?

Log in

No account? Create an account

Previous Entry | Next Entry

Оригинал взят у antihydrogen в Dr. Strangelove, или как я перестал бояться и полюбил абляционную имплозию
Немедленно после опубликования предыдущего поста в камменты пришли люди, которые сообщили, что идея не нова, заявили приоритет, и подтвердили его статьей в журнале. Да, все очень серьезно… У них даже кажется есть стартап, строго в соответствии с моей шуткой про современных продвинутых людей.

Впрочем, изучение вышеупомянутой статьи показало, что инициировать термоядерную реакцию они предлагают путем прямого столкновения снарядов, предварительно разогнанных до скорости 2500 км/с, что мягко говоря не очень практично. Максимальная скорость, которую можно достичь в Солнечной Системе путем чисто гравитационных маневров – 618 км/с (но это уже когда перигелий орбиты лежит прямо на фотосфере Солнца). Таким образом, новизна моего предложения состоит в использовании абляционной схемы детонации термоядерных зарядов, позволяющей резко снизить требования по скорости столкновений и создать систему, для работы которой достаточно зондов, обращающихся на низкой орбите вокруг Солнца. Заявляю приоритет, ха ха.

В связи с этим становится актуальной задача более убедительного обоснования утверждения из предыдущего поста, что для подрыва достаточно встречных скоростей порядка 100 км/с. В оценках ниже используются только незасекреченные физические законы и данные из открытых зарубежных источников. Прошу внести это в протокол, товарищ майор.

Для начала, следует сделать уточнение к утверждению из предыдущего поста: при столкновении двух болванок свинца на относительной скорости 200км/с заявленная там огромная температура в 80млн.градусов будет достигаться разве что на фронте ударных волн, расходящихся по свинцу от точки столкновения. Ударные волны будут ионизировать свинец, энергия распределится между образовавшимися свободными электронами, и средняя энергия на частицу плазмы получится около 400 эВ, что соответствует температуре около 4 млн.градусов.

Но для работы абляционной схемы этого хватит с избытком.  Минимальная необходимая для нее температура составляет около 2.5 млн. градусов, а в экспериментах вроде NIF ориентируются на 3.5 млн. Каким же образом абляционная схема при такой скромной стартовой температуре позволяет достичь температуры зажигания D+T, равную как минимум 60 млн. градусов? Благодаря двум законам: духовной формуле Циолковского и полубездуховной формуле Менделеева-Клайперона.
Кратко опишу устройство заряда. Имеется камера из вещества с большим зарядом ядра вроде свинца, урана или золота (форма камеры не очень важна). Эту камеру для краткости будем называть хольраумом (это немецкое слово попало в английский в значении «полость, находящаяся в термодинамическом равновесии со своим излучением») В центре хольраума – капсула. Оболочка капсулы состоит из бериллия (если предполагается температура излучения < 3 млн.град.) или хладостойкого пластика (если больше). На внутренней поверхности оболочки наморожен слой твердой D+T смеси. Внутренний объем капсулы заполнен газообразным D+T, находящимся в равновесии с твердым (попросту говоря, это пар твердого D+T).

Если нагреть стенки хольраума до вышеуказанных нескольких миллионов градусов, он заполнится мягким рентгеновском излучением, находящемся в термодинамическом равновесии со стенками. Благодаря последнему, излучение будет однородным, изотропным и имеющим идеальный планковский спектр. Поток энергии излучения на единицу площади любого предмета, помещенного в хольраум, будет строго одинаков.

Это относиться и к капсуле с топливом. Ее оболочка начнет испарятся и превращаться в плазму, или, как говорят некультурные люди – аблировать.  Плазма будет разлетаться во все стороны, передавая импульс еще не испарившимся слоям оболочки. Фактически, каждый участок оболочки превратиться в маленькую ракету, ускоряющуюся в направлении центра капсулы. Рабочим телом в этой ракете служит вещество оболочки, а полезной нагрузкой – слой твердого D+T (он остается твердым, поскольку рентгеновское излучение сквозь капсулу не проникает. Бериллий для этого допируют атомами тяжелых элементов, пластик справляется сам).  Вот тут то и проявляется формула Циолковского. Конечная скорость полезной нагрузки будет больше скорости истечения вещества оболочки в число раз, равному логарифму отношения массы оболочки к массе D+T.

