Способ и устройство для нагрева газа при помощи тонкого слоя ядерного топлива, а также космический двигатель, использующий этот способ

Способ и устройство для нагрева газа при помощи тонкого слоя ядерного топлива, а также космический двигатель, использующий этот способ

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение.

Настоящее изобретение относится к использованию деления атомного ядра для нагрева газов. Этот процесс находит применение, в частности, в области создания ракетных двигателей для полетов в дальний космос.

Уровень техники

Хотя на Земле в настоящее время ядерная энергия конкурирует с другими видами энергии, ее уникальные особенности делают ее практически незаменимой в случае путешествий в дальний космос для реального достижения далеко идущих целей исследования человеком Марса, спутников других планет и астероидов.

Инициированное нейтронами расщепление является предпочтительной ядерной реакцией для практического производства энергии, благодаря значительному энергетическому выходу (200 МэВ) и возможности поддерживания реакции с помощью вторичных нейтронов.

Существующее состояние уровня техники в области ядерных космических ракетных двигателей представлено, в частности, проектом NERVA (см. "Nuclear thermal rockets: next step to space", Aerospace America, June 1989, pages 16-29; или R.W. Bussard et al. "Nuclear Rocket Propulsion", McGraw-Hill, New York, 1958). В соответствии с проектом NERVA энергия, производимая за счет реакции расщепления, выделяется из топливных стержней в виде высокотемпературной тепловой энергии. Для обеспечения теплового потока от топлива к ракетному топливному газу температура топливного газа должна быть несколько ниже, чем рабочая температура топлива, которая в свою очередь ограничена при высоких температурах механической прочностью и стабильностью топливных стержней. Кроме того, чтобы обеспечить надежный перенос тепла к топливному газу, давление газа, имеющего высокую температуру, должно быть очень высоким, порядка 150 бар (1 бар = 10⁵ Па).

Скорость истечения v_exh ракетного двигателя ограничена энтальпией и конечной температурой энерговыделяющей реакции и пропорциональна так называемому удельному импульсу. Удельный импульс I_sp определяется как I_sp=v_exh/g, где g=9.81 мс^-2 является ускорением силы тяжести. Он представляет собой промежуток времени, в течение которого заданная масса топливного газа может осуществлять силу тяги, равную его весу. Химические ракетные двигатели, использующие жидкий водород и кислород, обычно работают при температурах выхлопа 3600 К в стехиометрических условиях с эффективным молекулярным весом А, примерно равным 11, что ограничивает удельный импульс до 450 с. Двигатели типа NERVA действуют несколько лучше и позволяют увеличить удельный импульс до примерно 950 с. Однако это преимущество возникает в основном благодаря снижению эффективного молекулярного веса (удельный импульс пропорционален 1/) за счет использования чистого газообразного водорода (А=2 вместо А=11), а не из-за увеличения температуры выхлопа.

Фактически ожидается, что ракеты NERVA будут работать при более низких температурах, чем химические ракеты (3000 К), за счет, как уже было отмечено, материальных ограничений ядерного реактора. Огромное количество энергии, доступной за счет процесса расщепления, остается по большей части неиспользованным, во-первых, из-за ограничений размеров, связанных с минимальной критической массой, требующейся для поддержания цепной реакции деления, и, во-вторых, из-за сложности извлечения тепла из реактора при достаточно высоких температурах. Тем не менее о двигателе NERVA часто упоминают как о пока единственном реальном кандидате в двигатели для пилотируемого полета на Марс.

Двигатель NERVA по существу представляет собой неизолированный реактор на быстрых нейтронах, что является серьезным недостатком для ядерных двигателей, осуществляющих движение в пространстве. Рассмотрим, например, установку из трех двигателей NERVA, как описано в недавнем отчете NASA о полете на Марс ("Human Exploration of Mars: The Reference Mission of the NASA Mars Exploration Study Team", (включая Addendum V3.0, June 1998). Установленная мощность составляет около 1 ГВт, и из двигателей будет выбрасываться примерно 3.2×10¹⁹ быстрых нейтронов в секунду. Стандартная разрешенная доза не превышает 10 н/см²/с и достигается только на неэкранированном расстоянии 5000 км.

