Низкогравитационные импульсные термоядерные реакторы

Придумываю эпик на несколько тысяч лет истории — от аквапанка бронзового века до времён, приближающихся к цивилизации третьего типа по Кардашёву. Технологический спидран во всей его красе. Но, как и в игровом прохождении, периодически находятся лучшие методы, так и некоторые технологии оказываются недостаточно хороши для нужной скорости истории.

Вот одна из них.

Для Марса и пояса Койпера одним из немногих традиционных вариантов остаётся пока еще ожидаемая термоядерная энергетика. Луна и Меркурий получают огромное количество солнечной энергии. На Венере потенциально можно использовать ветряки для плотной атмосферы. Марс в отношении энергетики заметно хуже. Солнечный свет слабее и страдает от пыли, а ветряк при разреженной атмосфере не эффективен.

Описанную здесь импульсную термоядерную схему я придумывал для энергоснабжения Цереры. Точных аналогичных схем электростанций при поверхностном поиске я не нашел, так что возможна новизна.

Устаревшая новизна. Другие новые идеи снизили интерес к Церере и вообще к традиционной колонизации Солнечной системы у меня значительно сократился. Основной фокус сместился на Меркурий и его огромную соляризацию. Марс и Церера стали второстепенными.

Тем не менее, на мой взгляд, сама идея заслуживает внимания. Если по каким-либо причинам существует избыток атомных или термоядерных зарядов, то их можно рассматривать как источник энергии — особенно для удалённых космических баз, где мало альтернатив.

Конструкции могут показаться не самыми практичными. Те, что я ищу предназначены для фантастики пусть и относящиеся к твердой НФ, но при этом они должны нести элементы шоу, быть яркими, огромными, монументальными и заковыристыми. Типа огромных каменных искусственных спутников, глубоководных деревьев, полей лунных вентиляторов и самое большое пока по размеру — проект космической магистрали Сириус-Солнце на 100 лет пути.

Сами реакторы, хотя и предназначены для фантастики, как мне кажется вполне реализуемы в реальном мире.

Историческая справка и общие мысли.

Конструкция имеет исторические корни. Это различные проекты подземного взрыва ядерной или термоядерной бомбы с последующим использованием полученной энергии или для строительства. Попытки были и в США, и в СССР, когда от атома ждали многого.

Самый известный проект получения энергии — это Project PACER в США.

Идея изучавшаяся в Лос-Аламосе в период 1950-х до 70-х, состояла в том, чтобы взрывать ядерные заряды под землёй и превращать энергию взрывов в тепло для обычной электростанции. Водогрейка на максималке.

Проект выглядел как, полость порядка 300 м диаметром, заполненная водой и созданная, в соляном массиве. Предлагалось регулярно взрывать внутри полости заряды мощностью около 50 килотонн. Два взрыва в сутки. Тепло нагревало воду и подавалась на паровые турбины. Оценка электрической мощности примерно в 2 ГВт.

https://en.wikipedia.org/wiki/Project_PACER

В рамках программы Plowshare в 1961 году в целях изучения возможности извлечения тепла от подземного ядерного взрыва, проведен эксперимент Project Gnome. Ядерный заряд в 3 кт взорвали под землёй в соляной породе.

https://en.wikipedia.org/wiki/Project_Gnome_(nuclear_test)

Концепт подтвердился, но реальное осуществление столкнулось с инженерными сложностями и оказалось экономически не выгодно. Для постоянной работы требуются два ядерных заряда в день, больше 700 в год. Рабочая камера должна была переживать огромное число взрывов, а она и под своим весом и из-за поступления воды обваливалась.

Исследования 1970-х привели к выводу, что стоимость зарядов делает такую электроэнергию неконкурентоспособной. Финансирование PACER прекратили в 1975 году.

СССР примеры:

«Магистраль», Оренбургская область, 1970 год. Взрыв около 2,3 кт на глубине 700 м в соли создал каверну объёмом примерно 11 тыс. м³. После охлаждения была заполнена газом. Объект использовался около 18 лет.

