Термоядерный ракетный двигатель "Вивернджет" 2.0

[tnenergy]

Если вы постоянно спотыкаетесь о неточности и ошибки в научной фантастике и не даете насладиться соседу-гуманитарию “Интерстелларом”, то самое время заняться расчетом своего звездолета. Тема довольно увлекательная, и в ней придумано множество невероятных конструкций - от миллиграммовых звездолетов-саморепликаторов, запускаемых из электромагнитного ускорителя, через лазерные паруса, для которых понадобится лазер мощностью в петаватт до звездолетов-астероидов, разгоняемых взрывами атомных бомб и передвигающихся на скорости 300 км/с, как изображенный на картинке выше.


Квинтэссенцией бумажного звездолетостроения является проектирование его двигательной установки. Существует былинный тред на Астрофоруме, где последовательно были разобраны (и похоронены) множество концепций таких двигательных установок. Одной из немногих палочек-выручалочек остается термоядерный двигатель на амбиполярной ловушке, называемый Вивернджет, по нику автора.



Амбиполярная ловушка Амбал-М (впринципе все в кардре - это она) и ее создатели в 1997 году.

Пришло время хоронить и его :) К сожалению, я не владею физикой термоядерной плазмы в достаточной степени, что бы спорить с термоядерной основой Вивернджета - проектом реактора Г.И. Димова  и И.Н. Головина на базе открытой ловушкой с амбиполярным удержанием. И хотя сегодня, очевидно, для АЛ пришла некая осень - новых не строится, имеющиеся аппараты (например Gamma-10) не позволяют уверенно делать скейлинг на гигаваттные размеры, мы оставим в покое базисные положения, и будем использовать их как пробу для инженерных прикидок. Мы будем брать широкие инженерные наработки в рамках ITER и DEMO и кувалдой забивать их в Вивернджет. Очень позитивные допущения по термоядерной части означают, что если инженерия Вивернджета 2.0 окажется неподъемной, это будет означать и конец реальных термоядерных ДУ  на данной концепции.



Упрощенная схема такой ловушки. Правое окончание заменяется магнитным соплом. Тонкие кольца посередине - главный соленоид, с рассмотрения которого мы начнем сегодня.



Двигатель VASIMR не подразумевает термоядерного источника энергии, но тоже создает тягу, выбрасывая горячую плазму, чем-то подобным должен оканчиваться Вивернджет.

Итак, поехали.

Исходный двигатель, представляющий собой открытую ловушку (упрощенно можно сравнить открытые ловушки с надутым шариком с маленьким отверстием, через которое постоянно вытекает плазма, а термоядерная реакция получается при достаточном соотношении "объема ловушки" и "сечения дырочки") имеет все элементы магнитной ловушки - систему нагрева плазмы, магнитную систему и ее питание, топливную подсистему, тепловую защиту и охлаждение. Конкретнее можно разбить двигатель на следующие элементы:

• Электрическая подсистема, отвечающая за питание магнитов, инжекторов, выдающая питание в ПН
• Система теплосъема и криосистема
• Система нагрева плазмы и обеспечения тока плазмы: инжекторы нейтралов и электронно-циклотронный радиочастотный нагрев.
• Сильнопольные магнитные системы - концевые пробкотроны, каспы и магнитные сопла.
• Главный соленоид
• Механическая конструкция.
• Остальные подсистемы (например питания) для нашего рассмотрения можно отбросить, как не столь значительные.

Длинна главного соленоида (ГС), м

100

Длинна концевых пробкотронов (КП), м

10

Радиус плотной плазмы, м

1

Радиус (внутренний) соленоида, м

1,25

Магнитное поле (вакуумное) в ГС, Т

6

Магнитное поле (вакуумное) в центре КП, Т

5

Магнитное поле в пробках, Т

20

Плотность плазмыi , частиц 1014см-3

1,75

Температура плазмыi, кэВ

70

Суммарная

~ 0,9

Энергия инжектируемых ионов, кэВ

500

Погонная термоядерная мощность, МВт/м

34

Объемная термоядерная мощность, МВт/м3

10,8

Термоядерная мощность, МВт

3400

Мощность (суммарная х2) ионных инжекторов КП, МВт

200

Q

~15

Что ж, начнем с “проектирования” главного соленоида.

В Вивернджете 1.0 он состоит из 100 магнитов кольцевой формы с внутренним диаметром 2500 мм. Магниты создают поле на оси ловушки 5.5 Т. Расчет в пакете OpenField показывает, что нам нужно создать ток в 7.5 мегаампер-витка, что бы получить заданные параметры. При этом поле на внутреннем краю катушки достигнет 8,5 Т. (а не 6,6, как у Виверна, пошли первые подвижки).

