Инженерные вопросы межзвездных перелетов

[Chilik]

Я вот чего не понимаю - почему тор? По моим представлениям, тор для сверхпроводящего соленоида крайне неудобная форма... Т.е. тором он может быть, но сплошным.

Нормальная форма. Самое большое, что в мире работает с такой формой - французский токамак Тор-Супра, у которого сверхпроводящий "бублик" метров 7 в поперечнике: http://www-fusion-magnetique.cea.fr/gb/cea/ts/description/ts_description01.htm
Естественно, не из куска сделан, а намотан специальным проводом.
А ровно вчера подписан первый большой контракт по программе ИТЭР - с японцами на примерно 400 тонн сверхпроводящего провода на половину из катушек тороидального поля.

[Иван Моисеев]

Кстати, позволю себе усомниться в эффективности антипротонной инициации термоядерного синтеза. Дело в том, что похоже, что в это случае энергия аннигиляции будет поглощаться мишенью крайне неэффективно.

Вот как американцы это себе представляют:

http://path-2.narod.ru/vv/art/obz.htm

позиция 5.

[Иван Моисеев]

Не так. В качестве некоторого критерия нужно рассматривать две вещи.
Первое - размер ларморовской окружности частицы по отношению к размеру системы. Если много больше - то поле не влияет на движение частиц.
Второе - сравнить частоту ларморовского (циклотронного) вращения и частоту столкновения частиц в плазме. Если частота столкновения сравнима или больше, то плазма легко будет течь и поперёк магнитного поля за счёт диффузии.
Это если не говорить о тех неприятностях, которые происходят из-за плазменной турбулентности (а она есть всегда) и разного рода неустойчивостей. Но это совсем отдельная наука.

Возможно и нужно рассматривать две вещи. Но у меня сложилось такое впечатление, что для целей, достаточных для оценок процессов в ДУ их уже давно рассмотрели. См., н-р: Л.А. Арцимович. "Элементарная физика плазмы". М.,"Атомиздат", 1969.

"Плазменная турбулентность и разного рода неустойчивости" - это не отдельная наука, а процессы. На сегодняшнем уровне следует смотреть насколько сильно они влияют на характеристики ДУ. Грубая оценка показывает незначительное воздействие. (Это не касается процессов поджига, разумеется.)

[Иван Моисеев]

Я вот чего не понимаю - почему тор? По моим представлениям, тор для сверхпроводящего соленоида крайне неудобная форма... Т.е. тором он может быть, но сплошным.

Нормальная форма. Самое большое, что в мире работает с такой формой - французский токамак Тор-Супра, у которого сверхпроводящий "бублик" метров 7 в поперечнике: http://www-fusion-magnetique.cea.fr/gb/cea/ts/description/ts_description01.htm
Естественно, не из куска сделан, а намотан специальным проводом.
А ровно вчера подписан первый большой контракт по программе ИТЭР - с японцами на примерно 400 тонн сверхпроводящего провода на половину из катушек тороидального поля.

Токомаки используют совершенно иные подходы к удержанию плазмы, чем рассматриваемая здесь КС. Форма тора в таких случаях определяется требованиями к форме маг.поля, которые отличны от тех требований, которые предъявляются к маг.полю КС.

[Chilik]

Я вот чего не понимаю - почему тор? По моим представлениям, тор для сверхпроводящего соленоида крайне неудобная форма... Т.е. тором он может быть, но сплошным.

Нормальная форма. ...

Токомаки используют совершенно иные подходы к удержанию плазмы, чем рассматриваемая здесь КС. Форма тора в таких случаях определяется требованиями к форме маг.поля, которые отличны от тех требований, которые предъявляются к маг.полю КС.

Как видно из выделенного цветом фрагмента текста, исходное утверждение было просто про топологические особенности магнитной системы безотносительно к приложению. Про что и был ответ.

[Alex_Semenov]

Издеваетесь, да? 100 мг водорода - это 0.05 моля. В пересчёте на атомы 6х10^22 штук. В объёме 6 куб. м. это соответствует плотности плазмы 10^16 частиц в куб. см. Что в сто раз больше, чем классическая цифра для термоядерных реакторов. А проблемы начнутся гораздо раньше, где-то с 10^10 1/см3 (по крайней мере, некоторые теоретически завлекательные концепции удержания плазмы умерли на подобных цифрах, а некоторые - и ещё раньше).

