Термоядерные ракетные двигатели: будущее космонавтики?

Первый термоядерный взрыв, прогремевший 1 ноября 1952 года, дал человечеству надежду не только на освоение неисчерпаемого источника энергии, но и на создание принципиально новых ракетных двигателей, способных доставить наши космические корабли к далеким планетам и даже к соседним звездам.

«Планета есть колыбель разума, но нельзя вечно жить в колыбели», — сказал Константин Циолковский. Для полетов к Луне или, например, к Марсу достаточно существующих химических ракетных двигателей. Но для того чтобы летать дальше, к внешним планетам Солнечной системы (или даже ближайшим звездам!), и не тратить на это многие годы и десятилетия, нужны двигатели принципиально нового типа. Неудивительно, что еще в конце 1950-х годов возникла идея использовать для двигателей энергию, благодаря которой горят звезды, — энергию термоядерного синтеза.

Немного физики

Любой ракетный двигатель создает тягу, выбрасывая в окружающее пространство вещество, которое называют рабочим телом. Из дюз обычных ракет истекают газообразные продукты сгорания топлива. В электроракетном двигателе рабочим телом служит поток плазмы, разогнанной электромагнитными силами. В ядерном — водород или гелий, разогретый энергией деления ядер урана или плутония.

Сила тяги любого двигателя зависит от скорости, с которой молекулы рабочего тела выбрасываются из сопла. Подняв температуру, можно увеличить энергию (и скорость) молекул. Однако жаропрочные материалы и конструкции имеют свои пределы, к тому же подводимая энергия тоже ограничена. А можно использовать более легкие молекулы, поскольку при одной и той же энергии их скорость будет больше. Ядерные двигатели, которые могут разогревать легкий водород, в этом отношении имеют серьезное преимущество перед химическими, продукты сгорания которых существенно тяжелее.

Помимо собственно тяги, очень важным показателем ракетного двигателя является его удельный импульс (или удельная тяга) — отношение силы тяги к расходу рабочего тела. Эта величина, имеющая размерность м/с, характеризует эффективность двигателя. Теоретически она равна скорости истечения рабочего тела, а на практике может значительно отличаться, поэтому ее называют эффективной (эквивалентной) скоростью истечения. Удельный импульс (в м/с) имеет и другой наглядный физический смысл: численно это время в секундах, в течение которого один килограмм топлива может создавать тягу в 1 Н (или тяга в ньютонах, достигаемая при ежесекундном выбросе одного килограмма рабочего тела).

Границы дозволенного

В 1897 году Константин Эдуардович Циолковский вывел знаменитую формулу, определяющую максимальную конечную скорость одноступенчатой ракеты: она равна эффективной скорости истечения рабочего тела (удельному импульсу двигателя), помноженной на натуральный логарифм отношения начальной и конечной масс ракеты. Первый множитель определяется типом и конструкцией двигателя, а второй медленно растет даже при большом количестве топлива. Например, для того чтобы разогнать ракету конечной массой 10 т до скорости выше второй космической (11,2 км/с) с помощью обычных современных ракетных двигателей с импульсом 3000 м/с, нужно около 500 т топлива и окислителя.

Взрыволет

Еще одна очень оригинальная концепция термоядерного ракетного двигателя — проект «Орион», который на полном серьезно разрабатывался в США в 1950—1960-х годах. Он предполагал использовать для полета… сотни и тысячи ядерных боеголовок, взрываемых одна за другой! Ядерные взрывы предполагалось производить позади корабля, при этом должны были использоваться специальные боезаряды, дающие две направленные струи плазмы, одна из которых попадала в специальную тяговую плиту корабля, толкая его вперед. Тяга также создавалась за счет испарения масла, которым опрыскивалась эта плита. Испарение масла охлаждало плиту, защищая ее от разрушения. Согласно расчетам, удельный импульс должен был составлять десятки тысяч метров в секунду, при этом тяги хватило бы для старта с Земли. Были разработаны самые разные варианты таких кораблей, начиная от лунных и заканчивая межзвездными. В рамках проекта были созданы макеты, использующие обычные химические бомбы, доказавшие возможность устойчивого полета за счет серии взрывов. Кроме того, был произведен настоящий ядерный взрыв, в ходе которого подтвердилась возможность создания тяговой плиты.

