mihalchuk и ядерный двигатель
Не ждали? А чем я хуже Перминова?
Предлагаю двухконтурный ЯРД с повышенным УИ.
Проблема.
Теоретический УИ твёрдофазных ЯРД модет достигать 900 с или немногим более. С учётом особенностей ЯРД и топлива оказывается, что такой УИ недостаточен для того, чтобы ЯРД имел однозначные преимущества при отлёте с низкой орбиты Земли. Другая крайность – создание ЯЭУ и использование электрического двигателя также имеет свои минусы. Отсюда вопрос – а нельзя ли нарастить эффективность ЯРД? Дело в том, что разогретый в реакторе водород может совершить работу, которую можно обратить в энергию и направить с рабочим телом в сопло. Понятно, что рабочая машина не должна иметь теплообменников-излучателей, следовательно, её возможности ограничены хладоресурсом водорода. В целом получается такая картина: нагретый водород совершает работу в какой-нибудь турбине, потом снова нагревается в реакторе при меньшем давлении и подаётся в сопло, где к нему добавляется наработанная энергия. Если в турбине будет адиабатическое расширение, то дополнительная энергия будет меньше полной энергии нагретого газа. Но в случае применения многокаскадной конструкции процесс можно приблизить к изотермическому, и получить дополнительной энергии в несколько раз больше. Однако тип энергии и массу конструкции такого двигателя оставим в стороне, потому что есть иное решение.
Решение
(http://www.energoobmen.ru/NK/YRD.JPG)
На рисунке приведена схема двухконтурного (энергообменного) ЯРД. 1 – подача холодного водорода под высоким давлением Р1. 2 – первый контур реактора (давление Р1, температура газа на выходе Т1=3000 К). 3 – сопло первого контура, скорость потока на выходе - V1. 4 – условная область волн разрежения. 5 – циркуляционный контур рабочего тела, давление на входе в реактор Р2, Р2<Р1, Тц=1500 К. 6 – второй контур реактора (давление Р2, температура газа на выходе Т2=Т1=3000 К). 7 - сопло второго контура, скорость потока на выходе V1= V2. 8 – область сжатия газа второго контура. 9 – улавливающее основное (внешнее) сопло, Тс=4500 К. Здесь везде указана температура торможения.
Водород нагревается в первом контуре, разгоняется в сопле до сверхзвуковой скорости, сдавливает поток второго контура, затем уходит через циркуляцию во второй контур, обжимается потоком первого контура и выбрасывается через внешнее сопло, создавая тягу.
Важным моментом является то, что энергия передаётся от одного сверхзвукового потока к другому, эта передача имеет ударно-волновую природу.
Предполагается достижение полуторократной энтальпии газа на выходе и повышения УИ на 20-25%.
ЦитироватьТеоретический УИ твёрдотопливных ЯРД
Хоть бы в терминологии не путались...
Не твердотопливных, блин, а ТВЕРДОФАЗНЫХ!
Цитироватьмодет достигать 900 с или немногим более.
Может и многим более. До 1100-1200.
ЦитироватьОтсюда вопрос – а нельзя ли нарастить эффективность ЯРД? Дело в том, что разогретый в реакторе водород может совершить работу, которую можно обратить в энергию и направить с рабочим телом в сопло.
Вы минимум третий или четвёртый (скорее - двадцатый или тридцатый), кому такие мысли приходят в голову.
Однако при прикидках становится несколько грустно.
ЦитироватьВодород нагревается в первом контуре, разгоняется в сопле до сверхзвуковой скорости, сдавливает поток второго контура, затем уходит через циркуляцию во второй контур, обжимается потоком первого контура и выбрасывается через внешнее сопло, создавая тягу.
Важным моментом является то, что энергия передаётся от одного сверхзвукового потока к другому, эта передача имеет ударно-волновую природу.
Может и сработает в принципе, но больно уж наворочено, и вряд ли надёжно, стабильно и эффективно (как раз из-за участия в процессе ударных волн).