Таким макаром D+T разгоняется до 300-400 км/с. Это много, но, если пересчитать в температуру, сильно не дотягивает до нужной для начала термояда. И вот тут то в игру вступает разряженный газ внутри капсулы и Менделеев-Клайперон. В ходе сжатия капсулы давление газа все время равно давлению твердого слоя D+T, летящего со всех сторон к центру капсулы. Получается известная школьная задачка про работу, совершаемую поршнем, сжимающим газ. Почти вся кинетическая энергия «поршня»(твердого D+T) в итоге уходит на нагрев газа. Так как масса газа гораздо меньше массы «поршня», это приводит к концентрации энергии, и газ нагревается до огромных температур, тех самых искомых 100 млн.град. Плотность его при этом достигает плотности воды. Начинается термоядерная реакция. Получившиеся в ней альфа-частицы попадают в окружающий плотный слой D+T (в сто раз плотнее свинца) и отдают ему энергию, так что спустя какое-то время плотный D+T нагревается и детонирует. Он и дает основной вклад в вырабатывающуюся при взрыве энергию.

Согласно теоретическим оценкам, отношение энергии, выработавшейся при термоядерной реакции, к энергии, закаченной внутрь хольраума (будем обозначать это отношение Q), пропорционально закаченной энергии в степени 2/3. Еще теоретические оценки говорят, что при закачке 10 МДж должно получаться Q=100 и энергетический выход 1 ГДж (250 кг тротилового эквивалента).

Правда, по тем же теоретическим оценкам, NIF, закачивающий 2 МДж, должен был выдать 20 МДж и Q=10. Его рекорд на сегодняшний момент – жалкие 17 кДж и Q=0.008. Этот эпический провал связан с тем, что там так и не удалось поджечь плотный слой D+T. Для его розжига нужно, чтобы в горящем газе выделилось как минимум в 20 раз больше энергии, чем ушло на нагрев газа. А реально газ выдал всего лишь двукратный выход (именно эту двойку в торжественных пресс-релизах горделиво обозвали scientific breakeven). В свою очередь недостаточно интенсивное горение газа является результатом его недогрева вследствие больших потерь энергии при сжатии из-за возникающих гидродинамических неустойчивостей. Однако, с увеличением размеров капсулы влияние этих неустойчивостей должно уменьшаться, так что есть обоснованные надежды, что если взять побольше и вдарить посильнее, эксперимент таки совпадет с теорией.

Теперь вернемся к нашим уже подзабытым соударениям на орбите вокруг Солнца. Итак, если в свинцовый хольраум с стенками толщиной в миллиметр снаружи впендюрится свинцовый снаряд с скоростью 200 км/сек, гипотетический наблюдатель внутри хольраума спустя 10 наносекунд заметит, что стенка засветила 400 эВным рентгеном (и к тому же начала вдавливаться внутрь со скоростью 100 км/сек).  Свинец очень плохо пропускает мягкий рентген (собственно, именно поэтому для стенок хольраумов используют тяжелые металлы – как ни парадоксально, при этих температурах они лучшие термоизоляторы). В результате термодинамическое равновесие с излучением установится только для тонкого слоя свинца на внутренних поверхностях стенок. Поскольку при любых разумных геометриях хольраума и снаряда площадь холодных стенок будет гораздо больше чем площадь нагретой ударом стенки, равновесная температура внутри хольраума окажется значительно меньше 400 эВ.

Мне, впрочем, думается, что эту проблему можно решить, если сделать наконечник снаряда не в виде простой плоской пластины свинца, а в виде пластины с торчащими иголками. После удара соответствующая часть внутренней стенки хольраума станет бугристой, и площадь излучающей поверхности будет больше. Заодно этот подход позволит в определенных пределах задавать зависимость потока энергии от времени и сократит непродуктивное высвечивание рентгена в космос, поскольку обратная сторона наконечника снаряда после удара должна сохранить свою плоскостность.

Если вышеописанный прием не поможет натянуть сову на глобус, можно таки покинуть зону комфорта на орбите 0.1 а.е. от Солнца, поставить на наши корабли холодильники и запустить их на орбиту 0.05 а.е. от Солнца. Это обеспечит относительную скорость 270 км/с и температуру свинца после удара 600 эВ. В общем, думаю, что равновесную температуру внутри хольраума более 200 эВ (ака 2.5 млн.град) так или иначе удастся получить.