Вивернджет 1.0 предусматривает, что катушки сечением 100х300 мм с корпусом из бериллия будут заполнены внутри ВТСП лентой в ванне из хладагента. Такая конструкция неработоспособна минимум по трем причинам. Во-первых механические усилия в проводнике, стремящиеся его разорвать будут достигать ~20000 тонн силы, поэтому нам надо разгружать проводник на механическую основу, и не допускать подвижности ленты. Во-вторых в случае квенча (аварийной потери сверхпроводимости) межвитковое напряжение может достигнуть многих киловольт, что приведет к пробою, дуговому разряду и выходу катушки из строя. В-третьих нейтронное тепловыделение в бериллиевом корпусе катушки будет порядка мегаватта - и все это тепло нам надо отвести на температуре 23К. Расход мощности криокулера будет десятки мегаватт на каждую катушку, а проблемы с кипящим дейтерием - впечатляющи.

Думаю, самое время проапгрейдить Вивернджет новыми, реалистичными катушками.

Токонесущий кабель



Реальный кабель их высокотемпературного проводника, используемый в катушках. Такая геометрия проводника называется Рёбель (Roebel).

Не смотря на то, что ВСТП в сегодняшних больших магнитах не применяются из-за заметной деградации критической плотности тока при сильных полях, будем оптимистами. При охлаждении кипящим дейтерием (23К) и назначенной критической температуре 30 К, в поле 8.5 Т критическая плотность тока ВСТП типа ленты второго поколения REBCO примерно равна плотности тока при 77 К в собственном поле, и составляет порядка 400 А/мм^2 ленты.



Реальный ВТСП кабель, испытанный на 20 Т и токе 7 кА.



И результаты повреждения пондемоторными силами (6,8 тонн на метр). Очень серьезная проблема для сильноточных магнитов.

Базируясь на вот этой презентации CERN, “спроектируем” кабель на 40 кА: 100 лент REBCO шириной 12 мм и толщиной 0.1 спаянных в пакет между двумя миллиметровыми полосками стабилизирующей меди. Полученный квадрат 12х12 мм скручивается с шагом 200-300 мм и укладывается в круглый канал титанового кондуита внутренним диаметром 18 мм и внешним размером квадрат 23х23 мм, работающим силовой оболочкой.. В промежутке между титаном и сверхпроводником прокачивается хладагент и расположена спиральная конструкция обеспечивающая его перемешивание и передачу усилий с проводника на кондуит. Такой кабель видится слишком простым и оптимистичным, но для прикидок сойдет и такой.



Разные альтернативные кабели ВСТП. Плотности тока, к сожалению от 4.2 К до 30 К довольно сильно деградируют.

Титановый кабель оборачивается изоляцией и силовым стекловолокном, что увеличивает шаг кабеля в магните до 25 мм. 192 витка кабеля укладываются в прямоугольное сечение соленоида 12х16 (300х400 мм) и оборачивается 5 мм углепластикового укрепления, что дает итоговой размер сечения 1 катушки в 310х410 мм и плотность тока 59 А/мм^2.



Эскиз сечения катушки ГС с вышеописанным кабелем.

Сечение кабеля в 625 мм состоит в основном из титана плотностью 4,5, стеклопластика плотность 2,5, сверхпроводника и меди плотность 8 и хладагента незначительной плотности. Средняя плотность получается в районе 3,3 г/см^3, вес кабеля 577 кг при длине 1750 метров. Добавляя 10% веса на соединения кабеля, систему датчиков, систему вводов и выводов хладагента, получаем окончательный вес магнита в 634 кг.



Разрез по катушке с 192 витками кабеля.



И общий вид секции главного соленоида с тремя катушками и плазмой.

Квенч-коммутация

Индуктивность вышеописанной катушки составит 56 mH, а запасаемая энергия при рабочем токе - 45 Мегаджоулей. Несмотря на небольшую, по меркам магнитных систем, величину, эта энергия в ВТСП кабеле при потере им сверхпроводимости вполне может выделяться довольно локально, пережигая кабель. Для вывода этой энергии из кабеля требуется коммутационное оборудование.

В оригинальном проекте в случае квенча предлагалось, что по мере возрастания сопротивления, ток будет переходить на бериллиевый корпус катушки. Однако есть три соображения в пользу сброса тока с отказавшей катушки на специальный поглотитель:

Во-1 вес бериллиевого корпуса для варианта с реалистичным сечением будет просто больше, чем вес коммутации. Если же это не так - всегда можно вернуться к сбросу тепла в корпус.

Во-2 на этом бериллиевом корпусе без отключения катушки из последовательного соединения с остальными клавного соленоида выделится не 45 мегаджоулей данной, а 4,5 гигаджоуля всех катушек.

Ну и наконец, в случае внутреннего выделения тепла в криогенную массу мы будем вынуждены делать криокулеры в десяток раз более мощными, что драматически скажется на массе.



Силовой тиристор ABB на 5 кА и 2 кВ. В жидком дейтерии ток можно увеличить до 15 кА.

