MSNW核融合ロケット

幸せな宇宙航行日！ 「NASA​​の支援の下で核融合宇宙エンジンを構築する」という記事を読んだ後、このプロジェクトに関する詳細情報を見つけることにしました。 次に、このエンジンとは何か、どのように機能するかについてお話したいと思います。









まず、熱核燃料とは何か、どのように使用できるかについての簡単な紹介。

熱核燃料

エネルギーは、大きな不安定な原子を小さな破片に分割するか、2つ以上の小さな原子を1つの大きな原子に結合することによって取得できます。 すべての場合において、初期原子の重量を量り、それらを結果の重量と比較すると、結果の質量が小さくなることがわかります。 この現象は質量欠陥として知られており、エネルギーに変換される物質の量を表します。 誰もがe = mc^2



であることを知っていますが、 c



（ 真空中の光の速度 ）がどれだけ大きいかを誰もが知っているわけではなく、それを二乗すると非常に大きくなります。 したがって、微小量の物質でさえ、印象的な量のエネルギーを生成できるようになります。



条約によると、1 amu （ 原子の質量単位 ）= 931.494028 MeV 。

例。

DT合成は、重水素とトリチウムの原子で始まり、ヘリウム4原子と中性子で終わります。 初期質量2.013553 + 3.015500 = 5.029053。 最終質量4.001506 + 1.008665 = 5.010171。 最初から2番目を引くと、質量欠陥は0.018882であることがわかります。 931.494028を掛けると、受信エネルギーは17.58847 MeVになります。

熱核融合は、鉄原子になるほど成長するまで、より多くの原子が融合するにつれてエネルギーを生成することに注意してください。 この後、重原子の融合は生成するよりも多くのエネルギーを消費し始めます。

粒子

記号	役職	質量
p	プロトンイオン化水素	1.007276
n	中性子	1.008665
1 H	水素-1、普通の水素	1.007940
D	重水素、水素-2	2.013553
T	トリチウム、水素-3	3.015500
3彼	有名なヘリウム-3	3.014932
4彼	ヘリウム-4、通常のヘリウム	4.001506
6 Li	リチウム6
7 Li	リチウム7、通常のリチウム
11 B	Bor-11、普通のホウ素	11.00931

この表は、熱核燃料として使用できるさまざまな粒子の記号を示しています。 以下の反応の質量欠陥を計算し、受け取ったエネルギーの量に驚く場合に備えて、粒子の質量が与えられます。



トリチウムの半減期はわずか12.32年で、12年後には半分にヘリウム3に分解されるため、宇宙での使用は少し難しくなります。 それが、トリチウムの自然堆積物がない理由です。 ほとんどのトリチウムベースの原子炉設計は、トリチウムジェネレータに依存しています。 それらは通常、リアクターを囲む液体リチウムタンクです。 リチウムは中性子を吸収し、新しいトリチウムとヘリウム-4に変換します。



宇宙探査の経済的動機と呼ばれることが多い有名なヘリウム3は、残念ながら、想定されるほど良くありません。 第一に、地球上に存在しないため、採掘が困難です。 一部の愛好家は、特定せずに月面での採掘を望んでおり、その濃度は非常に小さいです。 わずか3トンのヘリウム3を生産するには、1億トンの月のレゴリスを処理する必要があります。 あるいは、工場で生産することもできますが、これには大量の中性子が必要です。 一般的に、トリチウムを取得し、それが崩壊するのを待つ必要があります。 土星と天王星の大気には大量のヘリウム-3がありますが、そこからの抽出には対応するインフラストラクチャが必要です。 大気中のヘリウム3の濃度は、100万分の10に達する可能性があり、月よりもはるかに優れています。 木星の大気にはヘリウム-3も含まれていますが、重力が大きいため、その抽出は非常に困難です。

