Вышла в свет книга Б.И.Нигматулина и В.А.Пивоварова «Реакторы с тяжелым жидкометаллическим теплоносителем. История трагедии и фарса». Подробнее 

Синтез лёгких ядер осколками деления тяжёлых ядер - открытие.

Андрей Виноградов, к.т.н., гл. конструктор проектов  

В настоящей статье будет изложена идея создания малогабаритного реактора с термоядерной подкачкой энергии для летательных аппаратов, которая была подсказана моим давнишним другом по институту, которого, как и меня, выгнали в отставку.

Наша группа после учебы ушла работать в различные КБ, а он сразу в офицеры в РВСН, т.е. ракетчиком стал, и женился на дочке генерала. Молодец, ну что скажешь? 

За рюмочкой «Киндзмараули» - любимого вина Отца всех народов, была изложена следующая идея крылатой ракеты, в дальнейшем назовем её «птичкой», которая необходима нам в ближайшем будущем для обороны наших рубежей.

Так вот, «Птичка» должна взлетать с типовой транспортируемой катапульты и выходить сразу в космос. В космосе вокруг планеты сделать виток в «плазменном мешке», а затем выйти  в требуемый квадрат. «Плазменный мешок» нужен для того, чтобы локаторами не засечь её. Инфрокрасное излучение и др. тоже надо снизить. Далее снижаться до высоты 20 - 10000 метров, и барражировать в этом квадрате около 6 мес., меняя скорость, высоту и траекторию полёта. Причем, скорость периодически должна быть гиперзвуковой с образованием вокруг «птички» плазменного мешка (это защита от радаров противника).  После выполнения задания «птичка» должна опять через космос вернуться к нам на полигон, и приземлиться на парашюте. «Птичка» должна нести на себе стандартную аппаратуру наблюдения, весом 900 кг, а при необходимости дополнительно и малогабаритный термоядерный заряд весом до 300 кг. Масса «птички» не должна превышать массу «Буревестника». На вопрос мой: - «Можно на ПРоАтоме публиковать? Ответил: - «Валяй, прибавь как обычно немного фантазии, а по техническим характеристикам приври побольше». Пожалуй, это всё достаточно в качестве задания.

Чем отличается «птичка» от «Буревестника»? А тем, что она должна летать через космос, и на задание , и обратно. Следовательно, на ней должен быть запас топлива. А также мощность реактивной струи должна быть больше, чем у «Буревестника».

Я предложил использовать для увеличения мощности активной зоны реактора следующее. Была задумана реакция синтеза с выделением тепла. Чтобы началось слияние ядер, их нужно сблизить вплотную — чтобы вступили в действие ядерные силы. Для такого сближения нужно преодолеть кулоновское отталкивание ядер, резко возрастающее с уменьшением расстояния между ними. Это возможно лишь при очень большой кинетической энергии ядер, а значит — при очень высокой температуре (в десятки и сотни миллионов градусов). Поэтому реакция ядерного синтеза называется термоядерной реакцией. В нашем случае, в полости шарового твэла, см. рис. 1, заполненной смесью дейтерия и трития (тяжёлого и сверхтяжёлого изотопов водорода) под очень большим давлением, с поверхности тонкого слоя  урана на внутренней поверхности шарового твэла будут вылетать осколки деления с огромной скоростью — около 1/30 скорости света. Они и уносят около 170 МэВ из 200 МэВ энергии от деления урана, тем самым создавая в газовой смеси локально сверх большую температуру в начале трека вылета осколка из слоя урана. Эта температура как раз и необходима для протекания ядерного синтеза. Будет происходить синтез изотопов водорода только в локальном объёме, что исключит полномасштабную термоядерную реакцию водородной бомбы.

 

Рис. 1. Шаровой твэл с гидродинамически прозрачной оболочкой и пленочным слоем урана. Рис. авт.

Где: 1 - дырчатая гидродинамически прозрачная для теплоносителя оболочка толщиной d2 для прохода теплоносителя к поверхности теплоотдачи обечаек 3; 2 - ионномодифицированный теплоноситель; 3 - две обечайки в форме «шляпы с полями», образующие герметичную капсулу для ядерного топлива и смеси газов дейтерия и трития; 4 - тонкий слой урана толщиной D1; 5 - полость, заполненная под большим давлением газовой смесью дейтерия и трития. Сварка обечаек капсулы производится по «полям шляпы», что дает эффект шайбовой пружины для компенсации температурных расширений.