Нет. Не издеваюсь. Это я так торможу. Как лох в лыжах по асфальту... :oops:
Действительно, нужно было прикинуть и сравнить со справочником...  Но!
Обратите внимание. Японцы почему-то используют ионы золота...
Молярная масса золота 196. То есть плотность получается почти в 200 раз меньше. А значит, и плотность расширившейся плазма в половину от плотности плазмы в  "токомакаках"...
Зачем японцы использовали в модели ионы золота я не понял.

[Alex_Semenov]

Магнитное поле начинает проникать в плазму, когда его энергетическая плотность начинает превышать энергетическую плотность плазмы.

Не так. В качестве некоторого критерия нужно рассматривать две вещи.
Первое - размер ларморовской окружности частицы по отношению к размеру системы. Если много больше - то поле не влияет на движение частиц.
Второе - сравнить частоту ларморовского (циклотронного) вращения и частоту столкновения частиц в плазме. Если частота столкновения сравнима или больше, то плазма легко будет течь и поперёк магнитного поля за счёт диффузии.
Это если не говорить о тех неприятностях, которые происходят из-за плазменной турбулентности (а она есть всегда) и разного рода неустойчивостей. Но это совсем отдельная наука.

То есть, есть надежда, что модель Японцев и иже с ними – верна?
Обнадеживает.
Ибо мне очень нравится подход Багрова-Смирнова, создателей VISTA и примкнувших к ним японцев...
 

[AlexV]

Здесь пишут  http://path-2.narod.ru/vv/art/obz.htm

Так как активная зона находится в надкритичном состоянии, то деление быстро увеличивается.

Если плутоний в сжатой мишени находится в надкритическом состоянии - тогда зачем нужны антипротоны? С учётом сечения деления ядер плутония 2ГэВ протонами вероятность деления производимая 1-м протоном  в данной мишени будет около 2*10^-4.
Т.е. импульс содержащий 5*10^10 произведёт тот же эффект, что и 10^7 антипротонов.  А это можно обеспечить импульсным ускорителем с длинной импульса скажем 1нс,  током в импульсе около 8А и энергией импульса 16Дж.

Что-то мне кажется, что такой ускоритель куда менее фантастическая вещь, чем вся эта возня с антивеществом.

[Alex_Semenov]

Если плутоний в сжатой мишени находится в надкритическом состоянии - тогда зачем нужны антипротоны? С учётом сечения деления ядер плутония 2ГэВ протонами вероятность деления производимая 1-м протоном  в данной мишени будет около 2*10^-4.
Т.е. импульс содержащий 5*10^10 произведёт тот же эффект, что и 10^7 антипротонов.  А это можно обеспечить импульсным ускорителем с длинной импульса скажем 1нс,  током в импульсе около 8А и энергией импульса 16Дж.
Что-то мне кажется, что такой ускоритель куда менее фантастическая вещь, чем вся эта возня с антивеществом.

Если бы так было в действительности - это было бы прекрасно!
Но насколько я понял микроядерный взрыв на антипротонах (цепной процесс в микрокапле) был получен эксперементально. Это даже не наши рассуждения о  форме магнитного зеркала с опорой на разные вычислительные моделях. Это круче - эксперементальные данные.
То же что говорите вы - только умозрительная гипотеза.
Кто возьмется проверить?

[AlexV]

http://path-2.narod.ru/vv/art/obz.htm

Собственно говоря,  приведённая схема мишени должна работать по принципу слойки (деление-синтез-деление), а значит, похоже, что она работоспособна только для D-T топлива, а с He3-D –  работать не будет.

В ней же основная мысль состоит в том, что на конечном этапе идёт быстрое деление атомов плутония на термоядерных нейтронах, за счёт чего сильно повышается температура и обеспечивается достаточно полное выгорание(как они предполагают) топлива.

Для He3-D же термоядерные нейтроны практически не возникают, да и реакция начинается она при очень высокой температуре, существенно большей, чем 2 кэВ.

А D-T топливо для межзвёздных прелётов(из-за нестабильности T) неприменимо...