熱核反応

反応			MeV /反応	TJ / kg	1 TW燃焼	KL	中性子なし	排気
D + T	⇒	4 He + n	17.6 MeV	339.72 TJ / kg	0.002944グラム/秒	1		8.7％c
D + D	⇒	T + 1 H	4.03 MeV	97.23 TJ / kg	0.01028 g / s	30		4.3％c
		3 He + n	3.27 MeV	78.90 TJ / kg	0.01267 g / s			4.2％c
p + 11 B	⇒	3× 4彼	8.7 MeV	69.97 TJ / kg	0.01429 g / s	500	はい	4.5％c
D + 3 He	⇒	4 He + p	18.3 MeV	353.23 TJ / kg	0.002831グラム/秒	16		8.9％c
3 He + 3 He	⇒	4 He + 2×p	12.9 MeV	207.50 TJ / kg	0.004819 g / s	？	はい	6.8％c
n + 6 Li	⇒	T + 4 He
n + 7 Li	⇒	T + 4 He + n
p + p + p + p	⇒	4彼	26.73 MeV	644.93 TJ / kg	0.001551 g / s	たくさん		11.7％c

反応列には、初期および最終反応生成物がリストされます。 MeV /反応列は、MeVでの1つの反応の結果として放出されるエネルギー量を示します。 列TJ / kgは、燃料1キログラムを燃焼した結果として放出されるエネルギーのテラジュール（10 ¹² ）を示しています。 比較のために、1キロトンのTNT≈4.1840 TJ。 1 TWの燃焼は、1 TWの熱エネルギーを得るために毎秒燃焼する必要がある燃料のグラム数を示します。 列KLは、この反応のローソン基準を示しています。 中性子がなければ、反応が中性子を生成するかどうかを示します。 中性子が反応に現れなくても、副反応の結果として中性子が形成される可能性があることに注意してください。 また、 排気列は、燃焼生成物の呼気の理論上の最大速度を光の速度の割合として示しています。 反応中に受け取ったエネルギーはすべて、反応生成物の運動の運動エネルギーに変換されると想定されています。



熱核反応は非常に多くありますが、ロケットエンジンのエネルギー源としての使用に適しているのはごく少数です。 制限についてはこちらをご覧ください 。 すべての候補の中で、反応の開始と維持の難しさを判断するために使用できるローソン基準が低い反応は、最も簡単に使用できます。 反応が荷電粒子のみを生成する場合、これは大きなプラスと見なすことができます。これは、熱の形の媒介なしに、それらを直接電気に変換することが可能になるためです。



また、反応は中性子を生成しないことが望ましいのは、それらが危険な放射線であるだけでなく、建設材料を弱め、 エンジン部品を放射性元素に変換 する傾向があるためです。 もちろん、中性子を使用してトリチウムを生成する必要がない限り。



D + ³ He反応は、ロケットエンジンでの使用に特に興味深いものです。これは、その製品が荷電粒子のみであるため、磁気ノズルを使用して直接制御できるためです。



この表から、宇宙や地球での使用に有望なさまざまな反応があることがわかります。 D + D反応には2つの可能な結果があり、それに応じてテーブル内の2つの行があることに注意してください。 各結果の確率は50％です。 リチウムとの2つの反応はエネルギーを生成せず、上記のようにトリチウムを生成するために使用されます。



ローソン検定で示されているように、 DT反応は比較的簡単に開始できますが、半減期が短いトリチウムを消費します。 水素ホウ素反応（プロトンはイオン化された水素原子）には、中性子を生成しないという利点がありますが、発火するのは非常に困難です。 ヘリウム3 +ヘリウム3も中性子を含みませんが、ヘリウム3は採掘するのが困難です。 どうやらこのため、この反応のローソン基準に関する情報は見つかりませんでした。



陽子-陽子反応は太陽で起こります。 問題は、テーブル全体からの最大のローソン基準です。 4つのプロトンを結合させることはほとんど不可能です。既存のスターを使用してエネルギーを取得する方が簡単です。