ЦитироватьПредполагается достижение полуторократной энтальпии газа на выходе и повышения УИ на 20-25%.
Не, такой геморрой однозначно не стоит свеч.
ЦитироватьЦитироватьТеоретический УИ твёрдотопливных ЯРД
Хоть бы в терминологии не путались...
Не твердотопливных, блин, а ТВЕРДОФАЗНЫХ!
Спасибо за поправку. Отвык от терминологии. :oops:
ЦитироватьЦитироватьмодет достигать 900 с или немногим более.
Может и многим более. До 1100-1200.
ЦитироватьПредполагается достижение полуторократной энтальпии газа на выходе и повышения УИ на 20-25%.
Не, такой геморрой однозначно не стоит свеч.
Возьмём 1100, помножим на 1,25 и получим 1375 с. Можно дотянуть до 1400. Стоит или не стоит?
P.S. Хорошо, что я трёхконтурный не нарисовал. Вот где был бы геморрой!
Вот это тема!
http://go2starss.narod.ru/pub/E021_NSWR.html
ЦитироватьВот это тема!
http://go2starss.narod.ru/pub/E021_NSWR.html
Не понял, какое отношение эта ссылка имеет к теме. Кроме того, изложенная идея, похоже, липовая. Чтобы обеспечить критическую массу, нужно набрать в одном месте несколько килограммов урана. Если пик реакции будет уже за трактом реактора, в сопле, то я теряюсь в догадках, какой предполагается расход. Но главное - таким образом не добиться сверхвысокого УИ - как только жидкость вскипит, критические условия исчезнут, а нагрев нейтронов приведёт к затуханию реакции. Ничего, существенно большего, чем у ЯРД на водороде, не получится.
Если же брать предложенный мной двигатель, то можно заметить, что в точке схождения скачка уплотнения на оси струи может реализоваться большое давление, особенно, если в первом контуре значительно больше газа, чем во втором. Если по оси струи пустить струйку ядерного топлива в газовой фазе, то действительно, можно добиться точечной реакции. Избыток газа из первого контура можно будет ввести в сопло позже.
Однако, размеры такого двигателя будут весьма немаленькие, даже если использовать не плутоний, а какой-нибудь калифорний с критической массой в несколько грамм.
ЦитироватьЦитироватьВот это тема!
http://go2starss.narod.ru/pub/E021_NSWR.html
Не понял, какое отношение эта ссылка имеет к теме. Кроме того, изложенная идея, похоже, липовая. Чтобы обеспечить критическую массу, нужно набрать в одном месте несколько килограммов урана. Если пик реакции будет уже за трактом реактора, в сопле, то я теряюсь в догадках, какой предполагается расход. Но главное - таким образом не добиться сверхвысокого УИ - как только жидкость вскипит, критические условия исчезнут, а нагрев нейтронов приведёт к затуханию реакции. Ничего, существенно большего, чем у ЯРД на водороде, не получится.
Если же брать предложенный мной двигатель, то можно заметить, что в точке схождения скачка уплотнения на оси струи может реализоваться большое давление, особенно, если в первом контуре значительно больше газа, чем во втором. Если по оси струи пустить струйку ядерного топлива в газовой фазе, то действительно, можно добиться точечной реакции. Избыток газа из первого контура можно будет ввести в сопло позже.
Однако, размеры такого двигателя будут весьма немаленькие, даже если использовать не плутоний, а какой-нибудь калифорний с критической массой в несколько грамм.
Дело в том, что нейтроны замедляясь в движущем замедлителе, начинают сами двигаться со скоростью замедлителя. В таком случае цепная реакция может происходить на срезе сопла и даже за ним.
ЦитироватьЦитироватьВот это тема!
http://go2starss.narod.ru/pub/E021_NSWR.html
изложенная идея, похоже, липовая. ..... Но главное - таким образом не добиться сверхвысокого УИ - как только жидкость вскипит, критические условия исчезнут, а нагрев нейтронов приведёт к затуханию реакции. Ничего, существенно большего, чем у ЯРД на водороде, не получится......