Кроме того, утечка нейтронов будет также затруднять одновременную работу нескольких находящихся рядом двигателей NERVA, как указано в вышеупомянутом отчете. Действительно, реактор, даже если он выключен согласно контрольной шкале, все-таки представляет собой размножающее устройство в докритическом состоянии и будет вырабатывать энергию при облучении нейтронами из находящихся рядом двигателей. Например, если всего лишь 1% нейтронов из одного двигателя попадет в соседний блок, он раскачается на полную мощность. Если он уже включен, дополнительного поступления нейтронов будет достаточно, чтобы привести его в критическое состояние. Объединенная система контроля мешающих друг другу реакторов очень сложна и нереальна для применения в пилотируемых полетах в космос.

Для любого двигателя, использующегося для межпланетного путешествия, остаточный поток нейтронов вне двигателя должен быть достаточно малым, чтобы двигатель мог работать не слишком далеко от Космической Станции (ISS), которая считается основным "местом стыковки" в межпланетном путешествии. Кроме того, доза, полученная командой, должна быть также мала по сравнению с неизбежно получаемой дозой фонового космического излучения, которая составляет примерно до 40 рад/год.

Потенциальные особенности нескольких ядерных устройств для космических ракетных двигателей сверх потенциальных возможностей NERVA были проиллюстрированы в нескольких статьях (Т.Kammash, ed., "Fusion Energy in Space Propulsion", AIAA Progress in Astron. And Aeron., Vol. 167, AIAA, NY, 1995; или N.R.Schuize, "The NASA-LEWIS Program on Fusion Energy for space Power and Propulsion", Fusion Technology, 19-1, pages 11-28, 1991). В большей степени они основаны на слиянии или синтезе, чем на делении, прежде всего потому, что этот процесс позволяет использовать заряженные продукты реакции для непосредственного нагрева истекающих газов до высоких температур в форме плазмы.

Оба способа и инерционного, и магнитного удержания слияния были глубоко изучены. Выбор в качестве рекомендации был продиктован очевидным доказательством того, что ионизирующие продукты реакции, которые используются для нагрева топливного газа, гораздо проще извлечь из устройства с магнитным удержанием (МС), чем с инерционным (IF).

Однако огромные фундаментальные и технологические проблемы пока препятствовали практической реализации устройства для производства энергии за счет ядерного синтеза на Земле, а тем более в космосе. Установки для ядерного синтеза, в особенности МС, неизбежно представляют собой устройства очень большого размера с очень сложной техникой, и они едва ли могут быть адаптированы к условиям длительного межпланетного перелета.

Другая концепция ядерных ракетных двигателей, основанных на расщеплении ядра, представляет собой так называемый двигатель с плазменной ядерной тягой. Имеются в виду коаксиальная система потока и двигатели с ядерным запуском (см. R. Ragsdale et al., « Gas Core Rocket Reactors - a New Look », NASA TM X-67823, 1971; и J.D. CLEMENT et al. /«Gas Core Reactor Technology», Reactor Technol. 13-3, 1970). В этих устройствах расщепляющийся материал (обогащенный ²³⁵U) нагревают до температуры плазмы, вплоть до 50000 К, и используют его излучение для нагрева газообразного водорода. Это непростая задача, поскольку водород и большинство других легких газов являются оптически прозрачными при температуре менее чем 15000 К для всех видов излучения, кроме собственного.

Обычно ожидается, что коаксиальный проточный плазменный реактор для двигателя с космической тягой будет работать с мощностью 6000 МВт, производя удельный импульс I_sp=4000 с. Диаметр полости составляет около 4 м, давление находится в интервале от 400 до 600 бар и общий вес составляет порядка 500 тонн. Критическая масса составляет от 40 до 80 кг ²³⁵U. Однако не ясно, каким образом такая масса может быть на старте переведена из твердого состояния в состояние плазмы.

Концепция двигателя с ядерным запуском в отличие от коаксиальной проточной системы предусматривает вместимость всего топлива в пределы проницаемой конструкции с охлаждаемыми изнутри стенками, обходя таким образом проблему смешивания топлива с топливным газом с последующей потерей в выхлопе. Расщепляющаяся плазма удерживается в удалении от проницаемых стенок при помощи впрыскиваемого по касательной вихревого потока буферного газа, который рециркулируют, при этом потери урана возвращаются и рециркулируют в плазму. Иначе - принцип работы тот же самый, что и у коаксиального проточного плазменного реактора. Типичные данные для двигателя с ядерным запуском следующие: мощность 4600 МВт; удельный импульс I_sp=1870 с; вес 35 тонн, крайнее значение температуры топлива 5000 К и давление 500 бар.

