Сектанты всех РД, объединяйтесь: детонационный ГфЯРД.

[dmdimon]

стартовая идея топика красива )

[Старый]

mr_gorsky пишет:

Сектанты всех РД, объединяйтесь

Удачи, мистер Горский!

[Andrey]

mr_gorsky пишет:

Почему тогда не может быть ядерной детонации?

Механизм будет похожим. В зоне высокого давления за фронтом создаются благоприятные условия для ядерной реакции на медленных нейтронах, которые вылетают из твердофазной части реактора либо возвращаются в газофазный твэл замедлителем-отражателем. Выделившаяся энергия поддерживает детонационную волну, как и в химических двигателях. Остальная часть в виде излучения передается рабочему телу. После прохождения детонационной волны давление быстро падает, но плазама еще имеет высокую температуру. Поэтому ее плотность слишком мала для достижения критичности. За цикл прохождения детонационной волны эта плазма должна успевать охлаждаться.

Вероятно, спиновый детонационный режим будет наиболее совместимым с ГфЯРД с центробежным удержанием делящегося материала.

А можно парочку вопросов?
Зачем здесь твердофазная зона?
Состав топлива?

[mr_gorsky]

Andrey пишет:

А можно парочку вопросов?
Зачем здесь твердофазная зона?
Состав топлива?

Даже при таких высоких давлениях, как в "детонационной зоне" критичность на быстрых нейтронах, рождающихся в результате ядерных реакций, недостижима, поэтому есть 2 выхода:

1. Окружить плазменный твэл замедлителями-отражателями нейтронов, которые будут возвращать нейтроны в зону ядерной реакции.
2. Использовать внешний твердофазный реактор для создания потока нейтронов в "детонационную зону".

Возможно, требуется совмещение и того и того. Насчет состава топлива в газофазном твэле: как и в обычном ГфЯРД, плазма урана-233.

[Andrey]

mr_gorsky пишет: 
1. Окружить плазменный твэл замедлителями-отражателями нейтронов, которые будут возвращать нейтроны в зону ядерной реакции.

Таким способом не возможно получить работу активной зоны на тепловых нейтронах.

Твэлов должно быть много, примерно как в ядерном реакторе на тепловых нейтронах.

2. Использовать внешний твердофазный реактор для создания потока нейтронов в "детонационную зону".
Возможно, требуется совмещение и того и того. 

Если твердофазный  реактор создает нейтроны для реакции в плазме в нем выделяется столько же энергии.
Куда ее девать?

Насчет состава топлива в газофазном твэле: как и в обычном ГфЯРД, плазма урана-233.

То есть выбрасываем чистый уран-233?  
Вообще то производства урана-233 нет.
Соответственно где его брать?

[mr_gorsky]

Andrey пишет:

mr_gorsky пишет:
1. Окружить плазменный твэл замедлителями-отражателями нейтронов, которые будут возвращать нейтроны в зону ядерной реакции.

Таким способом не возможно получить работу активной зоны на тепловых нейтронах.

Ждем-с объяснений, почему невозможно)) именно на этом принципе все старые ГфЯРД и спроектированы, так что это вопрос не только ко мне, но и к их проектировщикам))

Поправка: конечно, не тепловые нейтроны, а промежуточные и быстрые. Просто в старых работах оптимистично делали расчеты для тепловых нейтронов. Это не говорит, что нельзя взять и замедлить нейтроны, и вернуть в зону реакции. Просто толщина и масса замедлителей оказываются нереальными. Поэтому после работы над ошибками и перешли к схеме с субкритичным газофазным твэлом и дополнительным твердофазным реактором. Но отражатели тоже оставили.

[mr_gorsky]

Andrey пишет:
Твэлов должно быть много, примерно как в ядерном реакторе на тепловых нейтронах.

2. Использовать внешний твердофазный реактор для создания потока нейтронов в "детонационную зону".
Возможно, требуется совмещение и того и того.

Если твердофазныйреактор создает нейтроны для реакции в плазме в нем выделяется столько же энергии.
Куда ее девать?

Осуществлять предварительный разогрев рабочего тела и, может быть, сбрасывать в космос через холодильники излучатели. Равенство энерговыделений не означает равенство температур, т.к. тепловые емкости твердофазного реактора и плазмы разные.

