Дилетантские вопросы по ядерному ракетному двигателю Зубрина:

[Татарин]

Andrey пишет: 
Если воду перевести в пар при 100 С надо 2.5 МДж/Кг.
Если добавить потом еще 2.5*3=7.5 МДж/Кг получим пар при температуре порядка 1500 С.
Удельный импульс даже до химии не дотянет.

Так ведь это энерговыделение в сверхкритичной зоне, а основное энерговыделение (в разы больше) - за ней.

[Валентин]

Принципиально тут то, что реактор достигает критичности на мгновенных нейтронах, и единственное, что его удерживает от неограниченного разгона - постоянный вынос нейтронов в сопло вместе с рабочим телом

К сожалению, никак не показано, что это возможно. Причем это и посчитать не так просто, насколько я знаю, ни в одном нейтронном коде нет "нейтронномассопереноса", т.е. теплоноситель считается замороженным по отношению к нейтронному полю, что впрочем для водо-водяных реакторов приемлимо, т.к. поток теплоносителя за время жизни поколения успевает сместиться на несколько мм.

В расчете Зубрина не учтены многочисленные реактивностные эффекты, которые могут порезать энерговыделение в закритичной области реактора. Наконец, не очень понятно мне, как после прохода критсечения (в газодинамическом смысле) энтальпия реактивного тела будет преобразоваться в направленное движение газа.


В целом может оказаться что зубринская конструкция не имеет рабочих точек в реальности, или имеет их при неприятных граничных условиях - ну например мощность насоса в пару гигаватт. 

[Andrey]

Татарин пишет:

Andrey пишет:
Если воду перевести в пар при 100 С надо 2.5 МДж/Кг.
Если добавить потом еще 2.5*3=7.5 МДж/Кг получим пар при температуре порядка 1500 С.
Удельный импульс даже до химии не дотянет.

Так ведь это энерговыделение в сверхкритичной зоне, а основное энерговыделение (в разы больше) - за ней.

Сверхкритическая зона жидкая, она может аккумулировать 2.5-3.5 МДж/Кг.
А нужно 1 ГДж/Кг.
То есть жидкая зона второстепенна, ее вклад доли процента.
Основное энерговыделение в паровой зоне.
А вот процессы в ней не рассматриваются.  
Критичность паровой зоны под большим вопросом.
Ведь температура там возросла сечение реакции деления сильно упало. 

[mr_gorsky]

Andrey пишет:
Сверхкритическая зона жидкая, она может аккумулировать 2.5-3.5 МДж/Кг.
А нужно 1 ГДж/Кг.
То есть жидкая зона второстепенна, ее вклад доли процента.
Основное энерговыделение в паровой зоне.
А вот процессы в ней не рассматриваются.
Критичность паровой зоны под большим вопросом.
Ведь температура там возросла сечение реакции деления сильно упало.

Тут стоит чуть уточнить. Жидкая зона никогда и не рассматривалась, как источник энергии, ее задача - быть источником потока медленных нейтронов в паровую зону. Паровая зона по понятным причинам сама не способна замедлять нейтроны. Допустим, что в части паровой зоны высокая плотность, но и высокая температура, и в нее из жидкой зоны летят медленные нейтроны. Поскольку ядра урана намного тяжелее нейтронов, их скорости при той же температуре много меньше, чем у нейтронов. Тогда скорость медленных нейтронов (пришедших из жидкой зоны) относительно ядер невелика. Значит, и сечение захвата существенно не уменьшится. Родившиеся в паровой зоне быстрые нейтроны в реакциях почти не участвуют - нечем замедлять. С другой стороны, часть быстрых нейтронов летит против течения, попадает в жидкую зону, там замедляется, и возвращается в паровую зону уже в виде медленных нейтронов. Если не учитывать последний процесс, можно считать паровую зону подкритической, с внешним источником нейтронов.

Вопрос в проверке сечений захвата (думаю, уже проверены при разработке ГфЯРД, там те же проблемы с сечением захвата), оценке плотности пара и плазмы, оценке потока нейтронов на границе между жидкостью и паром. Последнее можно оценить так: решение Зубрина для уравнения диффузии нейтронов действует в жидкой зоне, поток нейтронов пропорционален интенсивности реакций, а интенсивность реакций пропорциональна энерговыделению. Решение Зубрина определено с точностью до константы, интенсивность реакций определена с той же точностью. Ограничения на нее возникают из условий применимости модели жидкой зоны: энерговыделение на границе между жидкостью и паром не должно превышать определенной величины, иначе вода дожна закипеть не на этой границе, а левее. Затем по энерговыделению опять считается интенсивность реакций и поток нейтронов. Предельный поток нейтронов - важнейшая характеристика, по ней и можно оценить энерговыделение в плазме.