Эти концепции были подробно исследованы, хотя не было проведено никаких испытаний. Ожидается, что эта технология будет сложной, причем главная трудность состоит в контроле критического состояния урановой плазмы. На самом деле изменение коэффициента размножения не более чем на 0,7% - если оно сразу же не скомпенсировано с помощью контрольной панели - может привести к немедленной аварии из-за критического состояния. В случае плотного расщепляющегося материала без учета воздействия отражателя критическая масса пропорциональна величине, обратной квадрату плотности. Кроме того, поперечные сечения, а значит, и критическая масса являются функциями температуры. Более того, не понятно, каким образом может быть реализована эффективная и безопасная система контроля с учетом быстрого движения внутренней активной зоны (расщепляющейся плазмы и окружающего газа) и возможного возникновения гидродинамической неустойчивости.

Задачей настоящего изобретения является предложение альтернативного пути нагрева газов с помощью реакций деления ядра, который подходит для применения в космических двигателях для создания космической тяги.

Раскрытие изобретения

В настоящем изобретении предлагается способ нагрева газа, заключающийся в том, что газ вводят, по меньшей мере, в одну камеру, имеющую стенку, покрытую расщепляющимся материалом, и этот расщепляющийся материал подвергают воздействию потока нейтронов для инициирования расщепления, в результате чего фрагменты расщепления выделяются внутрь камеры.

Большая часть инициированной расщеплением энергии выделяется в форме кинетической энергии указанных фрагментов расщепления (ФР). Расщепляющееся покрытие камеры обеспечивает по существу двухмерное топливо таким образом, что значительная часть ФР выбрасывается из слоя внутрь объема, содержащего газ. Следовательно, кинетическая энергия ФР переносится на газ, эффективно нагревая его.

Предпочтительно инициирование расщепления происходит в критических условиях, хотя докритические положения также могут быть рассмотрены.

Стенка камеры охлаждается с ее задней стороны по отношению к камере и покрытию из расщепляющегося материала. Охлаждающей средой может быть жидкий металл, такой как ⁷Li.

В обычном варианте осуществления изобретения содержание расщепляющегося вещества в покрытии из расщепляющегося материала составляет менее чем 10 мг/см², предпочтительно в пределах от 1 до 3 мг/см², обеспечивая оптимальное согласование начала реакции расщепления и выделения ФР.

Предпочтительным расщепляющимся изотопом для покрытия из расщепляющегося материала является ^242mAm. Другими изотопами, которые можно использовать, являются ²³³U, ²³⁵U и ²³⁹Pu. Расщепляющийся материал может быть в форме карбида.

Чтобы увеличить эффективность нейтронов, камеру, например, трубчатой формы располагают внутри оболочки, окруженной нейтронным отражателем, включающим, например, углерод, бериллий и/или оксид бериллия. Обычно внутри оболочки, окруженной нейтронным отражателем, может быть размещено множество камер для приема нагретого газа. В предпочтительном варианте осуществления изобретения нейтронный отражатель включает слой углеродного материала, окружающий оболочку, причем толщина указанного слоя в см составляет по меньшей мере 50/d (в см), предпочтительно, по меньшей мере, 150/d, где d представляет собой плотность указанного углеродного материала, выраженную в г/см³.

Для контроля реакции расщепления нейронный отражатель может иметь полости для приема удаляемых поглощающих нейтроны контрольных стержней.

В случае применения данного способа в ракетном двигателе камера сообщается с выхлопным соплом через проход, выполненный в нейтронном отражателе. Оболочка может содержать топливный отсек, где расположена камера, и отсек для сбора горячего газа между топливным отсеком и проходом. При этом охлаждающая среда циркулирует в контуре, первая часть которого проходит по лицевой стороне нейтронного отражателя, смежной с отсеком для сбора горячего газа, а вторая часть расположена в топливном отсеке и отделена от отсека для сбора горячего газа с помощью перегородки, имеющей отверстие, в которое вставлен открытый конец покрытой стенки камеры. Покрытая стенка камеры отделяет камеру от второй части охлаждающего контура внутри топливного отсека.

Стенку камеры преимущественно изготавливают из пористого материала, например углеродного материала. Газ затем может быть введен через поры внутри пористого материала стенки. Такую стенку предпочтительно покрывают газонепроницаемым слоем (например, карбидом титана) на ее задней стороне по отношению к камере и покрытию из расщепляющегося материала. Этот слой может также изолировать стенку камеры от смежного хладагента.