[Alex_Semenov]

Собственно говоря,  приведённая схема мишени должна работать по принципу слойки (деление-синтез-деление), а значит, похоже, что она работоспособна только для D-T топлива, а с He3-D –  работать не будет.

Все это - рассуждения "на пальцах".
Заходите:
http://www.engr.psu.edu/antimatter/documents.html
Здесь есть проект "AIMStar: Antimatter Initiated Microfusion For Pre-cursor Interstellar Missions" (имеется в виду к границам солнечной системы)
http://www.engr.psu.edu/antimatter/Papers/AIMStar_99.pdf
Там как раз собираются антипротонами жечь He3-D. И насколько я понял, даже обжимать каплю в надкритическое состояние пучками ионов как в ICAN-II (а именно об этой идее идет речь в материале, выложенном И. Моисеевым) не собираются.



Насколько я понял, в AIMStar капля 42 нг DHe-3 содержит 2% (от молярной массы?) U235 (или даже U238!!!).  Raymond A. Lewis, Kirby Meyer, Gerald A. Smith и Steven D. Howe надеются ее сжечь просто "окуная" капля в  облако антипротонов 10^11 штук!

[AlexV]

Если бы так было в действительности - это было бы прекрасно!
Но насколько я понял микроядерный взрыв на антипротонах (цепной процесс в микрокапле) был получен эксперементально. Это даже не наши рассуждения о форме магнитного зеркала с опорой на разные вычислительные моделях. Это круче - эксперементальные данные.

Мне кажется вы чего-то напутали. Деление ядер при взаимодействии с антипротоном с испусканием большого числа  нейтронов – экспериментальный факт. И один антипротон может вызвать в мишени(если та не слишком мала) деление несколько десятков вторичных делений ядер. Это тоже экспериментальный факт.
НО ядерный микровзрыв в ДОКРИТИЧЕСКОЙ мешена вы не получите НИКОГДА И НИ ПРИ КАКИХ условиях.

Если конечно малую мишень обжать, то тогда и в этом случае можно  получить надкритические условия, и в принципе микроядерный взрыв. Вот только сжимать вырожденный электронный газ – дело неблагодарное. Для того, чтобы сжать плутоний в 200 раз потребуются столько же энергии, чтобы поджечь He3-D смесь. А критическая масса плутония при этом упадёт только в 34 раза. Т.е. если без отражателей до 165 г.

Вы похоже перепутали деление ядер на антипротонах с ядерным взрывом.

Что касается деления ядер на быстрых протонах – этот эффект хорошо известен, и даже предлагалось строить под критический реактор на его основе(подкритический реактор, в отличии от подкритического взрыва  :shock: - возможен). Если не ошибаюсь, есть даже экспериментальные установки.

[Alex_Semenov]

Растет линейно.

С чего? Самый дешёвый вариант: добавляем к уже имеющейся оболочке ещё урана-238. Или пихаем ещё дейтерида лития. Просто детерид лития и уран-238 гораздо дешевле, чем уран-235 и вообще вся "спичка" - атомная бомба. Так что нарастить мощность - это не проблема.

Вот-вот. Приблизительно так. Самое дорогое в бомбе – ядерный инициализатор.  А увеличить мощность взрыва навешивая термоядерные ступени по схеме Тейлора – куда получается дешевле. Тат "СуперОрион" от "Ориона" отличался только мощностью отдельного заряда а не их количеством.

Более мощного и компактного инициатора нет и скорее всего не будет

В этом и проблема. Одно дело - граммовая таблетка, которая при сгорании даёт энергию сотен кг. в тротиловом эквиваленте. И другое - стокилограммовая дура в 20 кт.

Антипротонный катализ – в некотором роде вариант микроатомной (термоядерной) бомбы.

Кстати, в проекте "Орион" предполагалось применять заряды, несколько фокусирующие энергию взрыва. Это достигалось за счёт того, что впереди заряда устанавливалась «пробка» из вольфрама, поглощающего гамма-излучение и окиси бериллия, поглощающей нейтроны. Возникает идея: нельзя ли и для мишени сделать что-нибудь подобное? В принципе, окружить её холраумом - пусть сначала за его счёт происходит облучение со всех сторон мишени, а потом - фокусировка (частичная, ессно!) разлетающейся плазмы.

