:7 (2003), 430–433; JETP Letters, 77:7 (2003), 362–365.). Ещё раз: не 2800, а 1200 уже достаточно чтобы распыление началось при энергиях в десятки раз ниже обычного. Догадайтесь с трёх раз, как долго будет жить даже вольфрам при таких температурах... Ах да: в лампочки закачивают инертный газ до давления 0,8 бара, т.к. без этого вольфрам не плавясь просто испаряется. Не мгновенно, но ресурс получается никакущий.

В случае Термоионизатора, излучение нагревает, испаряет и ионизирует рабочее тело. Большая часть энергии реактора пойдёт на ионизацию.

С какого потолка вы это взяли?..

[Спросить]

Ага. Только вот вольфрам, который при комнатной температуре, например, дейтерием не распыляется даже при энергии этого дейтерия в 150 эВ, при температуре 1200 цельсия распыляется уже при энергии... 5 эВ (М. И. Гусева, В. М. Гуреев, Б. Н. Колбасов, С. Н. Коршунов, Ю. В. Мартыненко, В. Б. Петров, Б. И. Хрипунов, "Подпороговое распыление при высоких температурах", Письма в ЖЭТФ, 77:7 (2003), 430-433; JETP Letters, 77:7 (2003), 362-365.). 

В конце статьи пишут, что эрозия W+C значительно меньше чем чистый W, то есть если это работает, то можно покрыть поверхность камеры, каким-нибудь Карбидом Гафния.

[SONY]

В конце статьи пишут, что эрозия W+C значительно меньше чем чистый W, то есть если это работает, то можно покрыть поверхность камеры, каким-нибудь Карбидом Гафния.

Ага. А сверху ещё платиной пропитать для защиты от раскалённых паров щелочных материалов.

НАХРЕНА всё это?! До вас до сих пор не дошло, что проблемы ионизации рабочего тела не существует, есть только проблема его разгона?...