リチウムとの2つの反応はエネルギーを生成せず、通常トリチウムの生成に使用されます。

核融合ロケットエンジン

Fusion Driven RocketのMission Design Architectureの出版物に基づいています。 Pancotti、A.、Slough、J. Kirtley、D. et al。 AIAA共同推進会議（2012） 。

はじめに

この記事では、一見、熱核エネルギーを使用して高速有人宇宙飛行を実行する別の方法について説明します。 ほとんどの場合、次の2つの理由により、このパスでの以前の取り組みは失敗しました。 まず、核融合炉の設計に基づいていました。 原子炉で使用されるアプローチの直接的な適用は、巨大な質量を持つシステムとエネルギー除去の問題につながります。 最もコンパクトなTOKMAKコンセプトである球形トーラスの詳細な分析により、船の質量は約4,000トン出ました。 化学ロケットを使用して低基準軌道に打ち上げるための最大質量は200トンを超えてはなりません。



2番目の理由は、実際、以前のすべての推進システムでは、大部分が荷電粒子を生成する複雑な反応が必要であったことです。 これは、中性子によるエネルギー損失を減らすために必要でした。 最も有望なのはD- ³ HeとP- ¹¹ Bでした。しかし、これらの反応ははるかに高いプラズマ温度を必要とし、DT合成よりもはるかに困難でした。 しかし、収益性が低いため、燃焼を維持するために膨大なエネルギーを必要とし、代替の核分裂反応よりもはるかに優れたものにはなりません。



宇宙推進システムで熱核エネルギーを使用する方法に関する過去の考えを再考する必要があります。 化学ロケットエンジンにそのような利点を与えるものを見てみましょう。 主な理由は、燃焼の化学反応から得られるエネルギーは、必要に応じて大きくも小さくもできることです。 Atlasの大型ロケットの場合は13 GWから、車の場合は最大130 kWまで。 長時間の連続運転中に発生する可能性のある激しい熱放散や熱損傷の必要性を心配することなく温度を上げることができるため、エネルギーが低いほど燃焼が効率的であることは注目に値します。



原子爆弾および水素爆弾のテストが示したように、核燃料の燃焼は同じアトラスよりもはるかに大きいエネルギーを生成する可能性があります。 問題は、宇宙ミッションに必要な特性を得るために核エネルギーの放出を制御する方法です：数メガワットのトーチ、低比重α



（〜1 kg / kW）、高比推力 Isp



（> 20,000 m / s）。 少なくとも核分裂の場合、自立反応を開始するには特定の臨界質量（臨界配置）が必要であるため、必要なエネルギースケールに縮小する可能性はありませんでした。 その結果、オリオンなどの核分裂反応を使用するプロジェクトでは、通常、数百万トンの推力が発生しました。これは、10 ⁷ kg以上の質量を持つ宇宙船にのみ適しています。



幸いなことに、熱核反応の規模ははるかに小さくなる可能性があり、磁気慣性核融合（Mango-Inertial Thermonuclear Fusion、MIF）などの方法は、宇宙推進システムに適したサイズの核物質から大量のエネルギーを生成できます。重量、パワー、コスト。

物理エンジン

このエンジンは、磁場を使用したFRCプラズモイド（ フィールド反転構成 ）の周りの金属箔の3次元爆縮 （爆風による圧縮）の原理に基づいています。 これは、高温や高圧など、合成を開始するために必要な条件を達成するために必要です。 反応を開始するこのアプローチは、一種の慣性合成です。 仕組みを大まかに理解するために、 慣性制御熱核融合 （慣性閉じ込め核融合-ICF）を見てみましょう。 ICF合成は、ミリメートルサイズの極低温燃料を使用した球形カプセルの3次元爆縮を使用して実現されます。 爆縮は、レーザービーム、電子、またはイオンの助けを借りてカプセル本体が加熱された後、カプセル本体が爆発的に蒸発するために発生します。 カプセルの加熱された外層は外側方向に爆発し、カプセル材料の残りの部分を内側に加速して圧縮する反作用力を生成します。 また、ターゲット内を移動する衝撃波が表示されます。 衝撃波の十分に強力なセットは、熱核反応が始まるように、中心部の燃料を圧縮および加熱できます。 この方法は、小さなカプセルの慣性が、すべての燃料が反応してG〜200以上の有用な収量を生成するのに十分な長さのプラズマを保持するのに十分であると想定しています（G =合成エネルギー/プラズマエネルギー）。 ICFアプローチは、一種のミニチュア核融合爆弾であるため、National Nuclear Security Administration（NNSA）によって何十年も追求されてきました。 サイズと重量が小さいため、カプセルの合成温度までの加熱はナノ秒以内に行う必要があります。 この問題に対する最も有望な解決策は、DT燃料を含むカプセルに焦点を合わせた一連の高出力パルスレーザーであることが判明しました。



