Антиматерия и ядерный импульсный двигатель: катализ ядерных реакций для космической тяги.

Введение

Предлагаемая ядерная импульсная тяга посредством ядерных цепных реакций, инициируемых антиматерией.

Ядерная импульсная тяга, инициируемая антиматерией (также известная как ядерная импульсная тяга, инициируемая антипротонами), является разновидностью ядерной импульсной тяги, основанной на введении антиматерии в массу ядерного топлива для запуска ядерной цепной реакции, обеспечивающей тягу, когда топливо само по себе не достигает критической массы. Строго говоря, этот процесс нельзя назвать "каталитической" реакцией, поскольку антипротоны (антивещество), используемые для запуска реакции, расходуются; если бы они выступали в роли катализатора, частицы остались бы неизменными в ходе процесса и использовались бы для инициирования дальнейших реакций. Хотя частицы антивещества могут образовываться в результате самой реакции, они не используются для запуска или поддержания цепных реакций.

Описание

Типичный ядерный импульсный двигатель имеет недостаток в том, что минимальный размер двигателя определяется минимальным размером ядерных бомб, используемых для создания тяги, который зависит от количества критической массы, необходимой для инициирования реакции. Традиционная конструкция термоядерной бомбы состоит из двух частей: первичной, которая почти всегда основана на плутонии, и вторичной, использующей термоядерное топливо, обычно дейтерий в форме дейтерида лития и трития (который образуется в ходе реакции при трансмутации лития в тритий). Для достижения критической массы первичная часть должна иметь минимальный размер (около 10 килограммов для плутония-239). Более мощные устройства увеличиваются в размерах главным образом за счет добавления термоядерного топлива для вторичной части. Из этих двух компонентов термоядерное топливо значительно дешевле и производит меньше радиоактивных продуктов, поэтому с точки зрения стоимости и эффективности более крупные бомбы более эффективны. Однако использование таких больших бомб для космической тяги требует гораздо более прочных конструкций, способных выдерживать возникающие нагрузки. Существует компромисс между этими двумя требованиями. Вводя небольшое количество антивещества в подкритическую массу топлива (обычно плутония или урана), можно инициировать деление топлива. Антипротон имеет отрицательный электрический заряд, как и электрон, и может быть захвачен аналогичным образом положительно заряженным атомным ядром. Однако начальная конфигурация нестабильна и излучает энергию в виде гамма-лучей. В результате антипротон приближается к ядру, пока их кварки не начнут взаимодействовать, после чего антипротон и протон аннигилируют. Эта реакция высвобождает огромное количество энергии, часть которой излучается в виде гамма-лучей, а часть передается ядру в виде кинетической энергии, вызывая его расщепление (реакцию деления). Образующийся поток нейтронов может вызвать быстрое деление окружающего топлива или даже ядерный синтез. Нижний предел размера устройства определяется проблемами обращения с антипротонами и требованиями к реакции деления, такими как конструкция, необходимая для удержания и направления взрыва. Таким образом, в отличие от двигателей типа "Проект Орион", требующих большого количества ядерных взрывчатых зарядов, или различных антиматерийных двигателей, требующих непомерно дорогого количества антиматерии, ядерный импульс, катализируемый антиматерией, обладает неотъемлемыми преимуществами. Концептуальная конструкция физического пакета антиматерийного каталитического термоядерного взрывного устройства заключается в замене первичной массы плутония, обычно необходимой для воспламенения в традиционном термоядерном взрыве Теллера-Улама, одним микрограммом антиводорода. В этой теоретической конструкции антивещество охлаждается гелием и магнитно левитируется в центре устройства в форме гранулы диаметром в одну десятую миллиметра, что соответствует положению первичного ядра деления в конструкции типа "слоёный пирог" (Слоика). Поскольку антивещество должно оставаться изолированным от обычной материи до момента взрыва, центральная гранула должна быть изолирована от окружающей полой сферы, содержащей 100 граммов термоядерного топлива. Во время и после имплозивного сжатия, создаваемого взрывными линзами, термоядерное топливо контактирует с антиводородом. Реакции аннигиляции, которые начнутся вскоре после разрушения пеннинговской ловушки, должны обеспечить энергию для начала ядерного синтеза в термоядерном топливе. Если выбрана высокая степень сжатия, получается устройство с повышенным взрывным/двигательным эффектом, а если степень сжатия низкая, то есть топливо имеет низкую плотность, значительное количество нейтронов покинет устройство, и образуется нейтронная бомба. В обоих случаях эффект электромагнитного импульса и радиоактивное загрязнение значительно ниже, чем у обычного деления или устройства Теллера-Улама той же мощности, примерно 1 кт.

