Кіріспе
Антиматерия арқылы катализделген ядролық импульстік қозғалыс (сондай-ақ, антипротон арқылы катализделген ядролық импульстік қозғалыс) – бұл ядролық импульстік қозғалыстың бір түрі, онда отынның әдеттегідей сынды массасы болмаған жағдайда, қозғалыс үшін ядролық тізбекті реакцияны бастау мақсатында антиматерия ядролық отын массасына жіберіледі. Техникалық тұрғыдан алғанда, бұл процесс «катализделген» реакция емес, себебі реакцияны іске қосу үшін қолданылатын антипротондар (антиматерия) тұтынылады; егер олар катализатор болғанда, бөлшектер өзгермейтін болар еді және одан әрі реакцияларды бастау үшін пайдаланылар еді. Антиматерия бөлшектері реакцияның өзінде пайда болуы мүмкін, бірақ олар тізбекті реакцияларды бастауға немесе жалғастыруға қолданылмайды.
Antimatter catalyzed nuclear pulse propulsion (also antiproton catalyzed nuclear pulse propulsion) is a variation of nuclear pulse propulsion based upon the injection of antimatter into a mass of nuclear fuel to initiate a nuclear chain reaction for propulsion when the fuel does not normally have a critical mass. Technically, the process is not a '"catalyzed'" reaction because anti protons (antimatter) used to start the reaction are consumed; if they were present as a catalyst the particles would be unchanged by the process and used to initiate further reactions. Although antimatter particles may be produced by the reaction itself, they are not used to initiate or sustain chain reactions.
Сипаттама
Типтік ядролық импульстік қозғалтқыштың кемшілігі бар, себебі қозғалтқыштың ең кішкентай мөлшері итермелеуді жасау үшін қолданылатын ядролық бомбалардың ең кішкентай мөлшерімен анықталады, ал бұл мөлшер реакцияны бастау үшін қажетті критикалық массаның функциясы болып табылады. Дәстүрлі термоядролық бомбаның құрылымы екі бөліктен тұрады: біріншісі, ол дерлік әрқашан плутонийге негізделген, екіншісі – синтез отыны, әдетте литий деутериді түріндегі дейтерий және тритий (литий тритийге айналғанда пайда болады). Бірінші бөлік үшін ең төменгі мөлшер бар (плутоний-239 үшін шамамен 10 килограмм), бұл критикалық массаға жету үшін қажет. Күшті құрылғылардың мөлшері негізінен екінші бөлік үшін синтезделген отынның қосылуы арқылы ұлғаяды. Екі элементтің ішінде ядролық синтез отыны әлдеқайда арзан және радиоактивті өнімдерді әлдеқайда аз шығарады, сондықтан шығын мен тиімділік тұрғысынан қарағанда үлкен бомбалар тиімдірек. Дегенмен, мұндай үлкен бомбаларды ғарыш кемелерін қозғалту үшін қысымды көтере алатын әлдеқайда үлкен құрылымдар қажет. Екі талаптың арасында компромисс бар. Отынның (әдетте плутоний немесе уран) критикалық емес массасына аз мөлшерде антиматерияны енгізу арқылы отынның бөлінуіне қол жеткізуге болады. Антипротон электрондар сияқты теріс электр зарядына ие және оң зарядталған атом ядросы оны ұқсас жолмен ұстай алады. Алайда, бастапқы конфигурация тұрақты емес және энергияны гамма сәулелері түрінде шығарады. Соның салдарынан антипротон ядроға жақындап, олардың кварктары өзара әрекеттесетінше, бұл кезде антипротон мен протон екеуі де жойылады. Бұл реакция зор мөлшерде энергияны бөліп шығарады, оның бір бөлігі гамма сәулелері түрінде, ал қалғаны кинетикалық энергия ретінде ядроға беріледі, бұл оның бөлінуіне (жарылу реакциясы) әкеледі. Нәтижесінде пайда болған нейтрондар айналасындағы отынның жылдам бөлінуіне немесе тіпті ядролық синтезіне әкелуі мүмкін. Құрылғының ең төменгі мөлшері антипротонды басқару мәселелерімен және жарылу реакциясының талаптарымен анықталады, мысалы, жарылысты ұстап тұру және бағыттау үшін қолданылатын құрылым. Осылайша, көптеген ядролық жарылғыш зарядтарды қажет ететін Project Orion жүйесінен немесе антиматерияның өте қымбат мөлшерін қажет ететін әртүрлі антиматериялық қозғалтқыштардан айырмашылығы, антиматериямен катализделген ядролық импульстік қозғалтқыштың өзіндік артықшылықтары бар. Антиматериямен катализделген термоядролық жарылғыш физикалық