Все верно. Тейлор (папа американской термоядерной бомбы) предлагал делать направленные на пластину взрывы. И по оценкам спецов "Атомик Рокетс" можно было утилизировать до 70% (!!! Меня самого это удивило) энергии взрыва используя плоскую экран-пластину.
Делать слоеную мишень ( не только смешивать с ураном но и покрывать чем-то  типа золота и т.д. ..) видимо в конце концов все же пройдется. Но я думаю, это не будет неразрешимой проблемой. Именно поэтому я все это называю "коктейлями" (взбалтывать но не смешивать!) и поэтому фабрика зарядов у меня на чертежах – достаточно большой модуль. Это действительно фабрика.

[Alex_Semenov]

Мне кажется вы чего-то напутали. Деление ядер при взаимодействии с антипротоном с испусканием большого числа  нейтронов – экспериментальный факт. И один антипротон может вызвать в мишени (если та не слишком мала) деление несколько десятков вторичных делений ядер. Это тоже экспериментальный факт.
НО ядерный микровзрыв в ДОКРИТИЧЕСКОЙ мешена вы не получите НИКОГДА И НИ ПРИ КАКИХ условиях.

Мне кажется, вы заводитесь.
Я сказал только то, что сказал. В сети лежат американские отчеты о экспериментах и проектах на основе их.  То, что простыми протонами можно вызывать лавину нейтронов я знаю. Я даже знаю, что таким образом даже думали нарабатывать плутоний на ускорителях. Но тогда покажите мне работу, где такая идея (протонный катализ) рассматривается как двигатель космического корабля.
Не важно на русском или английском.
Я не говорю что это невозможно.
Я двумя руками "за"! (говорю второй раз)
Но сколько бы мы эту вашу гипотезу здесь не ОБСАСЫВАЛИ - толку не будет. Нужны настоящие экспериментальные данные. Вот и все что я хотел сказать!
Мы можем порассуждать, мол, "какие америкосы дебилы" что не додумались до такой простой и прекрасной идеи (а мы умные сразу ухватили)! Долбят антипротонами когда можно протонами! Но это мало чем поможет нам в прояснении вопроса.
Понимаете мою мысть?

Вы похоже перепутали деление ядер на антипротонах с ядерным взрывом.

Я не понял этой фразы. Я перепутал? Или американцы в своем отчете?

[Alex_Semenov]

Вообще считается, что его можно и нужно заморозить и подвесить как парамагнетик...

Скорее всего не получится.  Пусть на антиводородный лёд попадает единичный атом. Он аннигилирует и высокоэнергетические частицы проходят через лёд,  в любом случае в процессе этого в объём камеры будет выбито тесятки или даже десятки тысяч антипротонов, которые с высокой вероятностью попадут на стенки камеры и там аннигилируют. Выбив уже атомы вещества камеры в объём. И т.д. Кроме того, в результате этого процесса лёд будет нагреваться и не совсем понятно как обеспечить теплосъём с него, ведь излучение при температуре ~1K совсем слабое.

Скорей всего получится.

http://www.engr.psu.edu/antimatter/documents.html

Нет, если  им денег не дадут, то не получится.
Но они там очень хотят чтобы получилось и упорно стараются
А значит есть шанс.

[AlexV]

Я сказал только то, что сказал. В сети лежат американские отчеты о экспериментах и проектах на основе их.  

Не могли бы вы дать ссылку. А то мне в это не верится.

Либо отсчёт жёлтый.

Либо вы его не поняли.

[Alex_Semenov]

Либо вы его не поняли.

Возможно я не понял. Скорей всего так и есть. Дилетант я.  Но я говорю пока о материалах, выложенных И. Моисеевым. "Антипротон как катализатор для термоядерной ДУ с инерционным удержанием"
Что там происходит в мишени?
Последний график – рост выделения энергии (ядерной – кубики, термоядерной-треугольники). Это явная экспонента. То есть взрыв.
Нет?
Зайдите еще сюда:
http://www.engr.psu.edu/antimatter/documents.html
Я думаю выложеный Моисеевым отчет отсюда и растет.
Конечно же может быть и "желтый" материал. Но насколько я понял ему уже более 10 лет и никто не оспорил, хотя об этом ICAN-II весь мир уже знает и даже "Огонек" рассказывал. То есть не свеженькую желтую сенсацию не похоже.