Все еще хуже. На самом деле критмасса водных р-ров урана и плутония вообще НЕСКОЛЬКО ГРАММОВ (и несколько литров воды) И цепная реакция в них продолжается только пока вода не переходит в пар - на этом, кстати, основаны растворные реакторы с внутренней безопасностью. Даже нескольких пузырьков пара достаточно, что бы реакция прекратилась.
А аварий с р-рами делящихся веществ было много, самая известная произошла на "Маяке":
ЦитироватьПодумать только: они... спешили на автобус и, вместо отсасывания раствора солей плутония сифоном из емкости, стали переливать через край. "Что тут такого страшного?" - скажет неспециалист. Но там были ядерщики - инженер и техники. Работая с субкритическим количеством плутония, они или забыли, или (еще хуже) не знали о роли формы объема... Когда полоса раствора на дне емкости превратилась при наклоне в треугольник, произошла вспышка - мгновенная СЦР. Раствор превратился в пар, промежутки между атомами плутония увеличились, и СЦР в сотые доли секунды прекратилась. Но и за такой мизерный отрезок времени все трое, наклонившие емкость, получили от восьми до двадцати смертельных доз. Уже через час мы с Байсоголовым и другими врачами продолжили оказание первой помощи, начатой на здравпункте в ближайшие 20 минут... У больных были красные глаза, температура 39,2 - 39,3, повторная рвота. Намного легче была больная К., находившаяся в момент СЦР в 5-6 метрах от емкости. Все наше внимание было фиксировано на мужчинах. Немного спустя Байсоголов сказал: "Виктор, иди к женщине, мужчин, сам видишь, мы все равно потеряем!" Это еще один пример оперативности и прозорливости шефа в любой ситуации. Несмотря на трагизм своего положения, больные держались мужественно. Пожалуй, более стойко, чем я видел перепуганных в Чернобыле с дозой в тысячу раз меньше! Взволнованным был инженер Б., он, по-видимому, больше техников понимал ситуацию. Мне пришлось прибегнуть к хитрости. "Да, - говорю я, - доза большая, но длительность облучения была мгновенной, и в организме не успели развиться непоправимые повреждения". После обменного переливания крови рвота прекратилась, и больной, поверив мне, вскоре уснул.
Мужчины погибли на 5-9 сутки, а больную К. удалось вылечить.
ЦитироватьЦитироватьЦитироватьВот это тема!
http://go2starss.narod.ru/pub/E021_NSWR.html
изложенная идея, похоже, липовая. ..... Но главное - таким образом не добиться сверхвысокого УИ - как только жидкость вскипит, критические условия исчезнут, а нагрев нейтронов приведёт к затуханию реакции. Ничего, существенно большего, чем у ЯРД на водороде, не получится......
Все еще хуже. На самом деле критмасса водных р-ров урана и плутония вообще НЕСКОЛЬКО ГРАММОВ (и несколько литров воды) И цепная реакция в них продолжается только пока вода не переходит в пар - на этом, кстати, основаны растворные реакторы с внутренней безопасностью. Даже нескольких пузырьков пара достаточно, что бы реакция прекратилась.