«Вега», Астраханская область, 1980–1984 годы — самый крупный такой проект. Было произведено 15 подземных взрывов мощностью примерно 3,2–13,5 кт на глубинах около километра. Большинство полостей предназначалось для хранения газового конденсата и лёгких углеводородных фракций Астраханского газового комплекса. Из-за смещения соляного массива и проникновения воды, многие полости значительно уменьшились в объёме. В результате большая часть оказалась непригодной для первоначального назначения.

Ну коль им такое не нужно, то я с удовольствием подобрал такую, как я изначально представлял перспективную штучку для своей фантастики.

Первое, что делается, это меняется ядерный заряд на термоядерный. Это должно решить проблему экономики. Большой объем для удешевления единицы.

Цена трех мегатонного ядерного заряда пусть 7,5 миллионов долларов. При КПД в 30% и текущих ценах на электроэнергию в США, выход можно прикинуть в 45 миллионов долларов.

Мощность одного взрыва условно равного 3 Мгт, что соответствует примерно 12,6 ПДж тепловой энергии или 3,5 ТВт*ч тепла. При общем КПД преобразования порядка 30–35% один такой заряд теоретически содержит около 1–1,2 ТВт*ч электричества.

Получается достаточно лакомая цифра, которая на Земле, даже без учета разных политических вопросов, ломается об инженерию. Проблемы сооружения гигантской камеры, её восстановление, теплообменники и прочая инфраструктура.

Но если мы не на Земле всё получается гораздо радужнее. Почти нулевой вес сооружений, при гравитации значительно ниже земной. Чудо инженерной мысли, здание высотой в один километр на Земле, в другом мире, на Церере станет башней в 35 километров. Блок в тысячу тонн перемещается краном, который на Земле всего 28 тонн поднимает.

Гидростатическое давление многократно меньше при низкой гравитации. А оно тоже имеет большое значение. На Земле значительная часть энергии, при подводном взрыве, превращается в повторяющиеся ударные волны, разрушающие стенки.

У меня есть три варианта конструкции: сухая, мокрая и минимальная схемы.

Сухая схема импульсной термоядерной электростанции.

Сооружение представляет собой шар в 2 км диаметром. В центре термоядерный заряд мощностью в три мегатонны. Заряд окружен шаром льда в несколько десятков метров. Вся полость заполнена разряженным газом. На наружной поверхности шара теплообменники и прочая инфраструктура.

Шар льда вокруг заряда требуется для защиты оболочки камеры от радиационного нагрева. Когда радиационный удар приходится на на её внутреннюю поверхность, она расплавится. И тугоплавкость материала не спасёт. Радиационный нагрев происходит мгновенно, в толще материала, и тепло не успевает перераспределится. Происходит гарантированное разрушение. А слой льда вокруг заряда берет радиацию на себя и до оболочки доходит обычное излучение и повреждение камеры снижается.

Разряженный газ на протяжении километра также ослабляет ударную волну, в которую превратился ледяной шар. В вакууме эта волна тоже была бы причиной повреждения стенки камеры.

Процесс работы электростанции:

1. Подрыв заряда. За доли микросекунды выделяется энергия в виде рентгеновского излучения, нейтронов, гамма-излучения и горячей плазмы.

2. Ледяная оболочка принимает первый импульс. Лёд быстро плавится, испаряется и частично ионизуется. Радиационный импульс превращается в нагрев и расширение массы воды.

3. Расширение в рабочую среду. Горячий пар и плазма, тормозясь, взаимодействуют с разреженным газом камеры. Энергия распределяется по километру объёма. Резкий импульс в разряженном газе, превращается в более широкую волну давления.

4. Нагрев стенок. До стен камеры доходит электромагнитное излучение и ослабленный нейтронный поток, затем смесь горячего газа и пара. Материал конструкции нагревается, получив продленную, по сравнению с чистым взрывом, энергетическую нагрузку.

5. Отбор энергии. Стенки камеры становятся гигантским тепловым аккумулятором. Дальше традиционная водогрейка. Горячий газ или пар передаёт тепло, которое через теплообменники вращает турбины электрогенераторов.

6. Охлаждение и восстановление. Камера охлаждается. Пар конденсируется, рабочая среда очищается. Выравнивается давление. Камера подготавливается дронами к следующему импульсу. Загружается новый заряд.

Импульсная подача энергии, сопровождается стандартной логистической проблемой. Существует неравномерность и даже перерыв выработки электричества. Требуются разного рода аккумуляторы и ранжирование потребителей, для равномерного снабжения энергией.

