RU2115021C1

RU2115021C1 - Nuclear jet engine

Info

Publication number: RU2115021C1
Application number: RU93050680/25A
Authority: RU
Inventors: Л.А. Ирдынчеев; А.М. Малофеев; Э.П. Абрамов; О.А. Тихонов; ров А.П. Бухто; А.П. Бухтояров; Е.С. Фрид; В.Д. Ткачев
Original assignee: Открытое Акционерное Общество "Научно-Исследовательский Институт Стали"
Priority date: 1993-11-04
Filing date: 1993-11-04
Publication date: 1998-07-10

Abstract

FIELD: space engineering; rocketry and nuclear engineering. SUBSTANCE: nuclear jet engine has housing with moderator of neutrons embracing the fission chamber, solenoid for stabilization of plasma in fission chamber, plasmatron connected with fissible substance preheater, plasma accelerator and plasma conduit for delivery of fissible substance to fission chamber. One end of solenoid carries magnetic system, type magnetic plug holding the plasma of fissible substance and fission fragments. Fitted on other end of solenoid is magnetic system holding the plasma of fissible substance and admitting fission fragments to engine exit nozzle. Fission chamber may be made in form of half torus with two exit nozzles at the ends. Located in end areas are magnetic plugs which hold plasma of fissible substance and admit fission fragments through nozzles. EFFECT: enhanced efficiency. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к ракетной и ядерной технике, предназначено для освоения космического пространства и может быть использовано для получения электрической и тепловой энергии на космическом корабле. The invention relates to rocket and nuclear technology, is intended for space exploration and can be used to produce electric and thermal energy on a spaceship.

Общепринятым, традиционным способом создания реактивной тяги является химическая реакция горения, продукты которой выбрасываются из сопла реактивного, двигателя. The generally accepted, traditional way of creating jet thrust is a chemical combustion reaction, the products of which are thrown out of the jet nozzle.

Двигатели, основанные на химической реакции имеют невысокую скорость выхода продуктов горения из сопла двигателя, составляющую около 1000 - 3000 м/с. Engines based on a chemical reaction have a low rate of exit of combustion products from the engine nozzle, amounting to about 1000 - 3000 m / s.

Кроме двигателей, использующих химическую реакцию горения, в настоящее время разрабатываются ядерные реактивные двигатели, например, двигатель по английскому патенту класса G 6 C N 1000050 от 29 августа 1962 г., принятый за прототип. In addition to engines using a chemical combustion reaction, nuclear jet engines are currently being developed, for example, an engine according to the English patent of class G 6 C N 1000050 of August 29, 1962, adopted as a prototype.

Конструкция такого двигателя состоит из корпуса, внутри которого размещен замедлитель нейтронов охватывающий камеру деления, соленоидов, расположенных вокруг корпуса и обеспечивающего самопроизвольное образование плазмы из газообразного делящегося материала и ее стабилизацию в камере деления и устройства, подающего разогретое делящееся вещество в активную зону реакторной камеры. Цилиндрическая реакторная камера может быть образована сваренными между собой трубками, по которым рабочее тело (например, жидкий водород) поступает в камеру деления в которой происходит его испарение и нагрев, после чего оно выбрасывается из сопла, создавая реактивную тягу. The design of such an engine consists of a casing, inside which a neutron moderator is placed covering the fission chamber, solenoids located around the casing and providing spontaneous formation of plasma from gaseous fissile material and its stabilization in the fission chamber and a device supplying the heated fissile material to the reactor core. The cylindrical reactor chamber can be formed by tubes welded together, through which the working fluid (for example, liquid hydrogen) enters the fission chamber in which it evaporates and heats up, after which it is ejected from the nozzle, creating reactive thrust.

Основным недостатком реактивных двигателей, использующих химическую реакцию горения топлива или разогрев рабочего тела с помощью ядерной реакции является относительно невысокая скорость истечения газов из сопла, которая не превышает десятка тысяч м/с, что приводит к необходимости размещения на ракете огромного запаса горючего, достигающего 90 и более % от массы снаряженной ракеты. The main disadvantage of jet engines using a chemical reaction of fuel combustion or heating of the working fluid using a nuclear reaction is the relatively low velocity of the outflow of gases from the nozzle, which does not exceed tens of thousands of m / s, which leads to the need to place a huge amount of fuel on the rocket, reaching 90 and more than% of the mass of the equipped rocket.

