Nuklearne napędy kosmiczne cz. 2

0

Pierwsza część artykułu poświęcona została tokamakom, będącym przykładem urządzeń do przeprowadzania kontrolowanej fuzji termojądrowej. Ze względu na ogromne gabaryty i, co się z tym wiąże, wagę, ich wykorzystanie jako napędów statków kosmicznych wydaje się nie być najlepszym z możliwych rozwiązań. Jakie są alternatywy? Jakie rozwiązania byłyby bardziej dostosowane do warunków podróży międzygwiezdnych?

{jathumbnail off}

Jedną z odpowiedzi na powyższe pytania mogą okazać się lasery, a konkretniej ich wykorzystanie do zainicjowania fuzji termojądrowej. W przypadku tokamaków mowa była o magnetycznym uwięzieniu plazmy. Inną możliwością jest uwięzienie inercyjne, które obecnie realizowane jest głównie z wykorzystaniem laserów o wielkiej mocy.

Ideą uwięzienia inercyjnego (ICF – inertial confinement fusion) jest gwałtowne sprężenie paliwa, aż do osiągnięcia odpowiedniej temperatury i gęstości plazmy. Przykładem takiego rozwiązania może być bomba wodorowa, w której reakcja inicjowana jest rozszczepieniem jąder ładunku inicjującego. Oczywistym jest jednak, że wykorzystanie takiego rozwiązania do generacji energii na Ziemi lub w napędach statków kosmicznych nie jest najlepszym rozwiązaniem. Już na początku lat siedemdziesiątych zaproponowano inny pomysł – wykorzystanie laserów dużej mocy do impulsowego naświetlania tarczy deuterowo-trytowej, tj. niewielkiej sferycznej porcji paliwa.

Teoretycznie to rozwiązanie jest stosunkowo proste. Tarcza deuterowo-trytowa, umieszczona w komorze, naświetlana jest równomiernie ze wszystkich stron wiązkami lasera. Powoduje to rozgrzanie powierzchni tarczy, która eksploduje, odrzucając z wielką siłą resztę materiału (czyli wnętrze tarczy) do wewnątrz. Gdy paliwo znajdujące się wewnątrz tarczy zapada się, mikstura osiąga bardzo dużą gęstość. Dodatkowo powstają fale uderzeniowe, które rozchodzą się do wewnątrz i w centrum kulistej tarczy spotykają się z falami nadchodzącymi z naprzeciwka, co dodatkowo zwiększa gęstość i temperaturę punktu. Reakcja fuzji, rozchodząc się na zewnątrz, powoduje zapalenie plazmy w całej objętości tarczy.

Schemat działania fuzji opartej na inercyjnym uwięzieniu plazmy. Niebieskie strzałki oznaczają promienie lasera, pomarańczowe odrzut, a fioletowe transportowaną do wewnątrz energię cieplną.
1. Promienie lasera gwałtownie ogrzewają powierzchnię tarczy, zamieniając ją w plazmę.
2. Następuje kompresja paliwa, wywołana odrzutem materiału z powierzchni tarczy.
3. Implozja tarczy powoduje osiągnięcie bardzo dużej gęstości materiału.
4. Następuje zapłon plazmy.

W praktyce pojawia się jednak kilka problemów, które trzeba rozwiązać. Po pierwsze, ważne jest, aby tarcza została oświetlona w sposób równomierny. Po drugie, bardzo istotna jest moc lasera. Musi ona być wystarczająca, aby odpowiednio szybko ogrzać paliwo. Trzecim problemem okazuje się niestabilność plazmy.

Ogólnie rzecz biorąc w systemach ICF wykorzystywane są pojedyncze lasery, których światło jest rozszczepiane na wiele wiązek. Wiązki te są indywidualnie wzmacniane i opóźniane, aby możliwe było oświetlenie tarczy równomiernie i równocześnie (z dokładnością do pikosekund) ze wszystkich stron.