[Andrey]

mr_gorsky пишет: 
Осуществлять предварительный разогрев рабочего тела и, может быть, сбрасывать в космос через холодильники излучатели. Равенство энерговыделений не означает равенство температур, т.к. тепловые емкости твердофазного реактора и плазмы разные.

У вас топливо уран.
Какой предварительный разогрев?

[Andrey]

mr_gorsky пишет: 
Ждем-с объяснений, почему невозможно)) именно на этом принципе все старые ГфЯРД и спроектированы, так что это вопрос не только ко мне, но и к их проектировщикам))

Объяснение такое.
Возьмем уран-235 в виде шара.
Его критическая масса без отражателя 48 кг.
Если шар поместить в большой бак с водой крит. масса упадет до 22.8 кг.
Если шар взять в виде водного раствора солей с оптимальной концентрации и поместить его также в большой бак, нужно будет всего 0.82 кг урана.
Ваш случай второй.
Он конечно лучше чем без отражателя, но всего в два раза.
В то время как на тепловых нейтронах масса урана падает более чем на порядок.
 

[Юрий Темников]

Интересно, а сюда не может вписаться импульсный генератор нейтронов на ускорителях,помнится там обещали огромный выход нейтронов за счет дробления тяжелых ядер высоко энергетическими протонами,вроде как и подкритический реактор обещали.можно предварительно мишень лазерами обжать.Это конечно не детонационный двигатель,но ГФЯРД может получиться.

[mr_gorsky]

Andrey пишет:

mr_gorsky пишет:
Осуществлять предварительный разогрев рабочего тела и, может быть, сбрасывать в космос через холодильники излучатели. Равенство энерговыделений не означает равенство температур, т.к. тепловые емкости твердофазного реактора и плазмы разные.

У вас топливо уран.
Какой предварительный разогрев?

Предварительный разогрев рабочего тела (жидкого водорода). Водород проходит через твердофазную часть, забирает тепло и нагревается, затем догревается излучением из газофазной зоны. Без последнего - это просто обычный ТфЯРД. При высоких УИ такого регенеративного охлаждения недостаточно для сброса тепла из твердофазной зоны и необходимы еще и высокотемпературные холодильники-излучатели.

Andrey пишет:
Ваш случай второй.
Он конечно лучше чем без отражателя, но всего в два раза.

Это и объясняет требования по давлению в газофазном твэле и его размерам в старых гфярд. На практике требования невыполнимы (диаметр газофазной зоны вместе с замедлителями отражателями в 10 метров, где-то на в старых топиках форума это считалось). В современных вариантах гфярд газофазный твэл подкритический.

Вот один из примеров: http://engine.aviaport.ru/issues/05/page41.html Как видим, 1000 атм требуется и здесь.

[mr_gorsky]

Юрий Темников пишет:
Интересно, а сюда не может вписаться импульсный генератор нейтронов на ускорителях,помнится там обещали огромный выход нейтронов за счет дробления тяжелых ядер высоко энергетическими протонами,вроде как и докритический реактор обещали.

Легче сконструировать компактный твердофазный реактор (если нужен импульсный, то TRIGA) в качестве источника нейтронов, чем выводить ускоритель, а так же источники питания к нему, в космос.

[mr_gorsky]

Юрий Темников пишет:
Интересно, а сюда не может вписаться импульсный генератор нейтронов на ускорителях,помнится там обещали огромный выход нейтронов за счет дробления тяжелых ядер высоко энергетическими протонами,вроде как и подкритический реактор обещали.можно предварительно мишень лазерами обжать.Это конечно не детонационный двигатель,но ГФЯРД может получиться.

Такая идея описывается в статье https://web.archive.org/web/20060311195440/http://www.andrews-space.com/images/videos/PAPERS/Pub-MiniMagOrion%28200307%29.pdf Это не ГфЯРД, а Орион на микровзрывах.

Необходимы огромные массы для реактора энергоснабжения всех систем, генераторов Маркса, а так же z-машины или сильноточных ускорителей или лазеров для обжатия мишеней ядерного топлива. Это притом, что для малых мишенией неприменимы расчеты крит.массы на основе уравнения диффузии (размеры мишени меньше длины свободного пробега нейтронов) и поэтому не факт, что даже очень сильного обжатия хватит для достижения критичности. Авторы вроде проводили эксперименты на z-машине, которые закончились неудачно.