А аварий с р-рами делящихся веществ было много, самая известная произошла на "Маяке":
ЦитироватьПодумать только: они... спешили на автобус и, вместо отсасывания раствора солей плутония сифоном из емкости, стали переливать через край. "Что тут такого страшного?" - скажет неспециалист. Но там были ядерщики - инженер и техники. Работая с субкритическим количеством плутония, они или забыли, или (еще хуже) не знали о роли формы объема... Когда полоса раствора на дне емкости превратилась при наклоне в треугольник, произошла вспышка - мгновенная СЦР. Раствор превратился в пар, промежутки между атомами плутония увеличились, и СЦР в сотые доли секунды прекратилась. Но и за такой мизерный отрезок времени все трое, наклонившие емкость, получили от восьми до двадцати смертельных доз. Уже через час мы с Байсоголовым и другими врачами продолжили оказание первой помощи, начатой на здравпункте в ближайшие 20 минут... У больных были красные глаза, температура 39,2 - 39,3, повторная рвота. Намного легче была больная К., находившаяся в момент СЦР в 5-6 метрах от емкости. Все наше внимание было фиксировано на мужчинах. Немного спустя Байсоголов сказал: "Виктор, иди к женщине, мужчин, сам видишь, мы все равно потеряем!" Это еще один пример оперативности и прозорливости шефа в любой ситуации. Несмотря на трагизм своего положения, больные держались мужественно. Пожалуй, более стойко, чем я видел перепуганных в Чернобыле с дозой в тысячу раз меньше! Взволнованным был инженер Б., он, по-видимому, больше техников понимал ситуацию. Мне пришлось прибегнуть к хитрости. "Да, - говорю я, - доза большая, но длительность облучения была мгновенной, и в организме не успели развиться непоправимые повреждения". После обменного переливания крови рвота прекратилась, и больной, поверив мне, вскоре уснул.
Мужчины погибли на 5-9 сутки, а больную К. удалось вылечить.
Трудно представить заправку такой ракеты раствором солей урана. Чуть что сразу в пар, вместе с экипажем. :shock:
ЦитироватьВсе еще хуже. На самом деле критмасса водных р-ров урана и плутония вообще НЕСКОЛЬКО ГРАММОВ (и несколько литров воды) И цепная реакция в них продолжается только пока вода не переходит в пар - на этом, кстати, основаны растворные реакторы с внутренней безопасностью. Даже нескольких пузырьков пара достаточно, что бы реакция прекратилась.
В одной из энциклопедий я прочитал, что критическая масса растворённого урана около 1 кг, про плутоний - не знаю. Для реакции неважно состояние вещества, но достижение критической массы сопровождается быстрым нагревом до кипения, в результате появления пузырьков пара и увеличения объёма состояние становится подкритическим. Но, думаю, если мы зафиксируем объём, то состояние всё-равно станет подкритическим из-за нагрева. В соляном растворе нейтроны быстро охлаждаются и долго блуждают по раствору, пока не найдут свой атом урана или плутония. При повышении температуры скорость и процесс диффузии нейтронов ускоряется, и они в большем количестве покидают зону реакции. словия становятся подкритическими. Именно это препятствует созданию в ракетном двигателе непрерывной масштабной цепной реакции, а ЯРД на соляном растворе едва ли будет лучше твёрдофазного на водороде.
Но в водородном ЯЭоРД всё-таки можно попытаться. Подаём по оси струи газ типа гексафторида урана. Гексафторид урана частично смешивается с водородом и в таком состоянии подходит к скачку уплотнения, за которым обжимается. За скачком уплотнения происходит интенсификация смешения гексафторида урана с водородом и достигаются сверхкритические условия. Осталось только придумать, как закачивать в это место порции нейтронов... Получится довольно заметный прирост УИ, но всё-равно будет непозволительно большой расход делящегося материала.
ЦитироватьЦитироватьВсе еще хуже. На самом деле критмасса водных р-ров урана и плутония вообще НЕСКОЛЬКО ГРАММОВ (и несколько литров воды) И цепная реакция в них продолжается только пока вода не переходит в пар - на этом, кстати, основаны растворные реакторы с внутренней безопасностью. Даже нескольких пузырьков пара достаточно, что бы реакция прекратилась.
В одной из энциклопедий я прочитал, что критическая масса растворённого урана около 1 кг, про плутоний - не знаю.
Странные у вас у обоих источники :) Первый реактор на обогащённом уране назывался LOPO, содержал именно что раствор уранилсульфата и имел критмассу в 565 граммов. Он имел форму шарика диаметром 1 фут и был снабжён отражателем нейтронов из окиси бериллия (и графитовым основанием. Это абсолютный рекорд критмассы для уранового реактора. Теоретически с тяжеловодным отражателем можно, наверно, и меньше, но ненамного, и такой реактор не был построен, а LOPO - существовал и работал. Правда, обычно в нём работали с загрузкой в 580 г урана-235, чтобы иметь запас реактивности на регулирование и т.д.