Мокрая схема импульсной термоядерной электростанции.

Аналогично сухой схеме, представляет собой подземную импульсную электростанцию, использующую серию ядерных и термоядерных взрывов как источник тепла и дополнительно для самопостройки.

Камера размещается внутри предпочтительно ледяного массива. Она состоит из нижнего водяного резервуара приблизительно сферической формы и меньшей верхней ближе к цилиндрической теплообменной камеры.

Общая высота комплекса может достигать примерно 10–15 км, а объём воды соответственно десятков кубических километров.

Размеры различны для разной гравитации. При низкой гравитации вертикальные размеры значительно сокращаются. Так как парогазовый пузырь под действием меньшей выталкивающей Архимедовой силы проходит до теплообменной камеры меньшую дистанцию.

Термоядерный импульс происходит в нижней сферической части. Вода вокруг заряда мгновенно превращается в горячий пар и плазму. Формируется парогазовый пузырь огромных размеров. Первоначальная ударная волна распространяется в стороны, а пузырь расширяется и под действием силы плавучести начинает двигаться вверх.

В воде может находится некоторое количество ледяных глыб, мокрого снега, газовых пузырей. Они служат для разбиения ударной волны и уменьшения нагрузки на стенки.

Для работы установки требуется небольшая гравитация, способная вытолкнуть парогазовый пузырь благодаря Архимедовой силе вертикально в направлении зоны теплообменников. Если гравитация слишком мала, пузырь останется на месте взрыва и тепло медленно распространяющееся во все стороны и его сложнее собрать.

В верхней части камеры большая газовая зона. Она выполняет роль пневматического демпфера. В отличие от почти несжимаемой воды, газ способен сжаться и принять часть ударной волны снижая возможность повреждения оборудования.

Тут же располагается основная система теплообменников. Поднявшийся горячий пар, газ и перегретая вода передают им тепло, которое приводит в движение турбины и электрогенераторы.

Полость камеры может строиться постепенно. Сначала зарядами меньшей мощности создаётся небольшая начальная каверна. Энергия идет на плавление, дробление и перераспределение окружающего ледяного массива. По мере увеличения камеры энергия зарядов возрастает.

На раннем этапе значительная часть энергии является строительной, а после достижения проектного объёма камеры, почти вся полезная энергия направляется в теплообменную систему.

Главная экономическая особенность такой станции состоит в минимальном использовании привозных конструкционных материалов. Основную массу сооружения образуют местные лёд, вода и каменная порода.

Минимальная схема.

Самая простая схема выглядит примитивно. Тот же Project PACER для космоса.

Термоядерный заряд закапывается на достаточную глубину в подходящий массив породы и подрывается. В результате образуется высокотемпературная подземная полость с расплавленной и сильно нагретой породой. Благодаря огромной массе окружающего материала такая область может остывать очень медленно и сохранять значительный запас тепла в течение месяцев или даже лет.

После первоначального охлаждения, когда температура и состояние пород уже позволяют работать буровому оборудованию, к горячей области прокладываются скважины. Через них организуется циркуляция теплоносителя и строится фактически обычная геотермальная электростанция. Энергетическая инфраструктура, которая использует технологии, которые уже отработаны на Земле.

Повторим предыдущий случай взяв, заряд 3 Мгт и 12,6 ПДж энергии. Этого достаточно, чтобы небольшая база электрической мощностью около 100 МВт могла работать примерно год. Хотя реальный срок будет зависеть от тепловых потерь, окружающей породы и эффективности преобразования тепла в электричество в моей истории были взяты эти цифры.

По мере охлаждения полости доступная тепловая мощность постепенно уменьшается. Поэтому энергозатратные операции следует концентрировать в начале цикла, когда температура максимальна. Добыча и переработка сырья, строительство, производство топлива, зарядку накопителей энергии и другие крупные промышленные работы. Позднее база переходит в режим с меньшим потреблением энергии.

Когда температура резервуара падает слишком сильно, чтобы поддерживать и спокойный режим существования, подрывается следующий заряд. Повторные подрывы снова нагревают уже существующую область. Таким образом, система работает много циклов.