Еще одна идея была связана с зажиганием термоядерных реакций в мишени антивеществом. https://web.archive.org/web/20140616201812/http://www.engr.psu.edu/antimatter/Papers/AIMStar_99.pdf Тогда не нужны тяжеленные ускорители. Однако антивещества требуется хоть и очень мало, но это все равно за пределами возможностей нашей техники. Ну и как его хранить, тоже не решили.

Поэтому здесь вопрос сжатия делящегося вещества решается "на базе" ГфЯРД и для сжатия урановой плазмы используется энергия самих ядерных реакций без всяких преобразований. Однако само существование режима работы ГфЯРД, аналогичного работе детонационных химических реактивных двигателей - под ооочень большим сомнением.

[Andrey]

mr_gorsky пишет: 
Предварительный разогрев рабочего тела (жидкого водорода). Водород проходит через твердофазную часть, забирает тепло и нагревается, затем догревается излучением из газофазной зоны. Без последнего - это просто обычный ТфЯРД. При высоких УИ такого регенеративного охлаждения недостаточно для сброса тепла из твердофазной зоны и необходимы еще и высокотемпературные холодильники-излучатели. 

Вот смотрите, нагрели мы водород в твердофазной части, затем сообщили еще такое-же количество тепла в газофазной части двигателя.
То есть удельный импульс может быть больше чем у ТфЯРДа всего в корень из двух раз.
К тому же мы загрязним водород ураном, что еще уменьшит удельный импульс.
Если считать что удельный импульс нужен больше чем у  ТфЯРДа раза в три, то регенеративное охлаждение сможет обеспечить не более 10% необходимого.
То бишь можно с ним и не заморачиваться.

Это и объясняет требования по давлению в газофазном твэле и его размерам в старых гфярд. На практике требования невыполнимы (диаметр газофазной зоны в 10 метров, где-то на в старых топиках форума это считалось). В современных вариантах гфярд газофазный твэл подкритический.

Вот один из примеров: http://engine.aviaport.ru/issues/05/page41.html Как видим, 1000 атм требуется и здесь.

Дело тут вот в чем.
Критическая масса обратно пропорциональна квадрату плотности делящего вещества.
Отсюда и получается эти 10 метров и 1000 атмосфер.
Если мы убираем необходимость критичности с помощью твердофазной зоны, то ситуация улучшится не принципиально.
Уран в газофазной части ведь должен ловить нейтроны поставляемые твердофазной частью.
Это значит что коэффициент критичности должен быть высок.
Ну а это выльется в метры и атмосферы, хоть они и будут слегка пожиже.

[mr_gorsky]

Andrey пишет:
Отсюда и получается эти 10 метров и 1000 атмосфер.

Я неточно написал: 10 метров - это общий диаметр. Цитирую отсюда http://novosti-kosmonavtiki.ru/forum/forum13/topic10869/

"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! "

Andrey пишет:
Если мы убираем необходимость критичности с помощью твердофазной зоны, то ситуация улучшится не принципиально.

Улучшается. Нейтроны в газофазном твэле имеют очень высокие энергии, т.к. находятся в тепловом равновесии с плазмой. Сечение захвата у них мало. Нейтроны, вылетающие из твердофазного реактора, имеют температуру почти на порядок меньше (они находились в тепловом равновесии с твердофазной частью), сечение захвата у них будет выше.

Andrey пишет:
Вот смотрите, нагрели мы водород в твердофазной части, затем сообщили еще такое-же количество тепла в газофазной части двигателя.
То есть удельный импульс может быть больше чем у ТфЯРДа всего в корень из двух раз.

Забываем, что критичность частично поддерживается самой газофазной зоной. Еще раз цитирую:

"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."

При таком соотношении мощностей УИ получается где-то 1800-2000с.

[Andrey]

mr_gorsky пишет:

Andrey пишет:
Отсюда и получается эти 10 метров и 1000 атмосфер.

Я неточно написал: 10 метров - это общий диаметр. Цитирую отсюда http://novosti-kosmonavtiki.ru/forum/forum13/topic10869/

"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! "

Чисто уран-235 без водорода при плотности 250 кг/м^3 и с бериллиевым отражателем критдиаметр около 10 метров.
А масса порядка 92 тонн. 