Цель изобретения - создание ядерного реактивного двигателя космического корабля, обеспечивающего решение задачи космических передвижений при первоначальной массе горючего, не превышающей 30% от полной массы корабля даже при самых отдаленных перемещениях в пределах солнечной системы. The purpose of the invention is the creation of a nuclear rocket engine of a spacecraft, providing a solution to the problem of space movements with an initial mass of fuel not exceeding 30% of the total mass of the ship, even with the most distant movements within the solar system.

Это достигается за счет того, что в качестве рабочего тела, выбрасываемого через сопло и создающего реактивную тягу, используются высокоэнергетические ядра-осколки, получающиеся в результате цепной реакции деления ядер делящегося топлива и имеющие скорость около 1,2•10⁷ м/с. Возможность использования продуктов деления в качестве рабочего тела стала возможной благодаря тому, что в камере деления цепная ядерная реакция деления осуществлена на разреженном газообразном ядерном топливе плотность которого такова, что продукты деления практически без потери своей кинетической энергии покидают камеру деления и выходят из сопла двигателя. Более подробное рассмотрение процессов, которые протекают в предлагаемом ядерном реактивном двигателе изложены в заявке НИИСтали (исх. N 7/2-86 от 23.09.93) под названием "Способ создания реактивной тяги ядерного реактивного двигателя".This is achieved due to the fact that the high-energy fragment nuclei obtained as a result of the chain reaction of fissioning fissile fuel nuclei and having a speed of about 1.2 • 10 ⁷ m / s are used as the working fluid ejected through the nozzle and creating jet thrust. The possibility of using fission products as a working fluid became possible due to the fact that in the fission chamber the nuclear fission chain reaction was carried out on a rarefied gaseous nuclear fuel whose density is such that the fission products leave the fission chamber almost without loss of their kinetic energy and exit the engine nozzle. A more detailed discussion of the processes that occur in the proposed nuclear rocket engine is set forth in the NIIStali application (outd. N 7 / 2-86 of 09/23/93) entitled "Method for creating a jet thrust of a nuclear rocket engine".

Конструктивно ядерный реактивный двигатель состоит из корпуса, внутри которого размещен замедлитель нейтронов, охватывающий камеру деления, соленоида стабилизации плазмы в камере деления, устройства подачи делящегося вещества в камеру деления, которое содержит плазмотрон, соединенный с подогревателем делящегося вещества и ускорителем плазмы, плазмовода, установленного на выходе ускорителя плазмы и соединенного с камерой деления. При этом на одном конце соленоида стабилизации плазмы установлена магнитная система обеспечивающая конфигурацию магнитного поля в виде магнитной пробки, которая удерживает плазмы делящегося вещества и осколков деления, а на другом - магнитная система обеспечивающая удержание плазмы делящегося вещества и пропускание осколков деления к выходу через сопло. Structurally, a nuclear jet engine consists of a housing inside which a neutron moderator is placed, covering the fission chamber, a plasma stabilization solenoid in the fission chamber, a device for supplying fissile material to the fission chamber, which contains a plasma torch connected to a fissile material heater and a plasma accelerator, a plasma duct mounted on the output of the plasma accelerator and connected to the fission chamber. At the same time, a magnetic system is installed at one end of the plasma stabilization solenoid, which ensures the configuration of the magnetic field in the form of a magnetic plug, which holds the plasma of fissile matter and fission fragments, and at the other end, a magnetic system that holds the plasma of fissile matter and passes fission fragments to the exit through the nozzle.

Камера деления может быть выполнена в форме половины тора, при этом средство для создания реактивной тяги включает два сопла, размещенных на торцах половины тора, причем в торцевых областях камеры деления установлены магнитные системы, обеспечивающие конфигурацию магнитного поля в виде магнитной пробки, обеспечивающей удержание плазмы делящегося вещества и пропускание осколков деления создающих реактивную тягу. The fission chamber can be made in the form of a half torus, while the means for creating reactive thrust includes two nozzles located at the ends of the half of the torus, and magnetic systems are installed in the end regions of the fission chamber, providing a magnetic field configuration in the form of a magnetic tube, which ensures fission plasma retention substances and the transmission of fission fragments creating reactive thrust.

На фиг. 1 изображена схема однопоточного; на фиг. 2 - схема двухпоточного ядерного двигателя. In FIG. 1 shows a single-flow diagram; in FIG. 2 is a diagram of a dual-stream nuclear engine.