Другой аспект настоящего изобретения относится к устройству для нагрева газа для осуществления способа, описанного выше. Такое устройство включает по меньшей мере одну камеру для помещения в нее газа, имеющую стенку, покрытую расщепляющимся материалом, и средства для воздействия на расщепляющийся материал потоком нейтронов для индукции расщепления и выделения фрагментов расщепления внутрь камеры.

Еще один аспект настоящего изобретения относится к космическому двигателю, включающему устройство для нагрева газа, как определено выше, и приспособление для выброса нагретого газа в космос для создания тяги.

Непосредственное использование ФР для нагрева низкомолекулярного топливного газа (обычно водорода) не страдает от ограничений по энергии и материалу, накладываемых на химические и NERVA двигатели. Двигатель основан, во-первых, на конфигурации очень горячего газа и холодного топлива и, во-вторых, на очень маленьком количестве ядерного топлива в форме очень тонкого слоя (около 3 мкм), который очень эффективно сгорает. Специальная нейтронная динамика используется для того, чтобы гарантировать, что даже такой ультратонкий слой топлива является достаточным для достижения критического состояния. Сверхвысокий вакуум, который обязательно присутствует в космосе, используется для отвода части произведенных ФР.

Оставшейся части ФР, не рассеявшейся в газе, достаточно для того, чтобы обеспечить присутствие достаточного числа запаздывающих нейтронов, необходимых для контроля при выбранных критических параметрах реактора.

Очень высокая температура выхлопного газа, трансформированного с помощью сопла в согласованное движение в направлении тяги, обеспечивает значительно большие величины скорости выхлопа v_exh и соответствующего удельного импульса I_sp, чем у обычных двигателей с химическим топливом или ядерных двигателей NERVA.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 изображает график, показывающий долю энергии ФР, выделяющихся с одной стороны плоского слоя (фольги) из расщепляющегося материала (^242mAm). Асимптотический предел, имеющий значение 0.44 при нулевой толщине, при котором выделяется половина ФР, представляет собой половину всей энергии, сообщенной ФР в процессе расщепления.

Фиг.2 - схематический план, используемый для расчетов. Полый нейтронный отражатель 1 с нанесенньм в виде покрытия однородным слоем расщепляющегося материала 2 окружает объем 3, заполненный газом низкого давления, и в нем размножаются испускаемые из фольги ФР и в конечном счете переходят в состояние покоя.

Фиг.3 - график, показывающий коэффициент размножения k для упрощенной геометрии одного слоя на сферическом отражателе в виде функции толщины слоя отражателя и слоя расщепляющегося вещества ^242mAm.

Фиг.4 - график, показывающий коэффициент размножения k, вычисленный в соответствии с простой теорией диффузии, для различных расщепляющихся элементов и толщины углеродного отражателя 20 см и 40 см (плотность 1.9 г/см³), в виде функции произведения прироста площади G_area на толщину слоя (мг/см²), прямо пропорционального общему количеству топлива в полости. Поперечные сечения определяли при 0,15 эВ. Результаты для ²³³U были очень близки к ²³⁵U и для ясности не были изображены.

Фиг.5 - схематический вид поперечного сечения полой трубки малого диаметра, покрытой изнутри тонким слоем топлива 5. Топливный газ вытекает из стенок через поры или малые отверстия, причем поток схематически показан в виде маленьких стрелок 6, и выходит через открытый конец 7 трубки. Заданная величина давления газа поддерживается в трубке при помощи противодавления, действующего на конец 7 и создаваемого динамически в проходе сопла.

Фиг.6 - график, показывающий зависимость основных параметров мультитрубчатой конфигурации в виде функции линейных размеров внутреннего радиуса отражателя (2R=h). Уплотненность фракции f=0,7.

Фиг.7 - график появляющегося спектра кинетической энергии ФР, усредненный по составу дочернего ядра, для различной толщины слоя.

Фиг.8 - график, показывающий распределение остаточного суммарного ионного заряда на выходе с фольги, усредненного по составу дочернего ядра, для различной толщины слоя.