Даже с учетом технологии многоступенчатых ракет практически невозможно достичь скорости, превышающей удельный импульс более чем в четыре-пять раз. Поэтому с самого начала космических разработок серьезные силы были брошены на увеличение эффективной скорости истечения рабочего тела. Сейчас лучшие ракетные двигатели на химическом топливе (водород-кислородные) лишь приближаются к отметке 4500 м/с, и почти все способы улучшения их характеристик уже исчерпаны. Ядерные ракетные двигатели позволили бы увеличить температуру до десятков тысяч градусов, а скорость истечения — примерно до 20000 м/с, но даже с такими двигателями полет корабля до внешних планет Солнечной системы занял бы годы. А о полетах к звездам и говорить не приходится.

Настоящие звездолеты

Между тем существует способ поднять скорость истечения на многие порядки. Температура плазмы при термоядерном синтезе составляет не десятки тысяч, а миллионы градусов. Соответственно, теоретический удельный импульс при реакции дейтерия и гелия-3 составляет 21 500 000 м/с, то есть более 7% от скорости света, что потенциально позволяет разогнать межзвездный зонд до 25−30% от скорости света. Конечно, нужно оставить запас топлива на торможение, но и 10−15% световой скорости вполне достаточно для отправки беспилотных аппаратов как минимум к нашим ближайшим соседям — звездной системе Альфа Центавра.

Наиболее реалистичный вариант проекта «Орион». Этот межпланетный корабль рассчитан на старт с орбиты, вывод в космос должен был осуществляться ракетой-носителем Сатурн-V.

Правда, это только в теории. Дело в том, что мощность ракетного двигателя равна половине произведения его тяги (Н) на его удельный импульс (м/с). Мощность, например, двигателя первой ступени ракеты-носителя «Зенит» РД-171 с тягой 806 тс и удельным импульсом 3300 м/с — 13 ГВт (в два раза больше Саяно-Шушенской ГЭС!). Термоядерный двигатель такой же мощности с удельным импульсом в 21 500 000 м/с будет иметь тягу всего 123 кгс, и разгон до сколько-нибудь существенных скоростей займет долгие годы. У этой проблемы может быть два решения. Во‑первых, можно попробовать увеличить мощность двигателя. Но, увы, даже 13 ГВт мощности (выходной, а не термоядерной!) выглядят труднодостижимыми на практике. Во‑вторых, можно снизить удельный импульс. Уже 100 000 м/с откроют нам совершенно новые возможности освоения Солнечной системы. При этом 1 ГВт выходной мощности будет соответствовать 20 000 Н или более 2 тс тяги — вполне достаточно даже для тяжелого (сотни тонн «сухой» массы) межпланетного корабля, не предназначенного для входа в атмосферу.

Магнитные ракеты

За редчайшим исключением, все проекты термоядерных ракетных двигателей с магнитным удержанием основываются на так называемых открытых магнитных ловушках — цилиндрах, из торцов которых истекает поток плазмы. Если для энергетического реактора такие потери плазмы являются серьезной проблемой, то для термоядерного двигателя это смысл его работы, так как именно поток плазмы из торца двигателя и создает тягу. Удельный импульс двигателя определяется температурой плазмы и может достигать нескольких миллионов метров в секунду. Напуск в районе торца двигателя дополнительного рабочего тела (обычного водорода) может более чем на порядок повысить тягу двигателя (естественно, в ущерб удельному импульсу).

Самый простой вариант такого двигателя — пробкотрон, состоящий всего из двух магнитных катушек, пробок, расположенных на некотором удалении друг от друга. Иногда посередине добавляют менее мощные катушки, которые позволяют управлять профилем магнитного поля между пробками. При достаточно большом размере в пробкотроне может проходить термоядерная реакция, выделяющая чуть больше энергии, чем тратится на ее поддержание. Но, увы, совсем ненамного и только при работе на смеси дейтерия и трития. Поскольку КПД преобразования тепловой энергии в электрическую невелик, пробкотрон всегда будет требовать для своей работы подвода энергии извне. Если вспомнить, какие мощности необходимы для создания существенной тяги при большом удельном импульсе, получится, что для питания двигателя нам потребуется полномасштабная космическая АЭС. В таких условиях проще отказаться от термоядерного реактора и использовать куда более простую и существенно лучше отработанную связку из АЭС и электрореактивных двигателей.

Развитием идеи пробкотрона является многопробочная ловушка (с гофрированным полем). В первом приближении путем увеличения ее длины можно достичь сколь угодно хорошего удержания плазмы, вплоть до зажигания самоподдерживающейся термоядерной реакции, не требующей подвода энергии извне. С учетом высокой плотности плазмы, которую можно достичь в ловушке такого типа, она производит впечатление весьма перспективного кандидата. Увы, есть две проблемы, существенно снижающие перспективность этого направления. Первая — это потери плазмой энергии поперек магнитного поля, которые для установок большой длины, скорее всего, станут основными. Вторая проблема состоит в том, что даже для смеси дейтерия и трития (1:1) необходимая длина двигателя составит около 1 км, а это на порядок превосходит размер МКС (для других видов топлива размеры двигателя будут еще больше).