В качестве примера термоядерной реакции приведём реакцию слияния ядер дейтерия и трития (тяжёлого и сверхтяжёлого изотопов водорода), в результате которой образуется ядро гелия и нейтрон:

                                    ²₁H + ³₁H → ⁴₂He + ¹₀n.                                           (1)

Эта реакция идёт с выделением энергии, равной 17,6МэВ (попробуйте сами провести расчёты и получить данную величину). Это очень много, если учесть, что в реакции участвуют всего 5 нуклонов! В самом деле, в расчёте на один нуклон в реакции (1) выделяется энергия примерно 3,5МэВ, в то время как при делении ядра урана235 выделяется «всего» 1МэВ на нуклон. При этом выделяется дополнительно один нейтрон, который послужит для деления ядер урана. Таким образом, термоядерные реакции служат источником ещё большего количества энергии, чем реакции деления ядер. С физической точки зрения это понятно: энергия реакции ядерного деления есть в основном кинетическая энергия осколков, разогнанных электрическими силами отталкивания, а при ядерном синтезе энергия высвобождается в результате разгона нуклонов навстречу друг другу под действием куда более мощных ядерных сил притяжения. Проще говоря, при делении ядер высвобождается энергия электрического взаимодействия, а при синтезе ядер — энергия сильного (ядерного) взаимодействия [1]. Ядро атома дейтерия состоит из одного протона и одного нейтрона, см. рис. 2.

 

Рис. 2. url=(0046)https://yuritkachev.livejournal.com/15673.html -->

Дейтерий – старший брат обычного водорода, ядро которого, по сути, представляет собой одиночный протон с одним нейтроном. Тритий состоит из одного протона и двух нейтронов.

Таким образом, шаровые твэлы будут нагреваться не только за счет ядерной реакции деления, но и за счет реакции синтеза. С получением мощности всё понятно.

Теперь надо как то снять эту мощность с шаровой поверхности твэлов. Простым газовым теплоносителем, даже гелием, большую мощность не снять, придется увеличивать площади теплоотдачи у твэлов, а это значит увеличение размеров активной зоны, что с конструктивной точки зрения нам делать нельзя, т.к. надо вписаться в габариты типовой транспортируемой катапульты.  

Для того чтобы снимать большую мощность, был придуман ионномодифицированный теплоноситель (ИМТ). ИМТ это углекислый газ с добавлением свободных электронов. Электроны быстрее и больше отнимают тепла с греющей поверхности твэлов в моменты контакта,  в силу своего малого размера и большой подвижности, по сравнению с молекулами углекислого газа.  И уже в потоке передают молекулам углекислого газа эту энергию в процессе столкновений. Ну а дальше всё просто, делать такой же пластинчатый теплообменник для нагрева воздуха как у «Буревестника», только мощность увеличить в 2-3 раза, поскольку требуется взлет «птички» сразу в космос.  Этот теплообменник должен будет нагревать и воздух в варианте прямоточного воздушно - реактивного двигателя для полета в воздухе, а также, нагревать рабочее тело, т.е. топливо из запаса на борту, в варианте простого реактивного двигателя для полета в космосе. В качестве топлива предложено использовать тяжелый газ ксенон, который будет на ракете храниться в сжиженном виде в баках.

            На рис. 3. показано схематично ракета «Буревестник» с размерами.

Рис. 3. «Буревестник» из открытых источников [2].

В октябре 2021 года появилась новость о том, что Китай разработал и провел испытания своей крылатой ракеты, способной огибать планету по низкой орбите и поражать заранее заданную цель. Тогда американское разведывательное управление сообщало, что оружие из Поднебесной может быть аналогом российского  9М730, однако никаких доказательств приведено не было, а Пекин и вовсе отрицал работы над подобными устройствами.

Критика другого способа получения энергии в термоядерной реакции внутри твэла

По поводу предложения использовать в термоядерной реакции дейтерий и тритий, см. рис.4.  В результате такой реакции образуется ядро гелия (2 протона, 2 нейтрона). Но в

исходных ядрах два протона и три нейтрона, то есть, образуется «лишний» нейтрон, который улетает  прочь, а в нашем случае используется для деления урана:

Во-первых, с собой этот нейтрон уносит значительную (80 %) часть энергии, вырабатываемой при реакции синтеза, что сильно уменьшает её КПД(если улетает прочь).

Во-вторых, нейтронный поток негативно влияет на конструктивные свойства сооружений реактора, разрушая их. То есть, необходимо придумать и использовать какие-то «нейтронно-устойчивые» материалы.

В-третьих, тритий очень дорог: его стоимость – 30 тысяч долларов за грамм.

