Un motor de rachetă termonuclear (TNRE) este un motor de rachetă promițător pentru zborurile spațiale, în care se presupune că folosește fluxul de produse dintr- o reacție termonucleară controlată sau un fluid de lucru încălzit de energia unei reacții termonucleare pentru a crea forță.
În prezent, sunt propuse 2 opțiuni pentru proiectarea TNRD:
În primul caz, principiul de funcționare și dispozitivul TNRD sunt următoarele: partea principală a motorului este un reactor în care are loc o reacție de fuziune termonucleară controlată. Reactorul este o „camera” goală, de formă cilindrică, deschisă pe o parte, așa-numita. o instalație de fuziune capcană deschisă (numită și sticlă magnetică sau corktron). „Camera” reactorului nu trebuie neapărat (și chiar nedorită) să fie complet etanșată, cel mai probabil va fi o sarpă ușoară stabilă dimensional care poartă bobinele sistemului magnetic. În prezent, așa-numita schemă este considerată cea mai promițătoare. „confinament ambipolar” sau „oglinzi magnetice” ( în engleză tandem mirrors ), deși sunt posibile și alte scheme de izolare: capcane gaz-dinamice, izolare centrifugă, câmp magnetic inversat (FRC). Conform estimărilor moderne, lungimea „camerei” de reacție va fi de la 100 la 300 m cu un diametru de 1-3 m. În camera reactorului sunt create condiții suficiente pentru a începe fuziunea termonucleară a componentelor combustibilului selectat. pereche (temperaturi de ordinul a sute de milioane de grade, factori ai criteriului Lawson ). Combustibilul de fuziune - o plasmă preîncălzită dintr-un amestec de componente ale combustibilului - este alimentat în camera reactorului, unde are loc o reacție de fuziune constantă. Generatoarele de câmp magnetic (bobine magnetice de un design sau altul) care înconjoară miezul creează câmpuri de intensitate mare și configurație complexă în camera reactorului, care țin plasma termonucleară la temperatură înaltă de contactul cu structura reactorului și stabilizează procesele care au loc în aceasta. Zona de „ardere” termonucleară (torță cu plasmă) se formează de-a lungul axei longitudinale a reactorului. Plasma rezultată, dirijată de sisteme de control magnetic, curge din reactor printr-o duză, creând împingerea jetului.
Trebuie remarcată posibilitatea TNRD multi-mod. Prin injectarea unei substanțe relativ rece în jetul unei torțe cu plasmă, este posibilă creșterea bruscă a forței totale a motorului (datorită unei scăderi a impulsului specific), ceea ce va permite unei nave cu un TNR să manevreze eficient în câmpuri gravitaționale ale corpurilor cerești masive (de exemplu, planete mari) unde este adesea necesară o forță totală mare a motorului. Potrivit estimărilor generale, un TNRD al unei astfel de scheme poate dezvolta tracțiune de la câteva kilograme până la zeci de tone cu un impuls specific de la 10 mii sec la 4 milioane sec. Pentru comparație, impulsul specific al celor mai avansate motoare de rachete chimice este de aproximativ 450 de secunde.
Motorul de al doilea tip este un motor termonuclear cu impuls inerțial. În reactorul unui astfel de motor are loc o reacție termonucleară controlată într-un mod pulsat (fracții de microsecunde cu o frecvență de 1-10 Hz), cu compresie și încălzire periodică a microțintelor („pilule”) care conțin combustibil termonuclear. Inițial, trebuia să folosească un motor laser-termonuclear (LTYARD). Un astfel de LTYARD a fost propus, în special, pentru o sondă automată interstelară în proiectul Daedalus . Baza sa a fost un reactor care funcționează în modul pulsat. Un pelet de combustibil cu combustibil termonuclear (de exemplu, deuteriu și tritiu) este alimentat în camera sferică a reactorului - o construcție complexă de sfere dintr-un amestec de componente de combustibil înghețat într-o carcasă cu un diametru de câțiva milimetri. Pe partea exterioară a camerei există lasere puternice - aproximativ sute de terawați - pulsul de radiație în nanosecunde de la care prin ferestrele optic transparente din pereții camerei lovește peleta de combustibil. În acest caz, pe suprafața peletei de combustibil este creată o zonă cu o temperatură de peste 100 de milioane de grade la o presiune de milioane de atmosfere - condiții suficiente pentru începerea unei reacții termonucleare. Există o microexplozie termonucleară cu o capacitate de câteva sute de kilograme de TNT. Frecvența unor astfel de explozii în camera din proiectul Daedalus este de aproximativ 250 pe secundă, ceea ce a necesitat furnizarea de ținte cu combustibil la o viteză mai mare de 10 km/s folosind un pistol electromagnetic. Plasma în expansiune curge din partea deschisă a camerei reactorului printr-o duză proiectată corespunzător, creând împingerea jetului. Până în prezent, s-a dovedit teoretic și practic că metoda laser de comprimare și încălzire a peletelor de combustibil este un punct mort: este imposibil să construiești lasere de o asemenea putere cu o resursă suficientă. Prin urmare, în prezent, pentru fuziunea inerțială, o variantă cu compresie prin fascicul de ioni și încălzire a peletelor de combustibil este considerată ca fiind mai eficientă, compactă și cu o resursă fizică mult mai mare. Cu toate acestea, din 2013, la Laboratorul Național Livermore, numit după Ernest Lawrence, de peste patru ori în cursul experimentelor pe cele 192 de instalații cu laser ale Instalației Naționale de Aprindere, a fost primită mai multă energie decât a fost cheltuită pentru a iniția reacția [1] .
