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

Геометрически нейтринный двигатель представляет собой активную зону ядерного реактора (см рис.1). Каждый блок, из которого состоит активная зона, включает ТВЭЛ с обогащенным U²³⁵, охлаждаемым жидким водородом, одновременно являющимся замедлителем. Каждый ТВЭЛ окружают трубчатые проточные дьюары с жидким гелием, в которые помещены сверхпроводящие соленоиды с сердечником - конвертором из материала, содержащего Li⁷. Каждый ТВЭЛ так же помещен в проточный дьюар с жидким гелием и сверхпроводящим соленоидом. Сверхпроводящие соленоиды создают постоянное магнитное поле для обеспечения поляризации ядер продуктов деления U²³⁵ в ТВЭЛ и ядер Li⁷ и Li⁸ в конверторе. На каждом соленоиде имеется ряд высокочастотных катушек для усиления поляризации ядер динамическим методом ядерного магнитного резонанса.

Рис.1 Антинейтринный двигатель на основе ядерного реактора.

В активной зоне реализуется самоподдерживающаяся цепная реакция с коэффициентом размножения более 2,3 на U²³⁵. Геометрия активной зоны такова, что 1,2 из 2,3 нейтронов поглощается в конверторе. 0,1 нейтронов используется для регулировки реактора с помощью B¹⁰ управляющих стержней. В процессе работы реактора ядра Li⁷ конвертора и бета-активные продукты деления находятся в поляризованном состоянии. При поглощении нейтронов со спектром, определяемым эффективной температурой активной зоны и ее геометрией (холодные нейтроны), в Li⁷ конверторе образуются жесткие антинейтрино антинейтрино n_e' в следующих процессах:

Антинейтрино, образующиеся в реакции (2), имеют максимальную энергию 12,5 МэВ и среднюю энергию спектра 9,5 МэВ, что соответствует среднему импульсу, уносимому одним нейтрино в процессе бета-распада – 5,1·10^-21 кг·м/c. Период полураспада Li⁸ составляет 0,838 с.

В случае В¹¹ конвертора реализуется следующая реакция:

Антинейтрино, образующиеся в реакции, имеют максимальную энергию 13,37 МэВ и среднюю энергию спектра 10,5 МэВ, что соответствует среднему импульсу, уносимому одним нейтрино в процессе бета-распада – 5,6·10^-21 кг·м/c. Период полураспада B¹² составляет 0,03 с.

Антинейтрино, образующиеся в процессе бета-распада продуктов деления имеют более мягкий спектр в диапазоне 1-5 МэВ со средней энергией спектра ~ 2 Мэв. Плотность потока антинейтрино продуктов деления определяется динамикой накопления активности продуктов деления и увеличивается, вплоть до конца кампании реактора. Для оценки, активность реактора через 500 дней работы может быть принята 7,1·10⁵ Ku/МВт.

Угловое распределение антинейтрино, испускаемых поляризованными ядрами, для разрешенных бета-переходов определяется соотношением:

Где y – угол между направлением поляризации ядра P_я и направлением вылета антинейтрино, a - коэффициент, определяемый природой бета-перехода.

Угловое распределение бета-частиц, испускаемых поляризованными ядрами, для разрешенных бета-переходов определяется соотношением:

Где y – угол между направлением поляризации ядра P_я и направлением вылета бета-частицы, b - коэффициент, определяемый природой бета-перехода, v - скорость бета-частиц. Т.к. для ядер Li⁸ бета частицы имеют v/c ~ 1, пренебрегая импульсом отдачи ядра, для оценки, наблюдаемое экспериментально A=|P_я·b| » |P_я·а|. Расчетное значение А для 100% поляризации ядер Li⁸ составляет –1/3 /7/. Экспериментально определенное значение асимметрии бета-распада Li⁸ e, равное разности количества антинейтрино (и бета-частиц) ушедших в определенный телесный угол против (по – для бета-частиц) направления поляризации ядер и по направлению поляризации ядер(против – для бета-частиц) составляет 6.9% /7/. При этом исследовался образец LiF при комнатной температуре и поле H₀=3264,9 Э /7/. Поляризация ядер образца составляла 32%. Для максимальной оценки будем считать, что при глубоком охлаждении и динамической ориентации ядер поляризация составит 100% и экстраполированный коэффициент асимметрии е_экстр=22%.

Тогда удельный импульс антинейтрино в равновесных условиях (в первом приближении без учета реальной конструкции, считая, что все нейтроны конвертировались в антинейтрино) составит:

где N_v – количество антинейтрино на 1 МВт мощности реактора в сек, E_ср - средняя энергия антинейтрино, эВ, с – скорость света, м/с. 1 Мвт мощности реактора составляет 6,3·10²⁴ эВ, что соответствует 2,9·10¹⁶ делений/с на МВт при 220 МэВ на деление, t – период полураспада Li⁸ (0,83c). При коэффициенте использования нейтронов 1,2 в конверторе поглотится 3,48·10¹⁶ н/с. Тогда удельный импульс от антинейтрино конвертора составит:

Аналогично, для В¹¹:

Оценим вклад в импульс антинейтрино продуктов деления на 500 день кампании реактора, считая среднюю энергию антинейтрино 2 МэВ, эффективную анизотропию 10%, активность продуктов деления 7,1·10⁵ Ku/МВт, что соответствует 2,6·10¹⁶ расп/МВт·с.

Таким образом, удельный импульс антинейтрино ядерного нейтринного двигателя составит:

Для В-11 конвертора тяга практически не изменится:

Таким образом, В¹¹ конвертор выгоднее использовать по сравнению с Li⁷ за счет более высокой энергии нейтрино. Но для реакторной установки, эквивалентной по мощности РБМК–1000 (1000 МВт тепловой мощности) с В¹¹ конвертором, тяга составит 4,4·10^-2 (кг·м/с)/с, и 100 т космический корабль за год разгонится всего лишь до 13 м/с. Таким образом, предлагаемая конструкция не позволяет получить значимые величины антинейтринной тяги при реальных значениях мощностей ЯР.