Фиг.9 - удельные потери энергии (МэВ на мг/см²) для разнообразных ионов от Z=34 до Z=64 в твердом уране и газообразном водороде в виде функции кинетической энергии МэВ/AMU. Нами замечено, что большие удельные ионизационные потери характерны для водорода из-за более низкой скорости орбитальных электронов. Остаточный ионный заряд уменьшается при низких скоростях, и это является причиной меньших ионизационных потерь при низкой скорости ионов, т.е. отсутствия пика Брэгга.

Фиг.10 - график, показывающий удельный энергетический вклад, усредненный по спектру ФР и направлениям в газообразном водороде, в виде функции от расстояния от (бесконечной) фольги, для различной толщины слоя.

Фиг.11 - график, показывающий фракционный энергетический вклад в 1 мкг/см² (ω(t)) благодаря ФР на расстоянии t (мкг/см²) от бесконечной однородной фольги со слоем ^242mAm толщиной 3 мг/см². Также показано объединенное воздействие двух поверхностей фольги, расположенных друг напротив друга на расстоянии 500 мг/см². Чтобы найти действительную величину энергии, отложившуюся в 1 мкг/см³ водорода, следует умножить ω(t) на энергию, испускаемую каждым см² поверхности фольги.

Фиг.12 - график, показывающий удельную мощность dW/dm, отложившуюся в газе, в соответствии с объединенным числовым расчетом гидродинамического и ФР распространения для цилиндрической геометрической формы на фиг.5 и удельной общей ядерной поверхностной удельной мощности 200 Вт/см². Конечная температура ограничена радиацией до 9400 К. Диаметр трубки был установлен в размере 40 см и длина трубки в размере 250 см. Однако соотношение размер/давление представляет собой отличный параметр для масштабирования с целью распространения результатов на различные диаметры трубки. Поскольку длина трубки намного больше ее диаметра, распределение энергии в ее центральной части является однородным и не зависит от длины трубки. Показано несколько значений давления в интервале от 1 до 30 бар.

Фиг.13 - график, показывающий фракцию энергии ФР, заключающейся в газе dW/dm, как функции от давления газа, в соответствии с условиями, описанными для фиг.12. "Масштабирующим параметром" является произведение давления на диаметр трубки.

Фиг.14 - график, показывающий оптимальный диаметр трубки для геометрической формы, показанной на фиг.5, и 90% ФР энерговклад в газ как функции от давления в трубке.

Фиг.15 - график, показывающий радиальное отклонение от однородного удельного ФР энерговклада dW/dm при оптимальном давлении (90% ФР энерговклад в газ) и цилиндрической геометрической форме, показанной на фиг.5, в соответствии с условиями, изображенными на фиг.12.

Фиг.16 - график, показывающий остаточную излученную мощность, интегрированную по спектру, в Вт на 1 мкг излучающего газа в виде функции от толщины пересекаемого газа при различных температурах газа. Величина 5 мкг/см² соответствует примерно 1 см газа при 7000 К и давлении 3 атм.

Фиг.17 - график, показывающий дифференциальное распределение массы dm/dT внутри нагревательной трубки (Фиг.5), в виде функции от температуры Т, с учетом и без учета воздействия удаленных потерь излучения. Кривая с учетом радиационных потерь имеет асимптоту при температуте, примерно, 9500 К по причине наступления равновесия между мощностью нагрева ФР и излучаемой мощностью.

Фиг.18 - график, показывающий оптическую мощность, излученную обратно на стенки, и долю мощности ФР, излученных обратно на стенки, в виде функции конечной температуры торможения Т_max для двигателя с параметрами, изображенными на фиг.12.

Фиг.19 - основной план двигателя в соответствии с изобретением. Размеры и число трубок являются условными.

Фиг.20 - вид поперечного сечения вдоль средней плоскости фиг.19. Размеры и число трубок являются условными.

Фиг.21 - принципиальную диаграмму "протекающей" стенки трубки. Показана небольшая часть круговой секции трубки 28. Внутренний объем трубки 29 заполнен газом, в то время как трубка погружена в охлаждающее средство 36.

Фиг.22 - график, показывающий соотношение площадей радиатора и слоя, обеспечивающего нагрев, в виде функции от температуры радиатора в °С, для различных величин удельной мощности расщепления слоя. Также указана температура кипения лития при атмосферном давлении.

Фиг.23 - схематическую принципиальную диаграмму охлаждающей системы двигателя, проиллюстрированного на фиг.19.