Вакуум на халяву

Одной из важнейших проблем термоядерного синтеза является взаимодействие стенок вакуумной камеры и плазмы. Оно существенно ухудшает параметры плазмы, а сама стенка разрушается. Термоядерные ракетные двигатели предполагается использовать только в космосе, так что космический вакуум позволяет убрать из конструкции стенку, оставив лишь небольшие защитные накладки на магнитных катушках. Это существенно облегчит задачу зажигания термоядерной плазмы. Потенциально может случиться так, что первые термоядерные двигатели начнут работать раньше, чем наземные термоядерные электростанции.

Другим развитием пробкотрона является газодинамическая плазменная ловушка, в которой длинная область с однородным магнитным полем относительно небольшой напряженности с обоих концов заканчивается мощными магнитными пробками или парами пробок (дополнительными пробкотронами с мощным полем). Положительное свойство такой ловушки — хорошо предсказуемое поведение плазмы в ней. Однако ее длина, как и в случае многопробочной ловушки, должна будет составлять около километра или более даже при дейтерий-тритиевом топливе.

Наиболее простая открытая плазменная ловушка — пробкотрон. В простейшем случае она состоит всего из двух магнитных катушек. Развитие пробкотрона — многопробочная и газодинамическая ловушки.

Еще один вариант открытых ловушек — это ловушки с амбиполярным удержанием плазмы. В простейшем случае это система из трех пробкотронов: один центральный с очень большой длиной и два маленьких на торцах. Непрерывно подаваемая разогретая плазма в торцевых пробкотронах не дает уходить плазме из центрального пробкотрона. Сделав центральную часть достаточно длинной, мы всегда можем производить в ней больше энергии, чем нужно для поддержания плазмы в концевых участках. Такая ловушка теоретически должна получиться заметно короче газодинамической или многопробочной. Но есть у нее и недостатки. Во‑первых, обязательная инжекция плазмы в концевых участках и нагрев ее там, на что требуются десятки и даже сотни мегаватт. Таким образом, реактор должен стать не только двигателем, но и основой полномасштабной электростанции для поддержания собственной работы. Во‑вторых, конфигурация электромагнитного поля в амбиполярной ловушке куда сложнее, чем в других типах открытых ловушек, а объем экспериментальных данных недостаточен. Так что пока говорить об осуществимости такого двигателя слишком рано.

Силы инерции

В ловушках с магнитным удержанием удельный импульс ограничен температурой плазмы, которая, в свою очередь, ограничена конструкцией. А вот инерциальный ядерный синтез потенциально позволяет получить удельный импульс порядка 10 000 000 м/с (около 3% от скорости света), что делает его идеальным вариантом для межзвездных зондов. Именно этот принцип был использован в известном проекте звездолета «Дедал», который разрабатывался группой специалистов из Британского межпланетного общества в 1970-х годах. Его же использует разрабатываемый сейчас наследник «Дедала» — «Икар».

Инерциальный синтез. Основная идея инерциального синтеза состоит в равномерном облучении крупинки термоядерного топлива мощными потоками частиц (фотонов, ионов, электронов), что приводит к ее сжатию и разогреву.

Термоядерные двигатели на инерциальном синтезе — это импульсные термоядерные реакторы, дополненные магнитным соплом для продуктов реакции. Поскольку зажигание самоподдерживающейся реакции здесь принципиально невозможно, реактор должен быть не только двигателем, но и электростанцией для обеспечения энергией самого себя. Причем его электрическая мощность должна составлять как минимум 10% от мощности реактивной струи. Расчеты показывают, что при тяге двигателя всего 2000 Н (204 кгс) и удельном импульсе 10 000 000 м/с нам потребуется мощность ракетного двигателя в 10 ГВт, а электрическая — не менее 1 ГВт. Это мощность целого энергоблока крупной АЭС.

Кроме того, нет оснований полагать, что в сколько-нибудь обозримом будущем будут созданы космические лазеры, пригодные для обжатия мишеней такого двигателя. Единственным реалистичным вариантом можно считать использование пучков тяжелых ионов. Но и они, с нужными характеристиками, еще не созданы даже для наземных установок.

Глобус-М. Экспериментальный зал ФТИ РАН со сферическим токамаком Глобус-М. Потомки этой установки могут стать основой как наземной электростанции, так и термоядерного ракетного двигателя.

Токамаки в космосе

Почти все авторы проектов термоядерных двигателей игнорируют токамаки, ссылаясь на сложность осуществления отбора плазмы для реактивной струи. Но они ошибаются.