Typical nuclear pulse propulsion has the downside that the minimal size of the engine is defined by the minimal size of the nuclear bombs used to create thrust, which is a function of the amount of critical mass required to initiate the reaction. A conventional thermonuclear bomb design consists of two parts: the primary, which is almost always based on plutonium, and a secondary using fusion fuel, which is normally deuterium in the form of lithium deuteride, and tritium (which is created during the reaction as lithium is transmuted to tritium). There is a minimal size for the primary (about 10 kilograms for plutonium 239) to achieve critical mass. More powerful devices scale up in size primarily through the addition of fusion fuel for the secondary. Of the two, the fusion fuel is much less expensive and gives off far fewer radioactive products, so from a cost and efficiency standpoint, larger bombs are much more efficient. However, using such large bombs for spacecraft propulsion demands much larger structures able to handle the stress. There is a tradeoff between the two demands. By injecting a small amount of antimatter into a subcritical mass of fuel (typically plutonium or uranium) fission of the fuel can be forced. An anti proton has a negative electric charge, just like an electron, and can be captured in a similar way by a positively charged atomic nucleus. The initial configuration, however, is not stable and radiates energy as gamma rays. As a consequence, the anti proton moves closer and closer to the nucleus until their quarks can interact, at which point the anti proton and a proton are both annihilated. This reaction releases a tremendous amount of energy, of which some is released as gamma rays and some is transferred as kinetic energy to the nucleus, causing it to split (the fission reaction). The resulting shower of neutrons can cause the surrounding fuel to undergo rapid fission or even nuclear fusion. The lower limit of the device size is determined by anti proton handling issues and fission reaction requirements, such as the structure used to contain and direct the blast. As such, unlike either the Project Orion type propulsion system, which requires large numbers of nuclear explosive charges, or the various antimatter drives, which require impossibly expensive amounts of antimatter, antimatter catalyzed nuclear pulse propulsion has intrinsic advantages. A conceptual design of an antimatter catalyzed thermonuclear explosive physics package is one in which the primary mass of plutonium usually necessary for the ignition in a conventional Teller–Ulam thermonuclear explosion, is replaced by one microgram of antihydrogen. In this theoretical design, the antimatter is helium cooled and magnetically levitated in the center of the device, in the form of a pellet a tenth of a millimeter in diameter, a position analogous to the primary fission core in the layer cake/Sloika design. As the antimatter must remain away from ordinary matter until the desired moment of the explosion, the central pellet must be isolated from the surrounding hollow sphere of 100 grams of thermonuclear fuel. During and after the implosive compression by the high explosive lenses, the fusion fuel comes into contact with the antihydrogen. Annihilation reactions, which would start soon after the Penning trap is destroyed, is to provide the energy to begin the nuclear fusion in the thermonuclear fuel. If the chosen degree of compression is high, a device with increased explosive/propulsive effects is obtained, and if it is low, that is, the fuel is not at high density, a considerable number of neutrons will escape the device, and a neutron bomb forms. In both cases the electromagnetic pulse effect and the radioactive fallout are substantially lower than that of a conventional fission or Teller–Ulam device of the same yield, approximately 1 kt.

Количество, необходимое для термоядерного устройства

Количество антипротонов, необходимое для инициирования одного термоядерного взрыва, было рассчитано в 2005 году как 10¹⁸, что соответствует микрограммовым количествам антиводорода. Также возможна оптимизация характеристик космического аппарата. Эффективность ракеты тесно связана с массой рабочего тела, которое в данном случае является ядерным топливом. Энергия, выделяемая при использовании заданной массы термоядерного топлива, в несколько раз превышает энергию, выделяемую при использовании той же массы делящегося топлива. Для миссий, требующих кратковременных периодов высокой тяги, таких как пилотируемые межпланетные перелеты, предпочтительнее может быть использование чистой микроделения, поскольку это снижает количество необходимых топливных элементов. Для миссий с более длительными периодами повышенной эффективности, но с меньшей тягой, таких как зонды к дальним планетам, может быть предпочтительным сочетание микроделения и термоядерного синтеза, поскольку это позволит уменьшить общую массу топлива.

Исследования

Концепция была изобретена в Пенсильванском государственном университете до 1992 года. С тех пор несколько групп изучали в лаборатории двигатели на антиматерии, катализирующие микроделение/синтез. Работы по инициированному антипротонами термоядерному синтезу проводились в Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора уже в 2004 году. В отличие от большой массы, сложности и потребности в рециркуляции энергии традиционных драйверов для инерционного термоядерного синтеза (ИТС), аннигиляция антипротонов обеспечивает удельную энергию 90 МДж/мкг и, следовательно, уникальную форму упаковки и доставки энергии. В принципе, антипротонные драйверы могут значительно снизить массу системы для перспективных космических двигательных установок на основе ИТС. ИТС с антипротонным приводом – это гипотетическая концепция, и обращение с антипротонами, а также требуемая точность их инжекции – как по времени, так и в пространстве – представляют собой серьезные технические трудности. Хранение и манипулирование антипротонами с низкой энергией, особенно в форме антиводорода, находится на ранней стадии развития, и для начала серьезной научно-исследовательской программы в этой области потребуется значительное увеличение производства антипротонов по сравнению с существующими методами. Рекорд хранения антиматерии, превышающий 1000 секунд, был достигнут в 2011 году на установке ЦЕРН, что стало огромным шагом вперед по сравнению с ранее достижимыми миллисекундными временными интервалами. Общее мировое производство антипротонов за год составляет порядка нанограммов. Антиматериальная ловушка (версия Mark 1) в Университете штата Пенсильвания способна хранить 10 миллиардов антипротонов в течение приблизительно 168 часов. Проект «Икар» оценивает потенциальную стоимость производства 1 миллиграмма антипротонов в 100 миллиардов долларов.