Еще раз цитирую:

"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."

При таком соотношении УИ получается где-то 1800-2000с.

А где вы это уже цитировали?
Что то я этого не вижу. 
Откуда это?

[mr_gorsky]

Andrey пишет:
А где вы это уже цитировали?
Что то я этого не вижу.
Откуда это?

смотрим:

mr_gorsky пишет:
Цитирую отсюда http://novosti-kosmonavtiki.ru/forum/forum13/topic10869/

А теперь Ваша очередь:

Andrey пишет:
Чисто уран-235 без водорода при плотности 250 кг/м^3 и с бериллиевым отражателем критдиаметр около 10 метров.
А масса порядка 92 тонн.

Мне кажется, Ваша ошибка в том, что Вы неверно экстраполировали случай уранового шара.

[Andrey]

mr_gorsky пишет:
смотрим:

mr_gorsky пишет:
Цитирую отсюда http://novosti-kosmonavtiki.ru/forum/forum13/topic10869/

А теперь Ваша очередь:

Почитаю скажу.

mr_gorsky пишет:
Мне кажется, Ваша ошибка в том, что Вы экстраполировали случай уранового шара, считая критмассу пропроциональной квадрату плотности. Но в случае уранового шара (атомной бомбы) критмасса посчитана на быстрых нейтронах. Для урана в атомной бомбе, который можно удерживать в критическом состоянии лишь мгновение, только быстрые нейтроны и имеют значение. Поскольку скорость смены поколений для более медленных нейтронов слишком мала по сравнению с быстротой процесса взрыва, их вклад в энерговыделение пренебрежимо мал. В ГфЯРД режим стационарный, и тогда наоборот, нейтронами, температура которых много выше температуры плазмы, можно пренебречь.

У вас же там температура 12000К нейтроны возможно и тепловые, но очень горячие.
Так что особых ошибок нет.  

[mr_gorsky]

Andrey пишет:
У вас же там температура 12000К нейтроны возможно и тепловые, но очень горячие.
Так что особых ошибок нет.

Ошибки существенные.

Сравните нейтроны в тепловом равновесии с плазмой ГфЯРД (12000 К) и нейтроны в ядерной бомбе в момент взрыва, которые еще не пришли в тепловое равновесие с урановой сборкой (температура никак не меньше температуры в эпицентре ядерного взрыва 10^7 градусов, а на деле намного больше - порядка 10^11 К).

А теперь вспомним еще и про замедлители-отражатели, возвращающие часть нейтронов, которые уже холоднее плазмы. Все это, думается, и позволяет уменьшить вклад твердофазной АЗ в нейтронную мощность с 50% до 25%.

[Andrey]

mr_gorsky пишет: 
Ошибки существенные.

Сравните нейтроны в тепловом равновесии с плазмой ГфЯРД (12000 К) и нейтроны в ядерной бомбе в момент взрыва, которые еще не пришли в тепловое равновесие с урановой сборкой (температура никак не меньше температуры в эпицентре ядерного взрыва 10^7 градусов, а на деле намного больше - порядка 10^11 К).

А теперь вспомним еще и про замедлители-отражатели, возвращающие часть нейтронов, которые уже холоднее плазмы. Все это, думается, и позволяет уменьшить вклад твердофазной АЗ в нейтронную мощность с 50% до 25%.

А зачем нам температура в эпицентре ядерного взрыва.
Энергия нейтронов при делении порядка 1 Мэв.
Это существенно больше чем 10^7 градусов.
Да и при ядерном взрыве они не успевают термализоваться. 
Время термализации нейтрона порядка 1 мкс (причем это в воде, в уране больше порядка на три), а время жизни одного поколения нейтронов порядка 10 нс.
В ядерном взрыве тепловые нейтроны не играют никакой роли.

А вот сечение реакции деления существенно зависит от температуры, обратно пропорционально.
Температура больше в 40 раз значит и сечение деления меньше в 40 раз.

Про замедлители-отражатели.
Я в своих расчетах это учитывал.
Я пересчитывал не голый шар из урана-235, а шар в бериллиевой оболочке, у которого критмасса меньше в 3 раза.