Фиг.24 - график, показывающий скорость выхлопа и удельный импульс для оптимизированной выхлопной воронки в 1-D приближении в виде функции от температуры торможения. Верхняя кривая соответствует адиабатическому равновесию при полной рекомбинации, а нижняя кривая не учитывает рекомбинации. Давление торможения составляет 6 атм.

Описание предпочтительных вариантов осуществления.

1. Нагревание фрагментов расщепления.

Хорошо известная инициируемая нейтронами реакция расщепления является предпочтительным источником ядерной энергии благодаря высокому выходу энергии и ее способности поддерживать цепную реакцию, основанную на нейтронах. В этой реакции начальное ядро расщепляется на два фрагмента расщепления (ФР) и ряд нейтронов ( не менее 2), которые необходимы для продолжения цепной реакции. Средняя энергия, разделяется в типичной реакции расщепления так, что главная пропорция - а именно 168 МВт/191 МВт=88% - используемой энергии (за исключением нейтрино) вырабатывается в виде кинетической энергии парами ФР. Так как фрагменты исходных ядер расщепляются вне области притяжения ядерных сил, энергия вырабатывается с помощью сильного электростатического отталкивания между двумя фрагментами - остальное, являющееся остатком де-возбуждения ядерных уровней с гамма- и нейтронным возбуждением, возможно сопровождаемым β-возбуждением.

ФР проходят очень короткий путь в расщепляющемся топливе, поставляя энергию в виде тепла в непосредственной близости от начального ядра с чрезвычайно высокими удельными ионизационными потерями, обусловленными их высоким зарядом. Так как самая большая область любого из двух ФР обычно не превосходит 10 мкм в металлическом топливе, такой сильно локализованный энерговклад обычно не является прямо доступным и высокий удельный тепловой вклад ФР сопровождается теплопроводностью в пределах основной массы топлива.

Здесь описан способ для практического прямого использования кинетической энергии ФР, выделяемой тонким расщепляющимся слоем, нанесенным на фольгу на основе критического (или возможно также до-критического) расщепления управляемого ядерного реактора. Эта энергия рассеивается в окружающей газовой среде, например водороде или другом топливном газе, который является сильно нагретым, обычно приблизительно до 10000 К.

Самым непосредственным применением этого метода является запуск ракеты в космос. Таким образом, обычно подразумевается, что двигатель работает в межпланетном вакууме. Ультравысокий вакуум, обязательно существующий в космосе, используется для откачки газа, а также ФР, испускаемых фольгой. Остальная часть ФР остается обычно внедренной в фольгу, хотя, со временем, некоторая дополнительная фракция позже может быть также испущена и потеряна в пространстве.

По сравнению с химическим запуском двигателей, который начинается при сильной тяге за относительно короткое время, этот способ, подобно ионному запуску, вызывает продолжительную, но низкоинтенсивную тягу, подходящую для продолжительных полетов в глубокий космос. Однако он возможно намного более мощный, чем ионный запуск, так как может быть легко получена мощность тяги в несколько МВт. Может быть получен двигатель большого масштаба, подходящий для межпланетных полетов человека. Строение двигателя, базирующееся на конфигурации очень горячего газа и холодного топлива, является относительно простым, с несколькими функциональными компонентами; без быстро двигающихся больших элементов и он легок и при этом прост в управлении.

Такая высокая температура трансформируется с помощью сопла в поток атомарного водорода с высокой скоростью, а именно, удельный импульс I_sp≈2,000 с, намного больший, чем удельный импульс I_sp, не превышающий 430 с лучших химических двигателей. Необходимая конечная скорость ракеты может быть достигнута с существенно меньшей массой топлива, которая, в свою очередь, увеличивает возможную дальность полетов или, с другой стороны, сокращает их продолжительность.

2. Достижение критического уровня.

Для того, чтобы осуществить эффективный выход ФР из топливного сырья, расщепляющийся материал должен быть в виде очень тонкого (несколько мг/см²) слоя, либо в металлической, либо другой форме химического соединения. ФР испускаются в беспорядочном направлении и равномерно по толщине слоя, доля кинетической энергии ФР, выделенная из слоя, показана на фиг.1. На фигуре показана доля полной ядерной энергии, выработанной внутри слоя, которая выделяется в виде кинетической энергии ФР. Очевидно, что энергетическая экстракционная эффективность (КПД) - быстро уменьшающаяся функция толщины слоя. Толщина слоя порядка 1-3 мг/см² обеспечивает подходящее соотношение между толщиной слоя и хорошей ФР энергией, перенесенной из слоя.