На заре термоядерных исследований предполагалось, что в токамаке плазма будет надежно удерживаться. Однако быстро выяснилось, что плазма поперек магнитного поля уходит на стенку установки и разрушает ее. Одним из наиболее эффективных способов решения этой проблемы оказалась концепция дивертора. Суть ее в том, что в конфигурации магнитного поля создается четкая граница — сепаратриса. Внутри сепаратрисы плазма максимально хорошо удерживается, но за ее пределами почти мгновенно уходит на специальные пластины в нижней (чаще всего) части установки, которая и называется дивертором.

Таким образом взаимодействие между термоядерной плазмой и стенкой существенно ослабляется. Ничто не мешает использовать плазму, пересекающую сепаратрису и уходящую в дивертор, для создания тяги в ракетном двигателе. Напуск водорода в область дивертора позволит, как и в случае открытых ловушек, на порядок повысить тягу, пожертвовав удельным импульсом.

Важнейшее преимущество токамака перед всеми иными концепциями термоядерных ракетных двигателей — максимальная отработанность этого типа магнитных ловушек. Если параметры созданных открытых магнитных ловушек хуже необходимых в сотни раз, то параметры токамаков нужно улучшить всего на порядок. Кроме того, наработки по термоядерному ракетному двигателю окажутся крайне полезными для наземных термоядерных электростанций. Расчеты показывают, что сферический токамак с сильным магнитным полем, работающий на смеси 98% дейтерия и 2% трития, способен развивать выходную мощность порядка 300 МВт. Объединяя несколько таких токамаков, можно получить тягу порядка 1000 кгс при удельном импульсе в 350 000 м/с, при этом расход дейтерия составит 1,5 г/с, а водорода, используемого как дополнительное рабочее тело, — около 26 г/с. Корабль «сухой» массой 565 т, несущий 35 т дейтерия и 600 т водорода, сможет разогнаться до скорости 65 км/с, затормозить, снова разогнаться до этой скорости и снова затормозить. Такие параметры позволяют уложить длительность экспедиции к Сатурну в два года.

Полный бак

На чем же будут работать звездолеты? Выбор топлива — отдельная серьезная проблема. Проще всего запустить реакцию в смеси дейтерия и трития 1:1. Однако с ее использованием есть большие проблемы. Тритий в природе не встречается, его необходимо получать искусственно. Необходимые количества при этом составят десятки тонн, что во много раз превышает возможности его производства за всю историю! Кроме того, он радиоактивен (хотя и слабо) и благодаря этому саморазогревается, так что его практически невозможно хранить в сжиженном виде, а хранить под давлением, да еще и охлаждать — не самая простая задача.

Поэтому логичным решением представляется производство трития из лития прямо в двигателе, как это планируется делать на термоядерных электростанциях. Но за один проход через реактор успевает прореагировать лишь доля процента термоядерного топлива (в реакторах с инерциальным удержанием — до 10%). В электростанции вся отработанная (попавшая в дивертор) плазма собирается, и тритий может быть использован повторно. Но в двигателе эта плазма выбрасывается, так что на один атом трития, вступивший в реакцию, нужно произвести сотни новых. Однако это невозможно: один термоядерный нейтрон в лучшем случае может произвести два атома трития.

Использование смеси дейтерия и гелия-3 позволяет максимум термоядерной энергии задействовать в производстве тяги, так как «горение» такой смеси дает куда меньше нейтронов и больше быстрых заряженных частиц. Гелий-3 стабилен и совершенно безопасен. Но его на Земле нет. Единственный источник гелия-3 — распад трития, так что производство его в количестве десятков тонн — еще более сложная задача. Теоретически гелий-3 можно добывать на Луне, но для этого потребуется создание мощной космической инфраструктуры (для чего как раз очень пригодился бы термоядерный ракетный двигатель). Стоит отметить еще две проблемы смеси дейтерия и гелия-3: во‑первых, она требует куда большей температуры и времени удержания плазмы, а во-вторых, дает меньшую мощность на единицу объема плазмы.

Поэтому первые термоядерные ракетные двигатели будут работать либо на чистом дейтерии, либо на дейтерии с небольшой (не более нескольких процентов) примесью трития. Недостатки у этого топлива такие же, как и у смеси дейтерия и гелия-3, плюс еще мощное нейтронное излучение. Зато дейтерий относительно дешев и доступен практически в неограниченных количествах. Концентрация примеси трития будет определяться тем, сколько его удастся произвести из лития. Даже небольшая примесь этого изотопа может позволить существенно повысить термоядерную мощность реактора.

@funscience to be continued...