 

Рис. 4. Термоядерная реакция дейтерий - тритий. url=(0034)https://dzen.ru/a/XyJxK6u9vzKxy5Tj -->

При сжигании в реакторе 1 грамма дейтериево-тритиевой смеси выделится энергия, эквивалентная сжиганию примерно 20 тонн угля стоимостью примерно в 2 тысячи долларов. И это без учёта того факта, что в дейтериево-тритиевой схеме мы сможем собрать лишь небольшую часть выделившейся энергии. Поэтому дейтериево-тритиевое топливо вряд ли пригодно для использования в качестве практического источника энергии, и работающие на нём реакторы имеют, прежде всего, научное значение: в их можно изучить и освоить технологии «управления» раскалённым газом (плазмой), полноценное овладение которыми, откроет путь к использованию других видов топлива и реакций.

С конструкцией активной зоны атомного реактора в общем то все понятно. Теперь надо определить сколько понадобится мощности для взлета «птички» сразу в космос.

 

Несколько слов о «Буревестнике»

Что такое крылатая ракета «Буревестник»? «Буревестник» (Российский индекс ГРАУ — 9М730, в кодификации НАТО — SSC-X-9 Skyfal l) — это российская межконтинентальная крылатая ракета с ядерной энергетической установкой. Она создана для преодоления систем ПВО и ПРО и доставки ядерного боезаряда на большие расстояния. Разрабатывается с декабря 2001 года, испытывается с 2016–2017 годов. Получила название в марте 2018-го по итогам открытого голосования на сайте Минобороны. Последние испытания изделия состоялись 21 октября 2025 года. Передаётся в войска с постановкой на дежурство. Основные тактико-технические характеристики ракеты остаются засекреченными.

Известные характеристики «Буревестника»:

тип двигателя — ядерная энергетическая установка;

тип боевой части — ядерная;

дальность полета — по экспертным оценкам, свыше 20 тыс. км;

скорость — дозвуковая или околозвуковая;

профиль полета — маловысотный, с возможностью обхода зон обнаружения.

По данным издания «Военное обозрение», скорость ракеты составляет от 850 до 1300 км/ч, а вот перемещается "Буревестник", напротив, на минимально возможной при таких скоростях высоте - от 120 м до почти критических 20-40 м, используя для прикрытия рельеф и отдельные складки местности по траектории полета. И в этом, если угодно, вторая главная засада для противоракетных РЛС и других средств обнаружения:  попробуй такую малышку засеки - на высоте вертолета или дрона, но летящую со скоростью реактивного самолета.

 

О расходе топлива для ядерного реактивного двигателя

С момента старта использовать прямоточный воздушно - реактивный двигатель до высоты 30 км, где есть ещё воздух, не получится - тяга маленькая. Нужно будет сразу запускать реактивный двигатель для полета в космосе, т.е. V₀ = 0. Предположим «птичка» массой m = 10000 кг должна подняться на высоту S = 100000 м и приобрести на этой высоте скорость Vt = 8000 м/с. Простым расчетом из системы уравнений механики получаем время t в полете до высоты 100 км, и задав небольшое ускорение a = 20 м/с², а дальше вычислим какая нам нужна тяга Fr  и расход  массы  газов в единицу времени из сопла реактивного двигателя Dmt/Dt, при скорости истечения струи рабочего тела из сопла U = 30 м/с.

Vt = V₀ + a*tv ; S = V₀*ts + a*ts²/2 ; Fr = m * a = U * Dmt/Dt .

1. Время достижения скорости 8000 м/с  tv = 8000/20 =400 с.

2. Время подъёма «птички» нВ высоту 100 км

ts = корень кв.(100000*2/20) = 100 с.

3. Тяга нужна Fr = 10000*20 = 200000 кг*м/с² [Ньютон]

4. Массовый расход газов на срезе сопла 

Dmt/Dt = (200000 кг*м/с²)/(30 м/с ) = 6667 кг/с

5. Расход топлива за время достижения скорости 8000 м/с , т.е. за 400 с.

G = 6667 кг/с * 400 с = 2667000 кг.

Вывод: - Столько топлива на маленькую ракету не поместить!

Как изначально сказал консультант - эксперт по этому вопросу: - «Режим полета с выходом в космос это хрень!» Расчет это доказал, как говорят, «на пальцах».

Доставку крылатых ракет к требуемому квадрату наблюдения разумней производить сразу малой партией, в обиходе - «сразу стайкой». И для этого годятся уже имеющиеся крылатые ракеты «Буревестник», делать заказанную «птичку» нет смысла. А доставку их к месту выполнения задачи можно производить с помощью «Космического атомного бомбардира Виноградова»[3] за раз по 3 штуки, т.е. специального транспортного средства.

Несколько слов про «Бомбардир»

На рис. 5 показана схема «Бомбардира» от 2023 года[3]. К сегодняшнему дню конструкторы многое что изменили, но принцип работы остался прежним.