リバモア国立研究所の国立点火施設 （NIF）は、熱核燃料カプセルのレーザー爆縮に関する実験を行っていますが、その試みはこれまでのところあまり成功していません。



ただし、宇宙で使用するには、他のアプローチが必要です。 これは、巨大なレーザーシステムの使用を放棄する必要があることを意味します。 重イオンと圧着金属シェルは、2つの最も有望な技術です。 方法に関係なく、圧縮は均一で、強力で、非常に正確に実行される必要があります。これは、大規模で高電圧で非常に高価なシステムにつながる可能性があります。 90年代半ばに、強力な磁場の存在がターゲットの熱伝達を大幅に抑制し、ターゲットを圧縮して合成を開始するために必要な爆縮力を低下させることがわかりました。 プラズマの熱エネルギーが消散するずっと前に、直接圧縮に金属シェルを使用できます。 そのため、境界の金属シェルのおかげで、熱核燃焼の時間を増やすことができます。 シェルは、爆発物と磁場を使用して圧縮できます。 磁化されたターゲットの周りのシェルの内破が完全に3次元である場合、最大1 MJのシェルの運動エネルギーで小規模にエネルギー増幅が得られることが示されました。



当時、実際にこれをすべて達成する方法は知られていない。 しかし、2000年に、十分に磁化されたターゲットプラズマに対して、 ρ⋅R > 0.1 /



2



（Rはターゲットの半径、ρはターゲットの密度）の制限がρ⋅R > 0.1 /



ない場合でも、熱核燃焼が開始できることが示されました。 B⋅R > 60 ⋅



（B-磁気誘導）の間、燃焼が可能になりました。 したがって、燃焼はICFよりもはるかに低い圧力で得られます。 宇宙での効果的な使用に必要な最後の要素は、高い固有のインパルスを維持しながら、放出されたエネルギーを推力に変換する方法のままです。





金属インサートによるFRCプラズモイドの誘導爆縮のプロセスの概略図。 （a）薄い金属フープは、ノズルののど部のプラズモイドを圧縮するような速度と方向で動き始めます。 ターゲットとして機能するFRCプラズモイドは、エンジン室で発射されます。 （b）FRCプラズモイドは、ノズルスロートに移動するときにチャンバーの壁との接触からの縦方向の磁場によって保持されます。 （c）ライナーセグメントがFRCプラズモイドを圧縮し、熱核反応を開始するための条件に達します。 （d）熱核反応から生じるアルファ粒子と中性子の影響下で、ライナーは蒸発し、発散磁場に沿って拡大するイオン化プラズマに変わります。 これは、逆起電力のおかげで電気を直接生成し、磁気ノズルからのプラズマの流出からの方向性のある牽引力につながります。



熱核反応を開始するための条件は、ターゲットのプラズマを高密度と温度に圧縮することを目的とした大規模な金属インサートの運動エネルギーにより、小規模で達成できることは明らかでした。 しかし、これを現実に変換するには、次の質問に答える必要がありました。

1. 巨大な磁気コイルなしでそれを行う方法は？
2. 効果的で再現可能にする方法は？
3. ターゲットとして使用される適切なプラズモイドを作成する方法は？
4. 核融合エネルギーを方向推力に変換する方法は？