[Andrey]

mr_gorsky пишет:
Тут стоит чуть уточнить. Жидкая зона никогда и не рассматривалась, как источник энергии, ее задача - быть источником потока медленных нейтронов в паровую зону. Паровая зона по понятным причинам сама не способна замедлять нейтроны. Допустим, что в части паровой зоны высокая плотность, но и высокая температура, и в нее из жидкой зоны летят медленные нейтроны. Поскольку ядра урана намного тяжелее нейтронов, их скорости при той же температуре много меньше, чем у нейтронов. Тогда скорость медленных нейтронов (пришедших из жидкой зоны) относительно ядер невелика. Значит, и сечение захвата существенно не уменьшится. Родившиеся в паровой зоне быстрые нейтроны в реакциях почти не участвуют - нечем замедлять. С другой стороны, часть быстрых нейтронов летит против течения, попадает в жидкую зону, там замедляется, и возвращается в паровую зону уже в виде медленных нейтронов. Если не учитывать последний процесс, можно считать паровую зону подкритической, с внешним источником нейтронов.
Вопрос в проверке сечений захвата (думаю, уже проверены при разработке ГфЯРД, там те же проблемы с сечением захвата), оценке плотности пара и плазмы, оценке потока нейтронов на границе между жидкостью и паром. Последнее можно оценить так: решение Зубрина для уравнения диффузии нейтронов действует в жидкой зоне, поток нейтронов пропорционален интенсивности реакций, а интенсивность реакций пропорциональна энерговыделению. Решение Зубрина определено с точностью до константы, интенсивность реакций определена с той же точностью. Ограничения на нее возникают из условий применимости модели жидкой зоны: энерговыделение на границе между жидкостью и паром не должно превышать определенной величины, иначе вода дожна закипеть не на этой границе, а левее. Затем по энерговыделению опять считается интенсивность реакций и поток нейтронов. Предельный поток нейтронов - важнейшая характеристика, по ней и можно оценить энерговыделение в плазме.

Я бы согласился с подобными рассуждениями если бы тепловыделение в жидкой и паровой зоне было сравнимым, к примеру 1:1.
Но нам надо чтобы это отношение было 1:300.
Без критичной паровой зоны это не реально.

[Maks]

Cчитаю, что эта статья макулатура и обсуждать ее не нужно. В ней обсуждается некий физический процесс.
Для практических конструкций ракетного двигателя этот физический процесс не подходит. 

[mihalchuk]

Andrey пишет:

Я бы согласился с подобными рассуждениями если бы тепловыделение в жидкой и паровой зоне было сравнимым, к примеру 1:1.
Но нам надо чтобы это отношение было 1:300.
Без критичной паровой зоны это не реально.

Дмитрий пишет:
Cчитаю, что эта статья макулатура и обсуждать ее не нужно. В ней обсуждается некий физический процесс.
Для практических конструкций ракетного двигателя этот физический процесс не подходит.

Уровень статьи действительно не для практического воплощения, это только разминка интеллекта, не более.Меня тоже удивило, как автор надеется спровоцировать за критической зоной на порядки большее выделение энергии, чем в ней? Без ухищрений не обойтись. Например, можно подавлять сверхкритичность в трубе, используя поглотители нейтронов. Тогда за трубой на некотором расстоянии будет выполняться условие критичности и даже закритичности.

[Andrey]

mihalchuk пишет: 

Уровень статьи действительно не для практического воплощения, это только разминка интеллекта, не более.Меня тоже удивило, как автор надеется спровоцировать за критической зоной на порядки большее выделение энергии, чем в ней? Без ухищрений не обойтись. Например, можно подавлять сверхкритичность в трубе, используя поглотители нейтронов. Тогда за трубой на некотором расстоянии будет выполняться условие критичности и даже закритичности.

При том что соотношение тепловыделения в паровой фазе на порядки больше чем в жидкой, необходимости в критичности жидкой зоны вообще нет.
Почему Зубрин ее рассматривает?
Я думаю только потому что процессы в ней допускают аналитическое решение.
С достаточно маленькими затратами можно какой то результат.
А расчеты в паровой зоне, по видимому, только численные.
Результаты требуют больших затрат.

[mihalchuk]

Возможно, она необходима, как источник нейтронов?

[Andrey]

mihalchuk пишет:
Возможно, она необходима, как источник нейтронов?

