Propulsie cu impulsuri nucleare catalizate de antimaterie - Antimatter-catalyzed nuclear pulse propulsion

Propulsia cu impulsuri nucleare catalizate de antimaterie (de asemenea, propulsia cu impulsuri nucleare catalizate cu antiproton ) este o variație a propulsiei cu impuls nuclear bazată pe injectarea de antimaterie într-o masă de combustibil nuclear pentru a iniția o reacție în lanț nuclear pentru propulsie atunci când combustibilul nu are în mod normal un masa critică .

Din punct de vedere tehnic, procesul nu este o reacție „catalizată” deoarece se consumă anti-protoni (antimateria) folosiți pentru a începe reacția; dacă ar fi prezente ca catalizator , particulele ar fi neschimbate prin proces și utilizate pentru a iniția reacții suplimentare. Deși particulele de antimaterie pot fi produse de reacția însăși, ele nu sunt utilizate pentru inițierea sau susținerea reacțiilor în lanț.

Descriere

Propulsia tipică cu impuls nuclear are dezavantajul că dimensiunea minimă a motorului este definită de dimensiunea minimă a bombelor nucleare utilizate pentru a crea împingere, care este o funcție a cantității de masă critică necesară pentru a iniția reacția. O convențional termonucleară bombă de design este format din două părți: primar , care se bazează aproape întotdeauna pe plutoniu , și un secundar folosind combustibil pentru fuziune, care este în mod normal de deuteriu în formă de litiu deuteriura și tritiu (care este creat în timpul reacției ca litiu este transmutat în tritiu). Există o dimensiune minimă pentru primar (aproximativ 10 kilograme pentru plutoniu-239) pentru a atinge masa critică. Dispozitivele mai puternice se măresc în primul rând prin adăugarea de combustibil de fuziune pentru secundar. Dintre cele două, combustibilul de fuziune este mult mai puțin costisitor și degajă mult mai puține produse radioactive, astfel încât, din punct de vedere al costurilor și al eficienței, bombele mai mari sunt mult mai eficiente. Cu toate acestea, utilizarea bombelor atât de mari pentru propulsia navelor spațiale necesită structuri mult mai mari capabile să facă față stresului. Există un compromis între cele două cereri.

Prin injectarea unei cantități mici de antimaterie într-o masă subcritică de combustibil (de obicei plutoniu sau uraniu ), fisiunea combustibilului poate fi forțată. Un anti-proton are o sarcină electrică negativă , la fel ca un electron , și poate fi captat în mod similar de un nucleu atomic încărcat pozitiv . Cu toate acestea, configurația inițială nu este stabilă și radiază energie ca raze gamma . În consecință, anti-protonul se deplasează din ce în ce mai aproape de nucleu până când quark-urile lor pot interacționa , moment în care anti-protonul și un proton sunt anihilate . Această reacție eliberează o cantitate extraordinară de energie, dintre care unele sunt eliberate sub formă de raze gamma, iar altele sunt transferate ca energie cinetică către nucleu, determinând divizarea acestuia (reacția de fisiune). Dusul rezultat de neutroni poate determina combustibilul din jur să sufere fisiune rapidă sau chiar fuziune nucleară .

Limita inferioară a dimensiunii dispozitivului este determinată de problemele de manipulare a anti-protonilor și de cerințele de reacție la fisiune, cum ar fi structura utilizată pentru a conține și direcționa explozia. Ca atare, spre deosebire fie de sistemul de propulsie de tip Project Orion , care necesită un număr mare de încărcături nucleare explozive, fie de diferitele acțiuni anti-materie, care necesită cantități imposibil de scumpe de antimaterie, propulsia cu impulsuri nucleare catalizate de antimaterie are avantaje intrinseci.