Badania nad ICF są przeprowadzane od lat siedemdziesiątych w Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) w Livermore w Kalifornii. Pierwszy z wybudowanych tam laserów powstał w roku 1977 i nazywał się Shiva. Miał 20 ramion (stąd nazwa) i wysyłał w impulsie trwającym około 1 ns energię rzędu 10 kJ. Jego następcą był laser Nova, wybudowany w 1984 roku. Stworzony z założeniem doprowadzenia do zapłonu plazmy, nigdy nie osiągnął tego celu, pozwolił jednak na zebranie wielu bardzo istotnych danych eksperymentalnych (w tym na określenie głównego problemu w osiągnięciu zapłonu jako na wynikającego z niestabilności plazmy). W 2009 w LLNL powstało National Ignition Facility (NIF), na chwilę obecną największe i najbardziej energetyczne urządzenie ICF na świecie. Pojedynczy wysyłany z jego lasera impuls, trwający kilka pikosekund, niesie energię 4 MJ.

Łańcuch wzmacniaczy lasera Shiva / Credits: Wikipedia

Łańcuch wzmacniaczy lasera Shiva

Komora urządzenia Shiva / Credits: Wikipedia

Komora urządzenia Shiva

Trzecim ze wspomnianych wyżej problemów są niestabilności plazmy, czyli niestabilności Rayleigh-Taylora. Pojawiają się one w miejscu zetknięcia dwóch materiałów o różnej gęstości i powodują nierównomierne nagrzewanie się plazmy, utrudniając symetryczne sferycznie rozprzestrzenianie się reakcji. Silne niestabilności występowały w urządzeniu Nova, gdzie, ze względu na problem z utrzymaniem równomiernego natężenia we wszystkich ramionach, pastylka paliwowa była naświetlana nierównomiernie.

Rozwój niestabilności plazmy / Credits: Wikipedia

Rozwój niestabilności plazmy podczas kompresji tarczy deuterowo-trytowej w urządzeniu Nova

Po doświadczeniach z urządzeniem Nova opracowano dwie podstawowe metody stabilizacji plazmy: indirect drive i fast ignition. Aby je w pełni wytłumaczyć, warto najpierw przybliżyć budowę urządzenia NIF. Wykorzystywane są w jego przypadku 192 wiązki, indywidualnie wzmacniane i opóźniane. Doprowadzane są one do komory, w której umieszczana jest tarcza w specjalnej wnęce próżniowej, zwanej z niemieckiego hohlraum. To właśnie hohlraum pozwala na zastosowanie metody bezpośredniej kompresji, czyli indirect drive.

Hohlraum / Credits: Wikipedia

Hohlraum

Tarcza deuterowo-trytowa / Credits: Wikipedia

Tarcza deuterowo-trytowa

Robotnik w komorze NIF / Credits: NIF

Robotnik w komorze NIF

Na powyższych zdjęciach można zaobserwować różnicę w skali pomiędzy komorą a hohlraumem i tarczą. Kapsułka paliwowa w NIF ma 2 mm średnicy. Jest ona schładzana do 18 stopni Kelwina i pokrywana warstwą stałego paliwa deuterowo-trytowego (wewnątrz znajduje się gaz D-T, a pomiędzy warstwa berylu lub plastiku). W przypadku metody indirect drive, laser nie ogrzewa bezpośrednio tarczy, tylko hohlraum, który z kolei reemituje energię w postaci promieniowania X, dużo bardziej równomiernie rozprowadzanego niż oryginalne wiązki laserowe.

Innym sposobem unikania niestabilności plazmy jest wykorzystanie metody szybkiego zapłonu, tj. fast ignition, która ma być wykorzystywana między innymi przez europejski projekt HIPER. W metodzie tej fazy kompresji i ogrzewania plazmy są rozdzielone. Tarcza paliwowa, z doprowadzonym do jej wnętrza złotym stożkiem, jest kompresowana przy wykorzystaniu podstawowego lasera (o dużo mniejszej mocy niż w przypadku metody klasycznej). Drugi laser, odpowiedzialny za dostarczenie krótkiego, bardzo silnego impulsu do wnętrza stożka, odpowiada za doprowadzenie do zapłonu plazmy.