Толщина 1 мг/см² соответствует около 1,100 атомным слоям расщепляющегося материала (например, ^242mAm) или не более чем 10 грамм слоя на квадратный метр. Как можно достичь критической точки при таком сильном разрежении расщепляющегося материала? Например, для (теплового) нейтрона, который пересекает обычно такой слой, используя наиболее подходящий элемент ^242mAm, для которого эффективное поперечное сечение расщепления σ_fiss составляет около 5,300 барн, а вероятность взаимодействия не превышает 1,31%. Для других, более простых элементов, подобно, например, ²³⁵U, ²³³U или ²³⁹Pu, эта вероятность взаимодействия в 10 раз меньше (см. Табл.1). Поэтому требуются многие последовательные нейтронные пересечения расщепляющегося слоя. В настоящем изобретении это достигается подходящей конфигурацией тонких топливных слоев внутри очень эффективного нейтронного отражателя.

Таблица 1Некоторые поперечные сечения при 0,15 эВ для подходящих топливных элементов.
	Захват (барн) σcapt	Расщепление (барн)σfiss		Родственное ядро	Родственный захват (барн)
233U	27,91	215,97	0,11	234U	36,71
235U	34,45	207,51	0,14	236U	2,19
239Pu	310,34	535,24	0,37	240Pu	150,60
242mAm	1098,89	5248,15	0,17	243Am	34,51

Рассмотрим сначала идеальную конфигурацию камеры, внутрь которой вводится некоторое топливо через окружающий толстый нейтронный отражающий материал. Нейтроны будут совершать переходы «пинг-понг» внутри камеры между отражательными стенками и многократно пересекать тонкую топливную нагруженную фольгу. Нейтроны приобретают высокую вероятность расщепления. Критический уровень обеспечивается вследствие появления нейтронов после нового расщепления, продолжая процесс.

Так как вероятность затухания при каждом пересечении камеры мала, поток внутри камеры будет примерно одинаковым. Таким образом вероятность взаимодействия на единицу массы топлива не будет зависеть от фактической пространственной конфигурации топлива внутри устройства. Для расчетных целей и в первом приближении можно, следовательно, допустить, что (Фиг.2) внутри отражателя 1 топливный слой 2 равномерно распределяется по внутренним стенкам камеры 3. Это может быть только расчетным артефактом. На практике внутренняя структура может состоять из нескольких цилиндрических единиц с тонким расщепляющимся слоем, нанесенным на внутренние стенки.

После замедления процесса замедления в отражателе средняя (произведенная расщеплением) нейтронная кинетическая энергия будет быстро приближаться к тепловой энергии при температуре отражателя. Простой расчет, основанный на теории диффузии для термических нейтронов, показывает, что для идеальной топливной конфигурации поток в присутствии (бесконечного) отражателя возрастает по отношению к потоку вне отражателя приблизительно в соотношении

, где

∑_ela - поперечное сечение растяжения рассеивающего материала;

∑_capt - поперечное сечение захвата рассеивающего материала.

Некоторые предложенные элементы представлены в Табл.2. Были выбраны низшие элементы, так как они обеспечивают быстрое нагревание вырабатываемых расщеплением нейтронов. Величина D=∑_ela/3 является так называемым коэффициентом диффузии и является параметром диффузии. Могут использоваться также более сложные химические соединения, содержащие элементы с малым нейтронным захватом макроскопического поперечного сечения. Следует заметить, что кислород имеет такие свойства: например свойства ВеО очень близки к свойствам металлического бериллия.

Таблица 2Список некоторых элементов, пригодных в качестве отражателя.
Материал	Плотность (г/см2)	L=1/k (см)	D(см)	(см)
Жидкий Н	0,07	9,76	0,65	3,98	26,14
Жидкий D	0,14	2425,63	12,15	990,26	244,53
7Li	0,534	84,75	7,26	34,60	12,27
Бериллий	1,84	31,12	0,44	12,70	73,58
Углерод	1,90	66,59	0,72	27,19	94,78

Конечная толщина отражателя будет давать меньшую величину F, выпадение в осадок потока в отражателе является показательным для характерной длины L. Следовательно, L представляет относительную единицу для требуемой толщины отражателя. Можно сделать вывод, что Be (ВеО) и С являются интересными кандидатами; Li является слишком прозрачным (D слишком велико) и F является слишком маленьким; дейтерий имеет слишком большую L. С Be (ВеО) и С возможно очень существенное повышение коэффициентов.