これら4つの質問すべてに答える鍵は、 MSNWで最近実施された、熱核反応を得るためのFRCターゲット周辺の金属リングの磁気3次元圧縮の研究かもしれません。 これらの研究の論理的な継続は、これらの金属リングを使用して燃焼開始に必要な条件を達成するだけでなく、反動推力を直接生成する方法です。 最初の2つの質問に答えるには、高い設置効率と「スタンドオフ」、つまり、反応によって放出されるエネルギーから構造と燃料を保護する能力を実現する必要があります。 金属リングの収束運動は、インダクタンスを使用して達成できます。インダクタンスは、円筒形または円錐形のくさび形コイルの内面に沿って配置する必要があります。 これにより、効率とスタンドオフの両方の問題が解決されます。 金属インサートは、ターゲットから最大1メートルまで配置できます。 さらに、コイルは物理的および電気的に絶縁できます。 駆動効率は非常に高くなる可能性があります。これは、コイル内のコイルが単純な振動回路の誘導要素であるため、伝送されるエネルギーに比べて抵抗損失が非常に小さいためです。 ダイオードのアレイなどの単純な要素を使用しても、サイクルの前半の後にシェルがノズルから排出された後、ライナーに移動しない磁気エネルギーを充電器に戻すことができます。



金属リングの内側の磁場が最初は比較的小さいことを考慮しても、リングの内側への加速中に磁束の漏れが十分にあるため、圧縮のピーク時に、今でははるかに薄いリングの内側にロックされた縦方向の磁場は600 Tcに達することがあります。現在、このフィールドは、FRCを圧縮し、熱核反応を有意な有用な収率で開始するために必要なものよりもさらに多くなっています。



次の問題は、ターゲットとして使用するための磁化プラズマの作成でした。宇宙でシステムを使用するには、小さな設置質量が必要です。熱核反応を達成できる最小の質量を持ち、この場合に適用できる唯一の質量を持つシステムは、通常逆配置場（FRC）と呼ばれるコンパクトなトロイダルプラズモイドを使用します。閉じた磁力線でプラズマを使用する最大の利点は、その非常に高いβ



（プラズマ/磁気圧力比）およびその直接的な動きと圧縮が反応を開始する可能性。熱核反応炉のすべてのバージョンでは、FRCプラズモイドのみが線形ジオメトリを持ち、閉じた場のために制限されます。さらに、FRCは長距離を移動する能力と、合成を開始するために必要なサイズと密度への圧縮に耐える能力をすでに示しています。 FRCは、圧縮のピークで燃焼を開始するためのBRR比を満たす内部フィールドで既に作成されています。



ライナーの公称収束速度が3 km / sの場合、このデバイスに典型的な半径0.2 mのFRCは、67μsで完全に圧縮されます。これは、そのようなFRCの全寿命（〜1 ms）のほんの一部です。



4番目の質問に答えるために、熱核反応のエネルギーを推力に変換するかなり簡単なアプローチが開発されました。前述のように、プラズマを圧縮するために、誘導駆動を備えた薄い金属ライナーが使用されます。半径方向および縦方向の圧縮が完了すると、このインサートは厚い（r> 5 cm）シェルの形をとり、保護壁として機能し、熱核燃焼中の反応とプラズマのほとんどすべてのエネルギーを吸収します。その後、超高温に加熱されたイオン化金属は、磁気ノズルの発散磁場内で急速に膨張し始め、プラズマエネルギーを反応性推力に変換します。また、流れの圧縮により円錐コイルに誘導される逆起電力により電気を得ることが可能です。注目に値する使用済みエネルギーに対する反応のエネルギー収率が十分に高いため、太陽電池のエネルギーを使用してそれを維持することができます。