Космический атомный бомбардир (далее в тексте просто - бомбардир), это круче чем ракета «Сармат», он может взлетать, и приземлятся на любых ровных необорудованных  площадках,  используя  воздушные  винты.  Космодромы, стартовые  -  заправочные  технологии  ракетной  техники  попросту  не  нужны.

 

Рис. 5. Схема «Бомбардира», апрель 2023[3]. Рис. авт.

Где:  1  -  фюзеляж  АГВ,      2  -  капсула  экипажа,  3  -  габариты грузового  отсека,  4  -  атомная  гибридная  силовая  установка  (АГСУ),  5  - кольцевой обтекатель  защиты от конвективного вида разогрева, 6  - носовой левый  сегмент фюзеляжа, 7  - боковой  с АГСУ левый  сегмент фюзеляжа, 8  - боковой  левый  сегмент  фюзеляжа,  9  -  кормовой  сегмент  фюзеляжа,    10  - гнезда  для  воздушных  винтов  в  кольце,    11  -  атомный ионный  реактивный двигатель,  12  -  топливный  бак  (химически  чистая  вода).  Длина грузового отсека  и  грузоподъёмность  (взлётный  вес)  задаётся  количеством  боковых сегментов, которые одинаковы и изготавливаются серийно. 

Потолок  полёта  на  воздушных  винтах  до  30  км.  Далее,  разгон    и  полет  на высотах  от  30  до  300  км  и  более  выполняется  галсами  с  гиперзвуковой скоростью  около  8  км/сек,  используя  атомные  ионные  двигатели  с изменяемым  направлением  вектора  тяги,  что  позволяет  сделать  траекторию полёта непредсказуемой. Максимальная скорость в космическом пространстве 16 км/сек. В в воздушном пространстве максимальная скорость 950 км/час, минимальная скорость нуль, т.е. зависание в одной точке как вертолет.

На  высотах  более  30  км  бомбардир  с  помощью  атомных  ионных  двигателей может  разгоняться  до  гиперзвуковой  скорости,  около  20  Маха.  В  полёте бомбардир  с  момента  взлета  может  непрерывно  находиться  около  25000 часов,  т.е.  дальность  не  ограничена. В качестве своей защиты бомбардир использует «плазменный мешок», что делает его невидимым для радаров и в космосе, и в воздушном пространстве. При  взлетной  массе  до  200  тонн  на борту бомбардир может нести  груз около 30  тонн, что позволяет разместить на нём до 10-и боевых планирующих блоков «Авангард» или несколько блоков «Посейдон»,  спускаемых  с  высоты  10-20  км  прямо  в  нужную  координату  в океан с помощью систем мягкой посадки.          

В нашем случае в нем можно разместить 3 шт. крылатых ракеты «Буревестник».

Оснастив бомбардир специальным манипулятором, можно выводить в полет крылатые ракеты прямо в полете, и наоборот, забирать их с траектории полета в грузовой отсек бомбардира после выполнения задания. А потом доставлять их целехонькими на базу для повторного использования.

К примеру, если расстояние до квадрата выполнения задания 8000 км, то «Буревестник» при своей максимальной скорости 1300 км/ч доберется до него за 6,15 часа. А «Бомбардир» долетит за 16,67 минут. Разница существенная.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Создавать маленькую крылатую ракету для дальних переходов это с военной точки зрения не эффективно, а с инженерной точки зрения и не разумно.

2. Доставку крылатых ракет типа «Буревестник» разумно на большие расстояния производить специальным транспортным средством за раз малой партией (стайкой) на прямую через космос.

3. Аэродинамические формы транспортного средства должны создавать «плазменный мешок» для невидимости локаторами системы ПРО и ПВО противника.

4. Идею симбиоза атомного деления тяжёлых ядер с термоядерным слиянием легких ядер в одной активной зоне реактора, никто в Мире ещё не придумал. Эту инновационную разработку можно воспринимать как открытие, ещё один шаг в создании малогабаритных мощных реакторов для транспортных силовых установок и микро-АЭС.

5. Симбиоз атомного и термоядерного топлива еще ни кто считать не может. Делайте конструкции, которые можете рассчитать!!! А эксперимент на натуре Вам не

поможет. Идею надо собрать на цифровом двойнике, это слова эксперта.

    ЛИТЕРАТУРА

1. И.В.Яковлев | Материалы по физике | MathUs.ru. Ядерные реакции.

Темы кодификатора ЕГЭ: ядерные реакции, деление и синтез ядер.

2. Ни Китай, ни США не смогли создать ничего подобного - китайские журналисты прокомментировали успешный запуск Буревестника.pdf

3. PRoAtom - Космический атомный бомбардир Виноградова 28.04.2023 .pdf