Схемы включают подогреватель 1, плазмотрон 2, ускоритель плазмы 3, плазмовод 4, камеру деления реактора 5, замедлитель нейтронов 6, корпус двигателя 7, соленоид стабилизации плазмы 8, сопло 9, концевой магнит 10, пропускающий осколки деления высокой энергии и запирающий выход для плазмы из делящегося вещества и магнитную пробку 11, которая является "непрозрачной" как для плазмы, так и для осколков деления высокой энергии. The schemes include a heater 1, a plasma torch 2, a plasma accelerator 3, a plasma duct 4, a reactor fission chamber 5, a neutron moderator 6, an engine casing 7, a plasma stabilization solenoid 8, a nozzle 9, an end magnet 10 passing through high-energy fission fragments and a locking exit for plasma from fissile material and magnetic plug 11, which is "opaque" for both plasma and high-energy fission fragments.

Делящийся материал, используемый в качестве ядерного горючего, может быть загружен на ракету или получен в камере трансмутации на борту ракеты из нерадиоактивных изотопов урана или тория. Fissile material used as nuclear fuel can be loaded onto a rocket or obtained in a transmutation chamber aboard a rocket from non-radioactive isotopes of uranium or thorium.

Ядерное горючее подогревается в подогревателе 1 и в плазмотроне 2 превращается в плазму, которая ускоряется в ускорителе плазмы 3 и по плазмоводу 4 поступает непосредственно в камеру деления 5 через конус потерь магнитной ловушки или после преобразования плазмы в атомарный пучек при ее подачи в камеру деления в любом другом месте. Камера деления окружена замедлителем 6, который замедляет быстрые нейтроны до тепловых энергий и направляет их в камеру деления где они взаимодействуют с плазмой из делящегося вещества вызывая цепную реакцию деления. В камере деления плазма из делящегося вещества удерживается магнитным полем соленоида 8. Торцевые области камеры деления реактора находятся под влиянием концевых магнитов 10 и 11. Магнит 11 является "пробкой" не выпускающей ионизированную плазму делящегося вещества и осколки деления из камеры деления, тогда как концевая магнитная пробка 10, удерживая плазму внутри камеры деления, является "прозрачной" для высокоэнергетических осколков деления. Продукты деления беспрепятственно выходят из камеры деления в выходное сопло двигателя 9, создавая реактивную тягу. Реактор может быть также выполнен в виде половины тора (фиг. 2), на концах которого установлены кольцевые магнитные пробки 10, запирающие плазму в камере деления 5 и свободно пропускающие осколки деления к выходным соплам 9, образуя два выходных потока истечения рабочего тела из двигателя. Сила тяги двигателя регулируется количеством поступающей плазмы в камеру деления. Nuclear fuel is heated in heater 1 and converted into plasma in plasma torch 2 and accelerated in plasma accelerator 3 and fed through plasma duct 4 directly to fission chamber 5 through the loss cone of the magnetic trap or after converting the plasma into an atomic beam when it is fed into the fission chamber in any another place. The fission chamber is surrounded by a moderator 6, which slows down fast neutrons to thermal energies and directs them to the fission chamber where they interact with the plasma from the fissile material causing a fission chain reaction. In the fission chamber, the plasma from the fissile material is held by the magnetic field of the solenoid 8. The end regions of the reactor fission chamber are influenced by the end magnets 10 and 11. Magnet 11 is a “tube” that does not release ionized plasma of fissile material and fission fragments from the fission chamber, while the terminal magnetic plug 10, holding the plasma inside the fission chamber, is “transparent” to high-energy fission fragments. The fission products freely exit the fission chamber into the output nozzle of the engine 9, creating a jet thrust. The reactor can also be made in the form of a half torus (Fig. 2), at the ends of which ring magnetic plugs 10 are installed, locking the plasma in the fission chamber 5 and freely passing fission fragments to the output nozzles 9, forming two output streams of the working fluid from the engine. The engine thrust force is controlled by the amount of incoming plasma into the fission chamber.