Un design conceptual al unui pachet de fizică explozivă termonucleară catalizată de antimaterie este unul în care masa primară de plutoniu necesară de obicei pentru aprinderea într-o explozie termonucleară convențională Teller-Ulam este înlocuită cu un microgram de antihidrogen. În această concepție teoretică, antimateria este răcită cu heliu și levitată magnetic în centrul dispozitivului, sub forma unei pelete cu o zecime de milimetru în diametru, o poziție analogă miezului primar de fisiune din tortul stratificat / design Sloika ). Deoarece antimateria trebuie să rămână departe de materia obișnuită până la momentul dorit al exploziei, peleta centrală trebuie izolată de sfera goală din jur de 100 de grame de combustibil termonuclear. În timpul și după comprimarea implozivă de către lentilele puternic explozive , combustibilul de fuziune intră în contact cu antihidrogenul. Reacțiile de anihilare, care ar începe imediat după distrugerea capcanei Penning , vor furniza energie pentru a începe fuziunea nucleară în combustibilul termonuclear. Dacă gradul de compresie ales este ridicat, se obține un dispozitiv cu efecte explozive / propulsive crescute și, dacă este scăzut, adică combustibilul nu are densitate mare, un număr considerabil de neutroni va scăpa de dispozitiv și un neutron forme de bombă . În ambele cazuri, efectul pulsului electromagnetic și căderea radioactivă sunt substanțial mai mici decât cele ale unei fisiuni convenționale sau ale unui dispozitiv Teller – Ulam cu același randament, aproximativ 1 kt.

Cantitatea necesară pentru dispozitivul termonuclear

Numărul de antiprotoni necesari pentru declanșarea unei explozii termonucleare a fost calculat în 2005 la 10 18 , ceea ce înseamnă cantități de micrograme de antihidrogen.

Reglarea performanței unui vehicul spațial este, de asemenea, posibilă. Eficiența rachetelor este puternic legată de masa masei de lucru utilizate, care în acest caz este combustibilul nuclear. Energia eliberată de o anumită masă de combustibil de fuziune este de câteva ori mai mare decât cea eliberată de aceeași masă a unui combustibil de fisiune. Pentru misiunile care necesită perioade scurte de forță mare, cum ar fi misiunile interplanetare cu echipaj, ar putea fi preferată microfisiunea pură, deoarece reduce numărul de elemente combustibile necesare. Pentru misiunile cu perioade mai lungi de eficiență mai mare, dar cu forță mai mică, cum ar fi sondele planetei exterioare, ar putea fi preferată o combinație de microfisiune și fuziune, deoarece ar reduce masa totală de combustibil.

Cercetare

Conceptul a fost inventat la Universitatea de Stat din Pennsylvania înainte de 1992. De atunci, mai multe grupuri au studiat în laborator motoarele de micro-fisiune / fuziune catalizate de antimaterie. S-au efectuat lucrări la Laboratorul Național Lawrence Livermore privind fuziunea inițiată de antiprotoni încă din 2004. Spre deosebire de masa mare, complexitatea și puterea de recirculare a driverelor convenționale pentru fuziunea de confinare inerțială (ICF), anihilarea antiprotonului oferă o energie specifică de 90 MJ / µg și astfel o formă unică de ambalare și livrare a energiei. În principiu, driverele antiprotoni ar putea oferi o reducere profundă a masei sistemului pentru propulsia spațială avansată de către ICF.

ICF bazat pe antiprotoni este un concept speculativ, iar manipularea antiprotonilor și precizia lor necesară pentru injecție - din punct de vedere temporal și spațial - vor prezenta provocări tehnice semnificative. Depozitarea și manipularea antiprotonilor cu consum redus de energie, în special sub formă de antihidrogen , este o știință încă de la început și ar fi necesară o creștere pe scară largă a producției de antiprotoni în ceea ce privește metodele actuale de aprovizionare pentru a începe un program serios de cercetare și dezvoltare pentru astfel de aplicații. .

Un record pentru stocarea antimateriei de puțin peste 1000 de secunde, efectuat în instalația CERN , în cursul anului 2011, a fost la momentul respectiv un salt monumental de la scadențele de timp de milisecunde care anterior erau realizabile.

Producția totală de anti-protoni la nivel mondial într-o perioadă de un an se încadrează în ng. Capcana anti-materie (versiunea Mark 1) de la Universitatea Penn State are capacitatea de stocare a 10 miliarde pe o perioadă de aproximativ 168 de ore. Proiectul Icarus a dat costul potențial estimat al producției a 1 miligram de anti-proton la 100 de miliarde de dolari.

Vezi si

Referințe

linkuri externe