Нужные для инициации взрыва 10 МДж при 200 км/с выдаст снаряд весом 2 грамма. Но чтобы скомпенсировать многочисленные непроизводственные потери, массу лучше взять на порядок большую.  Зато какой замечательный будет результат - 1 ГДж, 250 кг тротилового эквивалента!

Comments

( 24 comments — Leave a comment )
siron_nsk
Nov. 19th, 2016 12:03 pm (UTC)
...или можно ронять предметы на нейтронные звёзды, почему бы и нет.
tnenergy
Nov. 19th, 2016 12:12 pm (UTC)
Зачем? Оно, конечно, эффективно (я как-то прикидывал, что удельную мощность взрыва плутония-239 предметы набирают за 10 км падения на поверхность), но нафига?
siron_nsk
Nov. 19th, 2016 04:57 pm (UTC)
Ну это типа сарказм. Ненамного больше смысла типа.
tnenergy
Nov. 20th, 2016 08:37 am (UTC)
Есть, кстати шикарная фантастическая повесть Dragon Egg про встречу землян и цивилизации, обитающей на нейтронной звезде.
siron_nsk
Nov. 20th, 2016 10:51 am (UTC)
Занятно, что повесть про жизнь на нейтронной звезде Википедия называет её "твёрдой научной фантастикой"))
tnenergy
Nov. 20th, 2016 10:58 am (UTC)
Все правильно Википедия называет. Законы физики там по возможности не нарушаются.
siron_nsk
Nov. 20th, 2016 11:34 am (UTC)
По мне так единственная неуглеродная форма жизни, про которую можно написать весьма таки твёрдую научную фантастику, это азот при давлениях 300-800 тысяч атмосфер: http://www.popmech.ru/science/58460-neuglerodnye-formy-zhizni-kremniy-ili-azot/
gvy
Nov. 19th, 2016 12:10 pm (UTC)
> некультурные люди
> Это относиться
> тут то
> тут то
> D+T нагревается и детонирует
> закаченной
Mein Got!
:)
kuzmabest
Nov. 19th, 2016 12:31 pm (UTC)
> Mein Got!
Mein Gott!
gvy
Nov. 19th, 2016 01:03 pm (UTC)
:-]
.
Андрей Гаврилов
Nov. 19th, 2016 12:47 pm (UTC)
дадада- именно вот это, и только это - культура, "так все и было".
antihydrogen
Nov. 19th, 2016 12:52 pm (UTC)
Так я и сам говорю "аблировать", я сам отношусь к социальной группе некультурных людей, так что мне можно шутить про некультурность. А вот вам, как привилегированному культурному человеку - неполиткорректно.
Андрей Гаврилов
Nov. 19th, 2016 12:57 pm (UTC)
kekeke )))

(посмеялси, заодно в почте ссылка на коммент останется, это прекрасно :) )
gvy
Nov. 19th, 2016 01:04 pm (UTC)
Не-не-не, благодаря поправке ув. kuzmabest мы с Вами на одной доске! :)
Андрей Гаврилов
Nov. 19th, 2016 12:54 pm (UTC)
Зря не указано, что там еще комментарии нажористые - в них автор продолжает, беседуя с собой же, развивать/ дополнять концепцию.
Nikolay Pokhodenko
Nov. 19th, 2016 09:27 pm (UTC)
Чет совсем несерьездно для tnenergy
tnenergy
Nov. 19th, 2016 10:33 pm (UTC)
Пост про "УТЯТКО" еще сойдет за пятничный, а вот этот довольно серьезен по сути (не по форме).
amginskiy
Nov. 20th, 2016 02:59 am (UTC)
Как у него со временем? После обстрела лазером хольраума до равновесного рентгеновского излучения должно быть время релаксации. Если лазер фемтосекундный, то это время очень маленькое, абляция может произойти быстрее чем тепло может поглотиться и начнет светить рентгеном по Планку.
tnenergy
Nov. 20th, 2016 08:28 am (UTC)
На это могу сказать, что длина импульса лазера в NIF - 10..15 нс. Если принять, что стенки капсулы d=1 мм сближаются на скорости 100 км/с, то сколлапсирует она за 5 нс. С учетом разгона абляцией, наверное и получается, что весь процесс "подогрева" хольраума должен выглядеть примерно так - за неск нс набираем нужную температуру и плотность излучения, а затем поддерживаем ее в течении ~10 нс.
amginskiy
Nov. 21st, 2016 02:16 am (UTC)
В пределах одного импульса выглядит хорошо, но потом абляция образует плазменное облако, где происходит основное поглощение излучения. Именно это облако и является основной проблемой лазерной абляции, как в приложениях, так и в расчетах.