Эффективность предлагаемого двигателя можно оценить, предположив, что все осколки деления, выходящие из торцов магнитной ловушки, вносят 100% вклад в создание реактивной тяги. Тогда скорость ракеты после расходования 10% ее массы составит около 1300 км/с. Такая скорость позволит примерно в течение года осуществить полет к планете Плутон и вернуться обратно. При этом если исходная масса ракеты 50000 кг, то из этой массы 1300 кг (объемом менее 1 м³) будет приходиться на уран-238, которого хватит для того, чтобы ракета долетела до планеты Плутон и вернулась обратно на Землю. На начальном этапе движения мощность ядерного реактивного двигателя может быть равна 10 ГВт (3•10²⁰ дел/с), расход плутония -10 кг в сутки с последующим повышением мощности до 100 ГВт (расход - 100 кг в сутки), при этом ускорение ракеты массой 50000 кг составит ≈ 1% от ускорения силы тяжести на Земле.The efficiency of the proposed engine can be estimated by assuming that all fission fragments emerging from the ends of the magnetic trap make a 100% contribution to the creation of reactive thrust. Then the speed of the rocket after spending 10% of its mass will be about 1300 km / s. This speed will allow about a year to make a flight to the planet Pluto and return back. Moreover, if the initial mass of the rocket is 50,000 kg, then 1300 kg (with a volume of less than 1 m ³ ) will fall on uranium-238, which is enough for the rocket to reach the planet Pluto and return back to Earth. At the initial stage of the movement, the power of a nuclear jet engine can be 10 GW (3 • 10 ²⁰ div / s), plutonium consumption -10 kg per day, followed by an increase in power to 100 GW (consumption - 100 kg per day), with the acceleration of the rocket mass of 50,000 kg will be ≈ 1% of the acceleration of gravity on Earth.

При указанных значениях мощностей реактивного двигателя в теплоносителе от замедления быстрых нейтронов будет выделяться значительная энергия, составляющая около 300 МВт вначале и 3000 МВт при выходе двигателя на мощность 100 ГВт, которая может быть использована для получения тепловой и электрической энергии на борту космического корабля. At the indicated values of the jet engine power in the coolant from the deceleration of fast neutrons, significant energy will be released, amounting to about 300 MW at the beginning and 3000 MW when the engine reaches 100 GW, which can be used to obtain thermal and electric energy on board the spacecraft.

Claims

1. Ядерный реактивный двигатель, содержащий корпус, внутри которого размещен замедлитель нейтронов, охватывающий камеру деления, соленоид стабилизации плазмы в камере деления, сопло и устройство подачи разогретого делящегося вещества в камеру деления, отличающийся тем, что устройство подачи делящегося вещества в камеру деления содержит плазмотрон, соединенный с подогревателем делящегося вещества и ускорителем плазмы, и плазмовод, установленный на выходе ускорителя плазмы и соединенный с камерой деления, при этом на одном из концов соленоида стабилизации плазмы установлена магнитная система, создающая конфигурацию магнитного поля в виде магнитной пробки, обеспечивающая удержание плазмы делящегося вещества и осколков деления, а на другом - магнитная система, обеспечивающая удержание плазмы делящегося вещества и пропускание осколков деления к выходу через сопло. 1. A nuclear engine containing a housing inside which a neutron moderator is placed, covering the fission chamber, a plasma stabilization solenoid in the fission chamber, a nozzle and a device for supplying heated fissile material to the fission chamber, characterized in that the device for supplying fissile material to the fission chamber contains a plasma torch connected to a fissile material heater and a plasma accelerator, and a plasma duct installed at the output of the plasma accelerator and connected to the fission chamber, while at one end Noida plasma stabilizing magnetic system is installed, creating a magnetic field configuration with a magnetic plug, providing plasma confinement fissile material and fission fragments and on the other - a magnetic system providing plasma confinement fissile material fission fragments and passing through to the outlet nozzle.

2. Ядерный реактивный двигатель, содержащий корпус, внутри которого размещен замедлитель нейтронов, охватывающий камеру деления, соленоид стабилизации плазмы в камере деления, средство для создания реактивной тяги, отличающийся тем, что камера деления выполнена в форме половины тора, при этом средство для сохранения реактивной тяги включает два сопла, размещенных на торцах половины тора, причем в торцевых областях камеры деления установлены магнитные системы, обеспечивающие конфигурацию магнитного поля в виде магнитной пробки, обеспечивающей удержание плазмы делящегося вещества и пропускание осколков деления через сопла. 2. A nuclear engine containing a housing inside which a neutron moderator is placed, covering the fission chamber, a plasma stabilization solenoid in the fission chamber, means for creating reactive thrust, characterized in that the fission chamber is made in the form of a half torus, while the means for maintaining reactive the thrust includes two nozzles located at the ends of the half of the torus, moreover, magnetic systems are installed in the end regions of the division chamber, which ensure the magnetic field configuration in the form of a magnetic plug, vayuschey plasma confinement fissile material fission fragments and passing through the nozzle.