А зачем нам источник нейтронов?

[mr_gorsky]

Andrey пишет:

mihalchuk пишет:

Уровень статьи действительно не для практического воплощения, это только разминка интеллекта, не более.Меня тоже удивило, как автор надеется спровоцировать за критической зоной на порядки большее выделение энергии, чем в ней? Без ухищрений не обойтись. Например, можно подавлять сверхкритичность в трубе, используя поглотители нейтронов. Тогда за трубой на некотором расстоянии будет выполняться условие критичности и даже закритичности.

При том что соотношение тепловыделения в паровой фазе на порядки больше чем в жидкой, необходимости в критичности жидкой зоны вообще нет.
Почему Зубрин ее рассматривает?
Я думаю только потому что процессы в ней допускают аналитическое решение.
С достаточно маленькими затратами можно какой то результат.
А расчеты в паровой зоне, по видимому, только численные.
Результаты требуют больших затрат.

За рубежом часто публикуют статьи, где идея не подтверждена или даже частично нарушает законы физики. Просто для возбуждения внимания. Авось кому-нибудь пригодится.

Но теме NSWP уже 25 лет, и за это время расчеты так и не были проведены.

До тех пор пока вода не выкипает, температуру нейтронов можно считать приближенно комнатной (меньше 100градусов), и согласиться с расчетом, но все что доказывается - что вода может выкипеть. Да и в эти расчеты очень сложно поверить, особенно в размеры трубки с раствором, который примерно такой же, как и свободный пробег тепловых нейтронов. Разве это уже не выходит из области применимости уравнения диффузии?

[Andrey]

mr_gorsky пишет: 
До тех пор пока вода не выкипает, температуру нейтронов можно считать приближенно комнатной (меньше 100градусов), и согласиться с расчетом, но все что доказывается - что вода может выкипеть. Да и в эти расчеты очень сложно поверить, особенно в размеры трубки с раствором, который примерно такой же, как и свободный пробег тепловых нейтронов. Разве это уже не выходит из области применимости уравнения диффузии?

Так-то да.
Вот тут пишут что минимальный диаметр критичности цилиндра 137 мм.
И это при отражателе из воды.
А у Зубрина диаметр 6 см и без отражателя.
 

[mr_gorsky]

Andrey пишет:

mr_gorsky пишет:
До тех пор пока вода не выкипает, температуру нейтронов можно считать приближенно комнатной (меньше 100градусов), и согласиться с расчетом, но все что доказывается - что вода может выкипеть. Да и в эти расчеты очень сложно поверить, особенно в размеры трубки с раствором, который примерно такой же, как и свободный пробег тепловых нейтронов. Разве это уже не выходит из области применимости уравнения диффузии?

Так-то да.
Вот тут пишут что минимальный диаметр критичности цилиндра 137 мм.
И это при отражателе из воды.
А у Зубрина диаметр 6 см и без отражателя.
 

В ответ на это Зубрин скажет, что такая ошибка не опровергает работоспособности идеи в целом, надо лишь увеличить хорошенько диаметр трубы. И обязательно добавит "надо бы сделать компьютерную модель".

Лучшее опровержение - расчет энерговыделения в реальной модели, где вода закипает - довольно сложен. Вангую, что тогда окажется, что NSWR работает немногим лучше, чем обычный кипятильник

[Andrey]

mr_gorsky пишет: 
В ответ на это Зубрин скажет, что такая ошибка не опровергает работоспособности идеи в целом, надо лишь увеличить хорошенько диаметр трубы. И обязательно добавит "надо бы сделать компьютерную модель".

Лучшее опровержение - расчет энерговыделения в реальной модели, где вода закипает - довольно сложен. Вангую, что тогда окажется, что NSWR работает немногим лучше, чем обычный кипятильник    

Ну это не мои проблемы.
Это проблемы Зубрина.
Это он, если верить википедии, занимался ядерной энергетикой.
И не знает таких вещей.
Я ядерной энергетикой не занимался, мои знания в этой области довольно поверхностны.
Пусть делает матмодель и считает.
Статья опубликована 25 лет назад.
За это время можно сделать матмодель и все посчитать. 
И наверняка кто нибудь это сделал.
Но блестящих результатов что то не видно.
По видимому там все тухло.

[mr_gorsky]

Andrey пишет:

mr_gorsky пишет:
В ответ на это Зубрин скажет, что такая ошибка не опровергает работоспособности идеи в целом, надо лишь увеличить хорошенько диаметр трубы. И обязательно добавит "надо бы сделать компьютерную модель".

