mihalchuk и ядерный двигатель

[mihalchuk]

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

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%.

[Fakir]

Теоретический УИ твёрдотопливных ЯРД

Хоть бы в терминологии не путались...
Не твердотопливных, блин, а ТВЕРДОФАЗНЫХ!

модет достигать 900 с или немногим более.

Может и многим более. До 1100-1200.

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.

Вы минимум третий или четвёртый (скорее - двадцатый или тридцатый), кому такие мысли приходят в голову.
Однако при прикидках становится несколько грустно.

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.

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).

Предполагается достижение полуторократной энтальпии газа на выходе и повышения УИ на 20-25%.

Не, такой геморрой однозначно не стоит свеч.

[mihalchuk]

Теоретический УИ твёрдотопливных ЯРД

Хоть бы в терминологии не путались...
Не твердотопливных, блин, а ТВЕРДОФАЗНЫХ!

Спасибо за поправку. Отвык от терминологии. :oops:

модет достигать 900 с или немногим более.

Может и многим более. До 1100-1200.

Предполагается 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!

[KBOB]

Вот это тема!
http://go2starss.narod.ru/pub/E021_NSWR.html

[mihalchuk]

Вот 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.

[KBOB]

Вот 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.

[Wyvern]

Вот 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":
 

Подумать 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.

[KBOB]

Вот 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":
 

Подумать 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:

[mihalchuk]

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.

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.

[Андрей Суворов]

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

[mihalchuk]

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.

Не противоречит моим источникам: в них не было ключевого слова "отражатель".

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.

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.

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.

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...

[Андрей Суворов]

Ну, 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.

А 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.

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...

Вот-вот. Какая будет скорость звука в гексафториде урана при, скажем, тысяче кельвинов и ста атмосферах? (в большее давление я не верю).

[mihalchuk]

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...

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.