Фактический нейтронный коэффициент размножения k (k=1 для критического уровня) как функция эквивалентного отдельного ^242mAm слоя и углеродной толщины отражателя был рассчитан методом Монте-Карло и показан на Фиг.3. Следует добавить контрольные стержни, помещенные в отражатель для контроля за нейтронным умножением и для поддержания его около 1 в течение всего времени, избегая быстрого достижения критического уровня как в обычном мощном реакторе.

Выбор топливного элемента, выделяющего тепло, строго соотносится с требованиями к критическому уровню. В таблице 1 показаны некоторые подходящие параметры для возможных топливных кандидатов при средней нейтронной энергии 0,15 эВ, соответствующей температуре отражателя 1500 К.

Как уже было показано, фактическая структура двигателя будет состоять из конфигурации нескольких слоев с подпитываемой поверхностью существенно большей, чем топливная поверхность единственного слоя на внутренних стенках отражателя. Соотношение этих двух площадей обозначено как прирост умноженной поверхности Garea фактической конфигурации относительно конфигурации простого слоя. На фиг.4 показан коэффициент размножения k, рассчитанный по простой теории диффузии для различных расщепляющихся элементов и С отражателя с толщиной 20 см и 40 см (плотность: 1,9 г/см³), как произведение прироста площади Garea на толщину слоя [мг/см²], простая пропорция к общему количеству топлива в камере. Поперечные сечения находятся в пределах 0,15 эВ. Результаты для ²³³U очень близки к результатам ²³⁵U и, для ясности, не показаны.

Следует заметить, что ^242mAm является исключением, но также способен привести к критическому уровню, как ²³⁹Pu и ²³⁵U (²³³U). Однако в случае использования ²³⁵U толщина отражателя должна быть существенно увеличена. Вообще, выбор меньшего количества используемого топлива предполагает более массивный отражатель для компенсации проведенного действия.

Ядерные свойства ^242mAm (t1/2=141 год) кратко изложены, исходя из вероятного предназначения описанного двигателя, то есть реактивного движения в космосе. Главным этапом распада (99,95%) является переход в обычное состояние 242Am (t1/2=16,01 ч) при внутреннем превращении с испусканием неустойчивого электрона (40,3 кэВ), остальное является α-распадом. Дочернее ядро распадается на 17,3% до ²⁴²Pu (t1/2=3.76·105 года) и на 82,7% в ²⁴²Cm (t1/2=162,9 дня), который, в свою очередь, превращается посредством α-распада в ²³⁸Pu (t1/2=87,72 года).

Поглотительная радиотоксичность ²⁴²mAm и его продуктов распада является примерно 1/2 частью от поглотительной радиотоксичности и продуктов распада ²³⁸Pu для равных масс в течение первой сотни лет. Следовательно, потенциальный риск окружающей среде при использовании любого из этих элементов в сопоставимых количествах является почти одинаковым. Этот последний элемент уже хорошо известен для применения в космосе, так как он использовался в качестве источника энергии, например, в Voyager, Cassini и других полетах.

Длительное сгорание топлива (определяющееся как полная видимая энергия, которая может быть выработана единицей массы топливного элемента) требует того, чтобы соотношение σ_capt/(σ_capt+σ_fiss) было как можно более меньшим для того, чтобы устранить избыточное выделение дочерних элементов по реакции (A, Z)+n→(A+1, Z)+γ, которое, в свою очередь, может вычитать нейтроны с захватом. Кроме того, для данной расщепляющейся массы полезный объем сгорания также равен σ_capt/(σ_capt+σ_fiss), так как канал захвата не вырабатывает никакой заметной энергии.

Из таблицы 1 следует, что тогда как ²³⁵U и ²³³U имеют отличные ядерные характеристики, очень похожие на характеристики ^242mAm, поперечное сечение захвата у ²³⁹Pu намного больше, и это ведет к дочернему ядру, которое также имеет большое поперечное сечение захвата. Следовательно, следует ожидать существенно более короткое выгорание. Ввиду низкой радиотоксичности и отличных расщепляющих свойств ²³⁵U также является возможным заменителем ^242mAm, хотя может потребоваться более тяжелый отражатель.

Фактическую конфигурацию отражателя следует рассчитывать для каждого отдельно