ЦитироватьДля реакции неважно состояние вещества, но достижение критической массы сопровождается быстрым нагревом до кипения, в результате появления пузырьков пара и увеличения объёма состояние становится подкритическим.
Вообще-то, пар, в силу малой плотности, слабо замедляет нейтроны. Но уменьшение плотности при нагреве заметно и без парообразования, и можно так подобрать критмассу и геометрию, что ещё до начала кипения установка станет субкритической. Это, однако, в теории, а на практике нужно иметь запас на регулирование, чтобы компенсировать отравление реактора технецием и ксеноном - в результате реакции образуются изотопы этих веществ с очень большим сечением захвата нейтронов.
И этот запас таков, что можно сделать и кипящий реактор критическим. Больше того, даже если не дать реактору закипать, пузырьки всё равно будут из-за радиолиза воды - будет выделяться гремучий газ, поэтому все реакторы на растворах приходится снабжать каталитическими окислителями гремучей смеси.
ЦитироватьНо, думаю, если мы зафиксируем объём, то состояние всё-равно станет подкритическим из-за нагрева. В соляном растворе нейтроны быстро охлаждаются и долго блуждают по раствору, пока не найдут свой атом урана или плутония. При повышении температуры скорость и процесс диффузии нейтронов ускоряется, и они в большем количестве покидают зону реакции.
Моя смиялсо :) Дело в том, что сечение деления для ядра урана-235 или плутония-239 обратно пропорционально энергии (для тепловых и субтепловых нейтронов), а тепловыми нейтроны называются потому, что находятся в термодинамическом равновесии с замедлителем. Т.е. если температура замедлителя будет 300 К (комнатная), то энергия тепловых нейтронов будет 0,0025 эВ, а, если температура замедлителя будет 600 К (327 цельсия), то энергия тепловых нейтронов будет вдвое больше, а сечение деления - вдвое меньше. А вот сечение захвата без деления от энергии в этом диапазоне не зависит.
Диффузия и скорость замедления не зависят от температуры замедлителя.
ЦитироватьНо в водородном ЯЭоРД всё-таки можно попытаться. Подаём по оси струи газ типа гексафторида урана. Гексафторид урана частично смешивается с водородом и в таком состоянии подходит к скачку уплотнения, за которым обжимается. За скачком уплотнения происходит интенсификация смешения гексафторида урана с водородом и достигаются сверхкритические условия. Осталось только придумать, как закачивать в это место порции нейтронов... Получится довольно заметный прирост УИ, но всё-равно будет непозволительно большой расход делящегося материала.
Моя опять смиялсо.
За скачком уплотнения, действительно, плотность может быть больше. Но, если при этом будет происходить смешение с водородом, то средняя плотность урана в газовой фазе понизится, и критичность будет потеряна.
Наиболее реалистичные газофазные проекты включают, как правило, твердофазную часть активной зоны. Она будет нейтроноизбыточной, и нейтроны, с помощью бериллиевого вытеснителя переправляются в газофазную часть. Которая является нейтронодефицитной, т.е. без участия твердофазной части - подкритичной.
Если охлаждать твердофазную часть только топливом, то в ней может генерироваться до 25% нейтронов, но можно её охлаждать ещё и дополнительным теплоносителем по замкнутому циклу, доведя долю нейтронов до 30%. Это позволит здорово уменьшить размеры газофазного ТВЭЛа.
ЦитироватьСтранные у вас у обоих источники :) Первый реактор на обогащённом уране назывался LOPO, содержал именно что раствор уранилсульфата и имел критмассу в 565 граммов. Он имел форму шарика диаметром 1 фут и был снабжён отражателем нейтронов из окиси бериллия (и графитовым основанием. Это абсолютный рекорд критмассы для уранового реактора. Теоретически с тяжеловодным отражателем можно, наверно, и меньше, но ненамного, и такой реактор не был построен, а LOPO - существовал и работал. Правда, обычно в нём работали с загрузкой в 580 г урана-235, чтобы иметь запас реактивности на регулирование и т.д.