Для сравнения, можно представить себе тиристоры, работающие при температуре 23К, пропускающие полный ток - такие параметры будут где-то в 2-3 раза выше ныне существующих. Пусть вес их будет 10 кг, всего нам понадобится 5 тиристоров, вместе с шинами, управлением и криостатом положим массу модуля коммутации в 90 кг.

Кстати, к вышесказанному. Важным аспектом является теплоизоляция катушки от нагретой поверхности экрана, которым окружена плазма (об этом ниже). Слава богу, в космическом вакууме мы можем обойтись простым и отработанным решением. От теплопритока снаружи каждую катушку будет защищать 20-ти слойная ЭВТИ, площадью в районе 11 квадратных метров весом порядка 20 кг. Общий вес одного магнита главного соленойда 744 кг, а общий вес магнитной системы ГС ~80 тонн. Неплохое увеличение к 10 тоннам в проекте Виверна.

Тепловая нагрузка.

Электромагнитное излучение является одним из основным каналов потерь энергии плазмы. По условиям мощность этого излучения составляет 1 МВт/м^2, что является довольно серьезной величиной. Кроме того, из плазмы утекают нейтроны, уносящие еще 1 мегаватт тепла с каждого квадратного метра. Предложенная автором концепция теплового экрана в виде вольфрамовой фольги, охлаждаемой гелием слишком наивна для таких энергопотоков - слишком высоки механические нагрузки. Проработка термоядерных реакторов будущего обычно рассматривает в качестве поверхностей, контактирующих с плазмой довольно толстые элементы из бериллия или вольфрама. Бериллий для нас является лучшим выбором - нагрузки не так высоки,а вес гораздо важнее. Гелиевое охлаждение на сегодня тоже является по большей части терра инкогнита, но как минимум оно позволяет поднять сбрасываемую температуру с ~600К (в случае воды) до 800-900 К. Единственной серьезной проблемой являются большие затраты мощности на продувку гелия, но в нашем случае вес радиаторов-холодильников (зависящий в 4 степени от температуры) решает.



Прототип первой стенки ИТЭР для нагрузки 2-5 МВт/м^2. Берилий, медный теплотвод с текущей водой, силовая коробка из нержавеющей стали.

Итак, представим себе сплошную бериллиевую трубу, закрывающую всю плазму. Всю плазму необходимо закрывать, потому что у нашего соленоида есть боковые поверхности, которые тоже нуждаются в теплозащите и нейтронной защите , и сделать сплошную цилиндрическую поверхность оказывается самым “легким” решением.  Толщина стенки 12 мм, на внешней поверхности есть мощное оребрение высотой 50 мм, через которое идет теплоноситель. Снаружи к оребрению присоединена обечайка из карбида бора толщиной 20 мм. Еще дальше выполнен второй гелиевый промежуток высотой 40 мм, организованный ребрами из нержавеющей стали, и наконец внешняя, замыкающая оболочка из B4C снова толщиной 20 мм.



Иллюстрация к вышесказанному, разрез вдоль оси трубы.

Карбид бора тут нужен для того что бы замедлять и поглощать нейтроны. Остальные материалы тоже являются хорошими замедлителями, но их слишком мало, что бы как-то снизить нейтронный поток. 40 мм карбида бора, особенно на слегка предварительно термализованных нейтронах снизят нейтронную мощность в несколько десятков раз, и решат общую задачу по снижению нейтронного теплопотока в криогенные катушки до 10 кВт/м^2.

Температура входящего гелия - 430 К (150 C), сбрасываемого - 830 К (550 С). Расход гелия на каждый квадратный метр поверхности составит 935 грамм в секунду или 587 кг/сек на всю конструкцию. При этом 99% излучаемой плазмой энергии (тут надо заметить, что я считаю, что излучается будет гораздо, гораздо больше, но пускай, мы играем честно) будет уходить в гелий. При давлении гелия в 10 МПа нам понадобиться задувать в систему охлаждения 33 кубометра в секунду, что подразумевает довольно значительную систему трубопроводов, компрессоров и клапанов. Если ткнуть пальцем в небо и посчитать, что эта система трубопроводов будет весить не больше 10 килограмм на метр квадратный, добавив вес меди для замыкания токов фуко, датчиков и т.п. мы получим вес теплового экрана - 200 кг/м^2 или 125,6 тонны для всей системы. И это еще очень неплохо по сравнению с 1600 тоннами теплозащиты ИТЭР!



Элемент первой стенки ИТЭР. Обратите внимания на прорези, нужные для снижения токов фуко и центральную конструкцию с водяными манифолдами и  упорными элементами (серые шайбы), через которые замыкаются электромагнитные силы.

Итак, мы получили первый результат на сегодня - ГС потяжелел с 10 до 205 тонн, но стал на один световой год ближе к реальной конструкции.

Продолжение следует...