пакетінің тұжырымдамалық дизайнында дәстүрлі Теллер-Улам термоядролық жарылысында тұтану үшін қажетті плутонийдің негізгі массасы бір микрограмм антигидрогенмен алмастырылады. Бұл теориялық жобада антиматерия гелиймен салқындатылады және құрылғының ортасында диаметрі миллиметрдің оннан бір бөлігі болатын гранула түрінде магниттік түрде levitated болады, бұл қабатты торт / Слоика дизайнындағы негізгі бөліну ядросына ұқсас. Антиматерия жарылыс басталғанға дейін қалыпты материядан алыс болуы керек болғандықтан, орталық түйіршік 100 грамм термоядролық отыннан тұратын айналасындағы қуыс сферадан оқшаулануы керек. Жарылыс кезінде және одан кейін жарылғыш линзалардың имплозивті қысылуы кезінде синтездік отын антигидрогенмен байланысқа келеді. Пеннинг тұзағы жойылғаннан кейін көп ұзамай басталатын аннигиляция реакциясы термоядролық отынның ядролық синтезін бастау үшін энергияны қамтамасыз етуі керек. Егер таңдалған қысу дәрежесі жоғары болса, жарылғыш / қозғалтқыш әсері жоғары құрылғы алынады, ал егер ол төмен болса, яғни отынның тығыздығы жоғары болмаса, құрылғыдан көптеген нейтрондар қашып кетеді және нейтронды бомба пайда болады. Екі жағдайда да электромагниттік импульс әсері мен радиоактивті жауын-шашын дәстүрлі бөліну немесе Теллер-Улам құрылғысының бірдей қуатымен салыстырғанда әлдеқайда төмен, шамамен 1 кт.
Термоядролық құрылғы үшін қажетті мөлшер
Бір термоядролық жарылысты тудыру үшін қажетті антипротон саны 2005 жылы 10¹⁸ деп есептелді, яғни антисутектің микрограммдық мөлшері. Ғарыш аппаратының жұмысын реттеу де мүмкін. Ракетаның тиімділігі қолданылатын жұмыс массасының массасына тікелей байланысты, ал бұл жағдайда – ядролық отын. Белгілі бір термоядролық отын массасынан бөлінетін энергия, сол массадағы ядролық бөліну отынынан бөлінетін энергиядан бірнеше есе артық. Ұзақ мерзімді жоғары итермелі күш қажет болатын, мысалы, экипажды планетаралық миссиялар үшін таза микробөліну тиімді болуы мүмкін, себебі ол қажетті отын элементтерінің санын азайтады. Ұзақ мерзімді, жоғары тиімділікпен, бірақ төмен итермелі күшпен жүзеге асырылатын миссиялар үшін, мысалы, сыртқы планеталарды зерттеу үшін, микробөліну мен термоядролық синтездің үйлесімі тиімдірек болуы мүмкін, өйткені ол отынның жалпы массасын азайтады.
Зерттеу
Бұл тұжырым 1992 жылға дейін Пенсильвания мемлекеттік университетінде ойлап табылды. Содан бері бірнеше топтар зертханада антиматериямен катализделген микрожарылыс/қосылу қозғалтқыштарын зерттеді. Лоуренс Ливермор ұлттық зертханасында 2004 жылдан бері антипротонмен басталатын синтез бойынша жұмыстар жүргізілуде. Инерциялық шектеудегі синтез (ICF) үшін дәстүрлі қозғалтқыштардың үлкен массасы, күрделілігі және қайта айналым қуатына қарағанда, антипротонның жойылған кездегі энергиясы 90 МДж/мкг құрайды, бұл энергияны жинау және жеткізудің бірегей тәсілі. Теориялық тұрғыдан алғанда, антипротон қозғалтқыштары ICF арқылы кеңістікке қадам басу үшін жүйе массасын айтарлықтай азайтуға мүмкіндік береді. Антипротонмен жұмыс істейтін ICF – бұл болжамды тұжырымдама, ал антипротонды басқару және оларды уақыт және кеңістік бойынша қажетті дәлдікпен енгізу – маңызды техникалық қиындықтар тудырады. Төмен энергиялы антипротонды, әсіресе антисутек түрінде сақтау және манипуляциялау ғылымының бастапқы кезеңінде тұр, ал мұндай қолданыстар үшін маңызды ғылыми-зерттеу және әзірлеу бағдарламасын іске асыру үшін қазіргі көлемнен антипротон өндірісін үлкен масштабта арттыру қажет. 2011 жылы ЦЕРН ғимаратында антиматерияны 1000 секундтан астам сақтау бойынша рекорд орнатылды, бұл бұрын қол жетімді миллисекундтық уақыт өлшемдерінен үлкен қадам болды. Жыл ішіндегі әлемдік антипротон өндірісі нанограмм диапазонында. Пенсильвания мемлекеттік университетіндегі антиматерия тұзағы (Mark 1 нұсқасы) шамамен 168 сағатқа 10 миллиард антипротонды сақтауға қабілетті. Icarus жобасы 1 миллиграмм антипротон өндірудің шамамен құнын 100 миллиард долларға бағалайды.