Антинейтринный двигатель

Кандидат технических наук Пономаренко Андрей Викторович

Содержание

Введение

Нейтринный двигатель на базе ядерного реактора с охлаждением жидким водородом и Li⁷, B¹¹ конверторами нейтронов в антинейтрино

Нейтринный двигатель на базе термоядерного реактора с Li⁷ или В¹¹ конверторами нейтронов в антинейтрино

Нейтринный двигатель на базе термоядерного реактора и B¹¹ конвертора нейтронов в антинейтрино

Пример уточненного расчета динамики изменения тяги антинейтринного двигателя на основе термоядерного реактора ЛТС с B¹¹ и Li⁷ конверторами

Сравнительная оценка удельной тяги для электроракетного двигателя с ядерной энергетической установкой на основе ускорения ионов In¹¹⁵ до E=100 КэВ (скорость истечения 40 км/с)

Заключение и список литературы

Рассмотрим два варианта двигателя - с В¹¹ конвертором на реакции (n,a) и с В¹¹ конвертором на реакции захвата нейтронов с Е=1·10^-5 эВ.

Установка на реакции (n,a)

Рассмотрим установку ЛТС с подачей 1 капсулы D-T смеси в сек. с энерговыделением 10 T. Расчетная упрощенная схема установки. Диаметр зоны ЛТС 1 м. Зона ЛТС окружена сферическим слоем В¹¹ конвертора (без замедлителя) диаметром 3 м эффективной толщиной 30 см. Поток нейтронов Ф=2,76·10²³ МэВ/17.6 Мэв/нейтр.=1,57·10²² нейтр./с. Концентрация В¹¹ при плотности 2.44 г/см² и мол.массой 11 n=1.33·10²³ см^-3. Длина свободного пробега L₀=1/n·S_tot = 90 см, где S_tot=100 mb - полное сечение взаимодействия B¹¹ с нейтронами 12,5 МэВ (средняя энергия спектра).

Тогда объем В¹¹, с которым будут взаимодействовать нейтроны, составит V=4/3·π·((R+l)³-R³)=4,189·(5,83-3,38)·10⁶=1,03·10⁷ см³; масса бора M=2,51·10⁴ кг; количество ядер B¹¹ N_0B=1,37·10³⁰ ядер, площадь взаимодействия А=4πR²=2,83·10⁵ см².

Для оценки будем считать, что нейтроны участвуют в реакции (6) с сечением S_na=20mb=2·10^-27 см² на длине L=30 см.

Тогда количество ядер Li⁸, генерируемых в B¹¹, описывается системой дифференциальных уравнений:

с начальными условиями

Решение системы уравнений имеет вид

При этом количество ядер Li⁸ возрастает при запуске двигателя до 1,17·10²⁰ с постоянной 1,2 с, затем остается постоянным в течение 100 лет, пока не начнется заметного выгорания B¹¹.

Значительное отличие от упрощенной оценки связано с наличием других каналов реакции в B¹¹, кроме (n,a) (вероятность 0,2) и толщиной В¹¹, в 3 раза меньшей длины пробега нейтронов.

Установка на основе реакции захвата на В¹¹

Рассмотрим установку ЛТС с подачей 1 капсулы D-T смеси в 1 сек. с энерговыделением 10 T. Расчетная упрощенная схема установки. Диаметр зоны ЛТС 1 м. Зона ЛТС окружена 4,5 м замедлителя нейтронов до энергии 10^-5 эВ и сферическим слоем В¹¹ конвертора радиусом 5 м эффективной толщиной L=50 см. При такой энергии нейтроны испытывают только упругое рассеяние и захват. Поток нейтронов Ф=2,76·10²³ МэВ/17,6 Мэв/нейтр.=1,57·10²² нейтр./с. При наличии бридера Ф = 1.57·10²³ нейтр./с. Концентрация В¹¹ при плотности 2,44 г/см² и мол.массой 11 n=1,33·10²³ см^-3. S_зах=280 mb - сечение захвата нейтронов B¹¹ при е=10^-5 эВ.

Тогда объем В¹¹, с которым будут взаимодействовать нейтроны, составит V=4π/3·((R+L)³-R³)=4,189(166,3 -125)·10⁶=1,73E8 см³; масса бора M=4,22E5 кг; количество ядер B¹¹ N_0B=2.3·10³¹ ядер, средняя площадь взаимодействия А=4π(R+L/2)²=3,46·10⁶ см².

Для оценки будем считать, что нейтроны участвуют в реакции (6) с сечением S_na=280mb=2,8·10^-25 см² на длине L=50 см.

=>1,26·10²¹ ядер В¹² в сек. в равновесных условиях => 1,55 (кг м/с)/с.

Установка на основе реакции захвата на Li⁷

Рассмотрим установку ЛТС с подачей 1 капсулы D-T смеси в 1 сек. с энерговыделением 10 T. Расчетная упрощенная схема установки. Диаметр зоны ЛТС 1 м. Зона ЛТС окружена 4,5 м замедлителя нейтронов до энергии 10^-5 эВ и сферическим слоем Li⁷ конвертора радиусом 5 м эффективной толщиной L=10 см. При такой энергии нейтроны испытывают только упругое рассеяние и захват. Поток нейтронов Ф=2,76·10²³ МэВ/17,6 Мэв/нейтр.=1,57·10²² нейтр./с . При наличии бридера Ф = 1,33·10²³ нейтр/с. Концентрация Li⁷ при плотности 0,51 г/см³ и мол.массой 7 n=4,37·10²² см^-3 . S_зах=2,28 mb - сечение захвата нейтронов Li⁷ при е=10^-5 эВ.

Тогда объем Li⁷, с которым будут взаимодействовать нейтроны, составит V=4π/3·((R+L)³-R³)=4,189(132,6-125)·10⁶=3,21·10⁷ см³; масса лития M=1,64·10⁴ кг; количество ядер Li⁷ N_0li=1,4·10³⁰ ядер, средняя площадь взаимодействия А=4π(R+L/2)²=3,2·10⁶ см².

Для оценки будем считать, что нейтроны участвуют в реакции с сечением S_зах=2,28·10^-24 см² на длине L=10 см.

=>1,60·10²³ ядер Li⁷ в сек в равновесных условиях и импульс =>5,1·10^-21·1,60·10²³·0,22 =>

Период времени, через который станет заметным выгорание Li⁷ t=A/Ф S_зах=1,55·10⁷сек или ~1/2 года. За год разгона 100 т КА приобретет скорость ~50 км/с.