[AlexV]

Возможно я не понял. Скорей всего так и есть. Дилетант я. Но я говорю пока о материалах, выложенных И. Моисеевым. "Антипротон как катализатор для термоядерной ДУ с инерционным удержанием"
Что там происходит в мишени?
Последний график – рост выделения энергии (ядерной – кубики, термоядерной-треугольники). Это явная экспонента. То есть взрыв.
Нет?

Нет. Там как раз предполагается надкритический взрыв. А антипротоны используются только для быстрой инициации НАДКРИТИЧЕСКОГО взрыва как мощный источник нейтронов.

К этому проекту у меня претензии:
1)   УРС. Как учитывалась  неидеальность, вырождение электронного газа и давление фотонного? У меня возникли серьёзные подозрения, что использовался идеальногазовый УРС(если я неправ и использовалось что-то ещё - поправте). А это при таких плотностях делать нельзя.

2)   Неуверен, что правильно учтена потеря нейтронов через поверхность и побочные реакции.

[AlexV]

Насколько я понял, в AIMStar капля 42 нг DHe-3 содержит 2% (от молярной массы?) U235 (или даже U238!!!). Raymond A. Lewis, Kirby Meyer, Gerald A. Smith и Steven D. Howe надеются ее сжечь просто "окуная" капля в облако антипротонов 10^11 штук!

Ну там, как я понимаю никто и не рассчитывает получить цепную ядерную реакцию. Тяжёлые ядра нужны, чтобы энергия аннигиляции выделялась не виде лёгких ультрарелятивистских пионов, которые с плазмой взаимодействует слабо. А в виде осколков тяжёлого ядра, энергия которого поглощается значительно эффективнее.  

Собственно говоря, там антипротоны используются, как я понял даже не для нагрева плазмы до рабочей температуры, а только для её быстрой предварительной ионизации(греют плазму за счёт наложения на нею внешнего поля, а не засчёт аннигиляции). Поэтому и такой низкий расход антивещества.

[C-300]

Антипротонный катализ – в некотором роде вариант микроатомной (термоядерной) бомбы.

Есть и отличия. Самое главное: зажечь пару килограммов термоядерного горючего можно относительно лёгкой атомной бомбой (ну, плюс полистироловый канал, оболочка из урана-238 и урановый стержень для поджигания смеси), а для зажигания этй самой таблетки необходимы, подозреваю, сотни тонн оборудования (в случае ЛТС - лазеры, системы генерации энергии для них, радиаторы, у AIM - ловушки для антипротонов и вроде есть ионные пушки, сжимающие мишень).

Это действительно фабрика

...и в дополнение к сотням тонн зажигающего оборудования добавляется фабрика по производству филигранных мишеней!!! А её (фабрику), как вы правильно заметили, надо оберегать от переменных ускорений, т. е. ставить что-то вроде демпфера - но всё равно, наверное, часть мишеней может пойти в брак.
Кстати, меня поразил низкий КПД мишеней у "Дедала" - всего 13%. Неужто в результате неустойчивостей остальные 87% просто расплёскиваются?!
P. S. прочитал про проект Лэндиса. Сразу возник вопрос: где находятся линза Френеля и источник света? По идее, линза и источник - они в Солнечной системе, тем паче, около Солнца, а значит - движутся по орбитам и изменяют своё положение относительно друг друга и зонда! Можно ещё, наверное, маневрировать зондом так, чтобы он "следил" за лучом (тогда его надо будет пускать не в звезду, а в сторону). Но как быть, если линза и источник света просто будут лететь по разным орбитам?..
Далее. Если источник света - на Земле, то как быть с поглощением атмосферой энергии луча?
И, наконец, как он планирует запихнуть в 8 кг. скажем, источник энергии, какую-нибудь камеру, компьютер (а мне был бы интересен такой эксперимент на межзвёздном аппарате: суперкомпьютер анализирует сигналы со всенаправленной антенны), системы терморегулирования и т. п. Да и защита от метеоритов и радиации не помешает.