Не противоречит моим источникам: в них не было ключевого слова "отражатель".
ЦитироватьМоя смиялсо :) Дело в том, что сечение деления для ядра урана-235 или плутония-239 обратно пропорционально энергии (для тепловых и субтепловых нейтронов), а тепловыми нейтроны называются потому, что находятся в термодинамическом равновесии с замедлителем. Т.е. если температура замедлителя будет 300 К (комнатная), то энергия тепловых нейтронов будет 0,0025 эВ, а, если температура замедлителя будет 600 К (327 цельсия), то энергия тепловых нейтронов будет вдвое больше, а сечение деления - вдвое меньше. А вот сечение захвата без деления от энергии в этом диапазоне не зависит.
Действительно, это я упустил ввиду общей безнадёжности чужой идеи. У урана-235 сечение захвата при 300 К, если не ошибаюсь, 600 барн. Как-то интересовался, но к сожалению, не нашёл, что будет при 30, 10, 5, 1 К.
ЦитироватьМоя опять смиялсо.
За скачком уплотнения, действительно, плотность может быть больше. Но, если при этом будет происходить смешение с водородом, то средняя плотность урана в газовой фазе понизится, и критичность будет потеряна.
Ну, это было для реакции с замедлителем, нужен водород. Хотя я в ней не уверен. А за скачком уплотнения давление может возрасти на порядок, плотность - в разы! Особенно - за двойным скачком (за областью пересечения скачка уплотнения. Но тогда изначально рабочее тело в ядре должно быть относительно холодным, или таким, чтобы за двойным скачком дозвуковой переход был бы наименьшим, или чтобы его не было вообще. Впрочем, учитывая молекулярную массу гексафторида урана...
ЦитироватьНу, это было для реакции с замедлителем, нужен водород. Хотя я в ней не уверен.
Замедлитель нужен всё равно - без него на быстрых или промежуточных нейтронах сечение деления слишком мало, и при реалистичных давлениях в газофазном ТВЭЛе критичность без замедления достигнута быть не может.
Причём замедлитель должен быть ещё и отражателем, что довольно эффективно реализуется на тяжёлой воде, правда, слой получается очень толстым - метра полтора нужно, т.е. шарик диаметром больше трёх метров получается.
ЦитироватьА за скачком уплотнения давление может возрасти на порядок, плотность - в разы! Особенно - за двойным скачком (за областью пересечения скачка уплотнения.
Для чистого и относительно холодного водорода. Но не для гексафторида урана - скорее, тот разложится до тетрафторида.
ЦитироватьНо тогда изначально рабочее тело в ядре должно быть относительно холодным, или таким, чтобы за двойным скачком дозвуковой переход был бы наименьшим, или чтобы его не было вообще. Впрочем, учитывая молекулярную массу гексафторида урана...
Вот-вот. Какая будет скорость звука в гексафториде урана при, скажем, тысяче кельвинов и ста атмосферах? (в большее давление я не верю).
ЦитироватьЦитироватьНо тогда изначально рабочее тело в ядре должно быть относительно холодным, или таким, чтобы за двойным скачком дозвуковой переход был бы наименьшим, или чтобы его не было вообще. Впрочем, учитывая молекулярную массу гексафторида урана...
Вот-вот. Какая будет скорость звука в гексафториде урана при, скажем, тысяче кельвинов и ста атмосферах? (в большее давление я не верю).
Ну и пусть в ядре будет дозвук (он и в водороде будет). А сам процесс сжатия будет эквивалентом сходящийся ударной волны, только не сферической, как в ядерном заряде, а цилиндрической, минус - краевые эффекты из-за "неодновременности инициации" цилиндрической волны. То есть, сильное сжатие будет, другое дело - можно ли на этом организовать эффективную цепную реакцию. В этом, конечно, есть сомнения.