Cu toate acestea, există o părere că TNRD-ul cu impuls inerțial se va dovedi a fi prea greoi din cauza puterilor foarte mari care circulă în el, cu impulsul și împingerea specifice mai proaste decât cele ale TNRD cu retenție magnetică, care este cauzată de caracterul puls-periodic al acțiunii sale. Din punct de vedere ideologic, exploziile pe sarcini termonucleare de tip proiect Orion sunt adiacente TNRD pe principiul impulsului inerțial .
TNRD poate folosi diferite tipuri de reacții termonucleare în funcție de tipul de combustibil utilizat. În special, următoarele tipuri de reacții sunt în mod fundamental fezabile în prezent:
2 H + 3 H = 4 He + n la o ieșire de energie de 17,6 MeV
O astfel de reacție este cel mai ușor implementată din punctul de vedere al tehnologiilor moderne, oferă un randament semnificativ de energie, iar componentele combustibilului sunt relativ ieftine. Dezavantajul său este un randament foarte mare de radiație neutronică nedorită (și inutilă pentru crearea directă de împingere), care ia cea mai mare parte a energiei de ieșire a reacției și, ca urmare, reduce drastic eficiența motorului. Tritiul este radioactiv și are un timp de înjumătățire de aproximativ 12 ani. Adică, depozitarea pe termen lung a tritiului este imposibilă. În același timp, este posibil să se înconjoare reactorul cu deuteriu-tritiu cu o carcasă care conține litiu: acesta din urmă, fiind iradiat de un flux de neutroni, se transformă în tritiu, care închide într-o anumită măsură ciclul combustibilului, deoarece reactorul funcționează în modul de ameliorare. Astfel, deuteriul și litiul servesc de fapt drept combustibil pentru reactorul DT.
2 H + 3 He = 4 He + p. la o ieșire de energie de 18,3 MeV
Condițiile pentru realizarea acesteia sunt mult mai complicate. Heliul-3 este, de asemenea, un izotop rar și extrem de scump. În prezent nu este produs la scară industrială. Pe lângă faptul că randamentul energetic al acestei reacții este mai mare decât cel al reacției DT, are următoarele avantaje suplimentare:
În reacția D - 3 He sub formă de neutroni, se eliberează doar aproximativ 5% din putere (față de 80% pentru DT). Aproximativ 20% este eliberat sub formă de raze X. Tot restul de energie poate fi folosit direct pentru a crea propulsia jetului. Astfel, reacția D-3He este mult mai promițătoare pentru utilizare în reactorul TNRD.
Reacția dintre nucleele de deuteriu (DD, monopropulsant) D + D -> 3 He + n la un randament energetic de 3,3 MeV și
D + D -> T + p+ la o ieșire de energie de 4 MeV. Randamentul de neutroni în această reacție este foarte semnificativ.
Sunt posibile și alte tipuri de reacții:
p + 6 Li → 4 He (1,7 MeV) + 3 He (2,3 MeV) 3 He + 6 Li → 2 4 He + p + 16,9 MeV p + 11 B → 3 4 He + 8,7 MeVNu există un randament de neutroni în reacțiile de mai sus.
Alegerea combustibilului depinde de mulți factori - disponibilitatea și costul scăzut al acestuia, randamentul energetic, ușurința de a realiza condițiile necesare pentru reacția de fuziune (în primul rând temperatura), caracteristicile de proiectare necesare ale reactorului și așa mai departe. Cele mai promițătoare pentru implementarea TNRE sunt așa-numitele reacții „fără neutroni”, deoarece fluxul de neutroni generat de fuziunea termonucleară (de exemplu, în reacția deuteriu-tritiu) preia o parte semnificativă a puterii și nu poate fi utilizat pentru crea impuls. În plus, radiația neutronică generează radioactivitate indusă în proiectarea reactorului și a navei, creând un alt pericol pentru echipaj. Reacția deuteriu-heliu-3 este promițătoare, tot din cauza lipsei unui randament de neutroni.
În prezent, a fost propus un alt concept de TNRE - folosind cantități mici de antimaterie ca catalizator pentru o reacție termonucleară.
Ideea creării unui TNRD a apărut aproape imediat după implementarea primelor reacții termonucleare (teste de încărcări termonucleare). Una dintre primele publicații despre dezvoltarea TNRD a fost un articol publicat în 1958 de J. Ross. În prezent, sunt în desfășurare dezvoltări teoretice ale unor astfel de tipuri de motoare (în special, bazate pe fuziunea termonucleară cu laser) și, în general, cercetări practice extinse în domeniul fuziunii termonucleare controlate. Există premise teoretice și de inginerie solide pentru implementarea acestui tip de motor în viitorul apropiat. Pe baza caracteristicilor calculate ale TNRE, astfel de motoare vor putea asigura crearea unui transport interplanetar de mare viteză și eficient pentru dezvoltarea sistemului solar. Cu toate acestea, mostre reale ale TNRD la momentul anului 2022 nu au fost încă create.