Napęd nuklearny a podróż do gwiazd

Urządzenia ICF są z założenia mniejsze i lżejsze niż tokamaki, a naukowcy podejrzewają, że ich miniaturyzacja będzie również postępować szybciej. Szacuje się, że statek kosmiczny zdolny do podróży międzygwiezdnych oparty na ICF ważyłby około 500 ton (wliczając paliwo). Napęd ten został zasugerowany w projekcie Daedalus British Interplanetary Society i jest bardzo prawdopodobnym, że zostanie on również zasugerowany w projekcie Icarus. Projekty te, zarówno Daedalus z lat siedemdziesiątych, jak i rozpoczęty w 2009 pięcioletni Icarus, mają na celu wykonanie teoretycznego studium statku kosmicznego zdolnego do podróży międzygwiezdnych.

Dla napędu opartego na ICF szacuje się impuls właściwy (stosunek ciągu do masy zużytego paliwa) na miliony sekund. Tylko przy takich wartościach można mówić o realnych czasach podróży międzygwiezdnych – dla takiego impulsu właściwego możliwe są prędkości rzędu dziesięciu tysięcy kilometrów na sekundę. Dla porównania maksymalny teoretyczny impuls właściwy dla silnika chemicznego wynosi ok. 500 sekund, a dla napędu jonowego – rzędu tysięcy sekund.

Kolejnym istotnym parametrem przy wykorzystaniu napędu opartego na ICF do podróży międzygwiezdnych jest ilość detonacji kapsułek paliwowych na sekundę. Projekt Daedalus mówił o 250 detonacjach na sekundę, co wydaje się być ogromną liczbą. Założeniem projektu Icarus jest osiągnięcie 10-50 detonacji na sekundę.

Oprócz wspomnianych powyżej usprawnień technologicznych należy się jeszcze zastanowić nad paliwem, które ma być wykorzystywane. W warunkach ziemskich zazwyczaj rozważa się mieszankę deuter-tryt. Niestety fuzja trytu produkuje duże ilości neutronów, co sprawia, że reaktor staje się radioaktywny. Jako że neutrony nie mają ładunku elektrycznego, nie mogą zostać skierowane do wylotu za pomocą pola magnetycznego (co zapewniłoby dodatkowy ciąg). Alternatywą jest reakcja pomiędzy deuterem a helem-3, która jest bardziej wydajna, produkuje więcej energii i mniej neutronów. Jej wynikiem jest natomiast duża ilość protonów, które mogą zostać skierowane do wylotu za pomocą pola magnetycznego, zmniejszając promieniowanie reaktora i zwiększając ciąg. Niestety hel-3 nie występuje na Ziemi. Można go natomiast znaleźć w atmosferach gazowych olbrzymów i na powierzchni Księżyca. Można więc powiedzieć, że aby w pełni wykorzystać możliwości, jakie dają napędy kosmiczne, musimy i tak najpierw stać się cywilizacją kosmiczną.

Jak więc widać, jest jeszcze wiele kwestii, które muszą zostać rozwiązane nim polecimy do gwiazd statkami wyposażonymi w napędy nuklearne, takich jak chociażby doprowadzenie do zapłonu plazmy w warunkach ziemskich. Jak mówi stare przysłowie: tam gdzie jest chęć, jest sposób. A chęci na pewno są, o czym świadczą 100 Year Starship Symposium czy projekt Icarus. Jeśli znajdą się również odpowiednie środki finansowe na badania, być może w ciągu najbliższych stu lat uda nam się polecieć do gwiazd.

(NIF, HIPER, Icarus)

Share.

Comments are closed.