Лучшее опровержение - расчет энерговыделения в реальной модели, где вода закипает - довольно сложен. Вангую, что тогда окажется, что NSWR работает немногим лучше, чем обычный кипятильник    

Ну это не мои проблемы.
Это проблемы Зубрина.
Это он, если верить википедии, занимался ядерной энергетикой.
И не знает таких вещей.
Я ядерной энергетикой не занимался, мои знания в этой области довольно поверхностны.
Пусть делает матмодель и считает.
Статья опубликована 25 лет назад.
За это время можно сделать матмодель и все посчитать.
И наверняка кто нибудь это сделал.
Но блестящих результатов что то не видно.
По видимому там все тухло.

Ну возможно, что 25 лет назад он и не занимался ядерной энергетикой))

[Andrey]

mr_gorsky пишет:
Ну возможно, что 25 лет назад он и не занимался ядерной энергетикой))

Из Википедии.

Роберт Зубрин (англ. Robert Zubrin; род. 19 апреля 1952) — американский инженер и публицист, основательМарсианского общества.
Окончил Рочестерский университет (1974), затем занимался ядерной энергетикой в Вашингтонском университете, защитил диссертацию. На протяжении многих лет работал в компании Martin Marietta, затем Lockheed Martin. Обладатель ряда патентов в области аэронавтики и астронавтики.

Да, он 40 лет назад занимался ядерной энергетикой.
Подзабыл малость. 

[mr_gorsky]

Andrey пишет:
Это проблемы Зубрина.
Это он, если верить википедии, занимался ядерной энергетикой.
И не знает таких вещей.

Поскольку Andrey со своими специфическими представлениями о физике уже сел в лужу в топике про ГфЯРД (http://novosti-kosmonavtiki.ru/forum/messages/forum13/topic15563/message1569618/#message156961    и не только там (http://novosti-kosmonavtiki.ru/forum/forum13/topic11392/?PAGEN_1=4 , здесь его переубеждала целая команда), предлагаю продолжить считать вопрос работоспособности двигателя Зубрина открытым.

Предлагается так рассматривать двигатель Зубрина. Есть две зоны - раствор солей урана и газофазная активная зона. Газофазная активная зона у Зубрина отражателями не окружена, иначе это ГфЯРД. Раствор солей урана - это внешний источник нейтронов. Нейтронный поток от него можно подсчитать по градиенту нейтронного поля в той же модели, что в статье Зубрина. Длина зоны с раствором и нейтронное поле в ней (оно определено с точностью до умножения на константу) определяются из двух вещей: 1) тепловыделение в растворе пропорционально интенсивности ядерных реакций, а значит, нейтронному полю 2) на конце зоны с раствором вода закипает.

Поскольку газофазную зону с конвекцией (это одновременно и выхлоп ракетного двигателя) вообще сложно рассчитать, посмотрим только на то, как справляется со своими обязанностями источник нейтронов.

У Зубрина в модели все нейтроны в растворе комнатной температуры, закипание же воды сильно уменьшает сечение захвата. Поэтому модель у Зубрина слишком грубая и не факт, что вообще такой раствор будет работать, как источник нейтронов.

[Татарин]

mr_gorsky пишет: 

У Зубрина в модели все нейтроны в растворе комнатной температуры, закипание же воды сильно уменьшает сечение захвата. Поэтому модель у Зубрина слишком грубая и не факт, что вообще такой раствор будет работать, как источник нейтронов.

Вот этот весь горький катаклизм, что мы здесь наблюдаем...

Кажется, что для запуска этой идеи нужно сделать большой шаг в сторону "обычных" ЯРД: 
а) разделить потоки топлива и замедлителя, перейдя к гетерогенной машине и пустив замедлитель со значительно бОльшей скоростью;
б) замедлителем взять нормальный советский жидкий водород;
в) в качестве топлива взять нормальный металлический уран-235 (или 233) в виде тонкой проволоки (которая тоже подаётся с большой скоростью, но медленнее, чем водород);

Это даст возможность иметь достаточно большое энерговыделение в "нейтронно-заготовительной" зоне и обеспечивать лучшее замедление поначалу. 
Эффективность замедлителя и высокая плотность топлива должна немного улучшить дело с критмассой и сократить расход урана.