火星への飛行

次に、プレゼンテーション1とプレゼンテーション2のデータが取得されます。



宇宙飛行に関しては、主な指標はΔv- 速度の増分（m / sまたはkm / s）です。軌道操作を実行するときに、ある軌道から別の軌道に移動するために必要な「努力」の量の尺度です。宇宙船の場合、燃料供給、最大距離、最大速度などの概念はなく、Δvのみがあります。船の最大Δvは、すべての燃料を消費した後の速度の増分として表すことができます。「ミッション」は、それを完了するためにどのΔvが必要かによって特徴付けられることを知っておくことが重要です。たとえば、地球からの上昇、火星へのゴーマンの軌道と着陸には18 km / sの予算Δvが必要です。船にΔvミッション以上のマージンΔvがある場合、このミッションを完了することができます。



船のΔvを見つけるには、Tsiolkovskyの公式を使用できます。



ここで、

Vは最終的な（すべての燃料の生成後）航空機の速度（m / s）です。

Iはロケットエンジンの特定のインパルス（エンジンの推力と燃料の2番目の質量流量の比、ノズルからの作動流体の吐き出し速度、m / s）です。

M _1-航空機の初期質量（ペイロード+装置設計+燃料、kg）;

M ₂-航空機の最終質量（ペイロード+設計、kg）。



これから非常に重要な結論が導き出されますが、これは一見するとあまり明らかではないかもしれません。ミッションのΔvが特定のインパルス以下である場合、船の相対質量が大きくなり、より大きなペイロードを輸送することが可能になります。ただし、ミッションのΔvが特定のインパルスよりも大きい場合、相対質量は指数関数的に減少し始め、小さなペイロードを持つ燃料を備えた巨大なタンクになります。実際、まさにこのため、従来の化学エンジンを使用した惑星間飛行は非常に困難です。



火星への210日間のフライトを計画します。

火星への90日間のミッション（ΔV= 13.5 km / s）

目標：総重量比に対するペイロードの改善。

利点：

• 追加の輸送ミッションは不要
• 簡素化されたミッションアーキテクチャ
• 1つのミッションですべての株を持ち込む能力
• 低ミッションコスト
• 地球からの1回の打ち上げ後にミッションを開始する機能

火星への30日間のミッション（ΔV= 40.9 km / s）

目標：最速のミッション。

利点：

• 低リスク
• 最小限の放射線被ばく
• アポロ型ミッションアーキテクチャ
• 火星への定期的な訪問の鍵
• 深宇宙の征服に必要な技術の開発

パラメーター（200に等しい熱核反応の有用な収率）	90日間	30日間
排気電力（MW）	2.6	33
太陽光発電（kW）	27	350
特定のインパルス	5140	5140
比重（kg / kW）	4.3	0.38
初期質量（トン）	90	153
総重量に対するペイロード	65％	36％

NASA (Space Launch System, SLS) — -, 70 130 . 90- -.



.

,
	75 /
( )	50%
η t	90%
( 50 500)	0,28 0,41
	5
(G F =G F(calc.) /2)	2
,
( Design Reference Architecture 5.0)	61
•	31
•	16
•	14
( )	1 /
	200 /
(, , .)	10%
,
(, , , , )	6,6
	0,1
	0,2
	1,2
	1,8
	0,3
	1,8
(180 200 /)	1,5
	1,3
	0,2
	15
	61
	57
	133

研究計画から判断すると、パルス繰り返し率は0.1 Hzよりも高くなります。比インパルスが51400 m / sであり、作動流体の質量が1パルスあたり0.37 kgである場合、インパルスp = mv = 19018 kg・m / sを計算できます。運動量保存の法則によれば、船の速度はp / M = 19018/133000 = 0.14 m / s増加します。ノズル半径を1 mにすると、膨張するガスはt = r / v = 1/51400 = 0.00002 sの領域でそれを押します。したがって、加速度はa = dv / dt = 0.14 / 0.00002 = 7000 m / s ^{2の領域になり}ます。明らかに、ダイダロスのプロジェクトのようにショックアブソーバーが使用されるか、または勢いを滑らかにするための他の技術的ソリューションが使用されます。