ПС: Намедни в Z-машину зарузили тритий и дейтерий. Как считаете, побьют рекорд токамаков по мощности? :)

Edited at 2016-11-21 03:22 am (UTC)
antihydrogen
Jan. 31st, 2017 05:29 pm (UTC)
Кстати говоря...
Нашлись настоящие авторы идеи (они ссылаются на более раннюю публикацию другого автора, 1980г., но там схема генерации рентгена при ударе совершенно другая):

T.Yabe and T.Mochizuki, Impact radiative fusion concept, Jap. J. of Appl.
Phys. 22 (1983) L261-L263.

http://iopscience.iop.org/article/10.1143/JJAP.22.L261

This letter proposes a new, fascinating ICF scheme. The scheme employs the soft x-ray production by hypervelocity projectiles. The soft x-ray of 10^13 W/cm2 and 10 nsec duration, which is focusable onto a small sized pellet, can be efficiently produced.

По приведенным там результатам расчетов, свинцовый снаряд со скоростью 80 км/сек, врезаясь в неподвижную свинцовую пену (с плотностью 10% от монолитного свинца и толщиной 1 мм), дает рентген с температурой 111 эВ. В энергию излученного вперед по направлению движения рентгена при этом преобразуется 16% от исходной кинетической (как и следовало ожидать, максимальный коэффициент конверсии достигается тогда, когда у снаряда и пены совпадают массы на единицу поверхности). Пена нужна для того, чтобы увеличить температуру в ударной волне (при столкновении двух кусков свинца с одинаковой плотностью температура аж в четыре раза меньше, чем при использовании пены).

Правда, в ихней концепции для симметризации излучения предполагается жуткая схема с четырьмя снарядами, ударяющими в камеру с капсулой с четырех сторон одновременно.
tnenergy
Jan. 31st, 2017 06:16 pm (UTC)
Re: Кстати говоря...
А почему 80 км/с? Почему не 200?
antihydrogen
Jan. 31st, 2017 08:03 pm (UTC)
Re: Кстати говоря...
Они считали для 80 км/с, поскольку при этой скорости из аналитических оценок получается температура, соответствующая равновесному потоку энергии, который они полагали минимально необходимым для обеспечения нужного давления при абляции.

А вообще, данный метод использования снарядов для инициации далеко не единственный из предложенных. См. стр. 140-141, начиная со слов Impact fusion, в обзоре http://isri.ch/wiki/_media/publications:ag-09-01.pdf

В основном там про прямой способ использования кинетической энергии - сжатие D+T в конической ямке в металлической плите поршнем-пулей. ЧСХ, оценка необходимой скорости пули в таком простейшем варианте - 200км/с. Оптимисты утверждают, что если топливо предварительно поместить в магнитное поле (как в MagLIF), то необходимую скорость можно снизить аж до 10 км/с. Отдельно отмечается практическое достижение некоего русского ученого, которому удалось разогнать металлическую пулю весом 5 г до 10 км/с с помощью 50 кг обычной взрывчатки. Но про использование сих реальных пуль для проверки оптимистических теоретических предсказаний почему-то ничего не слышно...
antihydrogen
Jan. 31st, 2017 08:07 pm (UTC)
Re: Кстати говоря...
Кстати говоря(2), 80 км/с - это в аккурат встречное столкновение на низкой круговой орбите вокруг Юпитера.
( 24 comments — Leave a comment )

Profile

tnenergy
Ядерная энергия

Latest Month

November 2017
S M T W T F S
   1234
567891011
12131415161718
19202122232425
2627282930  
Powered by LiveJournal.com