[Andrey]

Татарин пишет:

Кажется, что для запуска этой идеи нужно сделать большой шаг в сторону "обычных" ЯРД:
а) разделить потоки топлива и замедлителя, перейдя к гетерогенной машине и пустив замедлитель со значительно бОльшей скоростью;
б) замедлителем взять нормальный советский жидкий водород;
в) в качестве топлива взять нормальный металлический уран-235 (или 233) в виде тонкой проволоки (которая тоже подаётся с большой скоростью, но медленнее, чем водород);

Это даст возможность иметь достаточно большое энерговыделение в "нейтронно-заготовительной" зоне и обеспечивать лучшее замедление поначалу.
Эффективность замедлителя и высокая плотность топлива должна немного улучшить дело с критмассой и сократить расход урана.

Давайте я это дело покритикую.
Раз все молчат.

Для начала рассмотрим это дело со стороны теплопередачи тепла от урана к водороду.
Причем рассмотрим два противоположных случая теплопередача хорошая и плохая.
1)   Теплопередача хорошая.
Водород по мере продвижения вдоль по оси греется.
Растет его температура и падает плотность.
И следовательно он становится плохим замедлителем нейтронов.
И говорить о накоплении нейтронов в нем не приходится.
Но зато мы получим большую температуру водорода, порядка температуре плавления урана.
2)   Второй случай. Теплопередача плохая.
 Водород не греется.
Он остается хорошим замедлителем во время движения по активной зоне и накапливает нейтроны.
Все тепло остается в уране.
Ну а когда уран расплавится, он перемешивается с водородом и греет его.
Уран имеет удельную теплоемкость более чем в сто раз меньше чем водород.
К тому же его расход должен быть меньше чем водорода.
Соответственно говорить о температуре водорода на выходе из активной зоны не приходится.
Но зато в нем накопится много нейтронов для тепловыделения в газовой зоне.

Не первый ни второй вариант не вдохновляют.
Попробуем с помощью усложнения исходной схемы совместить оба варианта.
3) Вариант.
Разделим поток водорода на два потока.
Один будет служить охладителем урана и будет горячим.
Второй замедлитель нейтронов будет холодный.
Между собой потоки разделим теплоизолирующими трубками.

Еще раз, более подробно.
Активная зона состоит из теплоизолирующих трубок вдоль оси.
Внутри трубок идет уран в виде проволоки и горячий водород.
Между трубок идет холодный водород, который замедляет нейтроны и накапливает их.
В конце активной зоны все три потока - горячий водород, холодный водород с нейтронами и расплавленный уран, перемешиваются.

Прикинем мощность тепловыделения после активной зоны с позиции баланса нейтронов.
В активной зоне на одно деление ядра урана выделяется 2,3 нейтрона.
1 нейтрон должен уйти на следующее деление, то есть подержание цепной реакции.
0,15 нейтрона уходит на образование урана-236 в активной зоне.
На вынос из активной зоны остается 1,15 нейтрона.
Вне активной зоны 1 нейтрон уйдет на деление и 0,15 на образование урана-236.
То есть простое соотношение: мощность вне активной зоны равна мощности активной зоны.
И это в идеальном случае, при отсутствии утечек нейтронов.
Это при условии что реактивность вне активной зоны нулевая.

 Вывод все эти ухищрения приведут всего лишь к удвоению мощности по сравнению с 1 вариантом.
По удельному импульсу увеличение будет максимум корень из двух.

Для большего увеличения мощности в газовой фазе нужно увеличивать ее критичность.
А это значит, что придут все "прелести" ГФЯРДов.
Их размеры, давления и прочее.

[mihalchuk]

Насколько я понимаю, заряженные осколки деления передают энергию окружающему веществу гораздо быстрее, чем нейтроны. Это значит, что обеспечить большую эффективность двигателя на холодных нейтронах не удастся. Чтобы идея рассматриваемого двигателя сработала, нужно, чтобы на выходе из трубы обеспечивались условия критичности на быстрых нейтронах, медленные могут играть только роль запала. Раствор в жидком виде можно поддерживать примерно до 500 К, и то, если получится. Задача - в конце трубы сделать критичность или надкритичность можно попытаться решить парой способов.
1. Расширение трубы.
2. Регулировка потока нейтронов - в конце трубы сделать стенки из хорошего отражателя, а в раствор добавить поглотитель нейтронов в сильно деградирующей концентрации.
И тогда можно попытаться рассчитать энерговыделение, исходя из того, что:
1) масса будет нагреваться и разлетаться;
2) по мере развития реакции поглотитель будет нейтрализовываться, и критическая зона - увеличиваться;
3) за время разлёта массы до докритического состояния должно пройти скалько-то циклов размножения нейтронов, которые и определят энергетический выход.