В моей фантастике — это удаленный наблюдательный форпост в межзвездном пространстве, с символическим для окружающего мира вооружением. Раз несколько лет, на объект прилетает грузовой корабль, с грузом расходников и обновлением вооружения. В том числе с некоторым количеством атомных зарядов. Старые заряды, в свою очередь утилизируются служа источником энергии.

На Земле пока не получилось, но условия на других небесных телах могут существенно отличаться. Более низкая гравитация уменьшает механические напряжения в крупных подземных полостях, другая геология может лучше подходить для сохранения горячей каверны, а развитие бурения, дистанционной робототехники и моделирования поведения пород позволяет значительно точнее управлять такой системой.

В результате простейшая импульсная станция, которую даже назвать термоядерным реактором кажется преувеличением — искусственно созданный геотермальный источник, перезаряжаемый термоядерными зарядами.

Радиоактивное заражение.

Луна и подобные тела — возможно локальное загрязнение. Атмосферы нет, поэтому нет движения и образования подвижного радиоактивного облака и обычного выпадения осадков. Выброшенное вещество движется по баллистическим траекториям и оседает. После осаждения оно никуда естественным образом не исчезает: нет дождя, рек или ветров. Его могут переносить техника и электростатически поднимаемая пыль, но из-за сравнительно небольшого срока полураспада обычных элементов не похоже что может создать проблему на фоне обычной космической радиацми. В любом случае совок на длинной палке, в мешок, в яму, огородить и забыть.

Церера — похоже на Луну, хотя слабая гравитация несколько меняет картину. Часть достаточно быстро выброшенного материала вообще может покинуть Цереру. Часть разлетится по длинным баллистическим траекториям. Поэтому загрязнение распространяется на большую площадь, но получается более разреженным. Но там явно будет мокрая схема. При глубокой установке в многокилометровом ледяном массиве радиоактивные вещества останутся запертыми в воде и льду.

Марс — самый неприятный вариант для утечки. Есть атмосфера и чрезвычайно подвижная пыль. Мелкие радиоактивные частицы могут переноситься ветром и повторно подниматься пылевыми бурями. Поэтому даже небольшая утечка способна превратиться из локальной проблемы в загрязнение большой территории.

Как считал я Марс самым проблемным для освоения, так даже здесь он вылез с не лучшей стороны.

Применимость.

Для малых астероидов мокрая схема сомнительна. Требуется наличие заметного количества воды. Слабая гравитация и небольшой размер затрудняют удержание воды, пара и механического импульса, а мощный взрыв может разрушить само тело астероида.

Сухая схема рабочая.

На крупных астероидах диаметром в сотни километров мокрая станция уже реалистична, особенно если объект богат льдом. Церера в близка к удобным параметрам. Она достаточно велика для гравитационного направления теплового движения пузыря в вертикальном направлении и содержит значительные запасы воды.

Для крупных объектов пояса Койпера условия даже лучше Цереры. Они богаты водяным льдом и другими летучими веществами и с большей гравитацией.

Земля не лучшее место для мокрой импульсной термоядерной станции. Без учета разнообразных причин, по которым импульсная термоядерная электростанция не будет разрешена, разумное инженерное решение не кажется осуществимым.

Огромное гидростатическое напряжение при большом давлении приведут, к многократной пульсации парового пузыря и сбросу энергии через ударные волны. Скорость подъема пузыря под действием выталкивающей силы, как это происходило при подводных ядерных испытаниях, может достигнуть почти ста метров в секунду и более. А с учетом объема пузыря, никакая вменяемая конструкция крышки-теплообменника не выдержит удара не разрушившись.

На Земле, сухая конструкция тоже очень сложна в исполнении. Требует решение из-за кратной силы тяжести и усилий для создания огромной разряженной полости. В общем если в инженерию я еще кое как могу поверить, то в экономику создания – нет.

На Марсе атмосфера несколько плотнее, чем требуется для сухой электростанции, но перепад давления не большой и удорожание сравнительно незначительное. Размер полости в 2 километра скорее достижим с учетом меньшей гравитации.

Для мокрой схемы требуется наличие большой зоны льда. И возможно гидростатические силы ограничат максимальный размер заряда, не уничтожающий рабочую камеры.

Для тел почти и без гравитации – сухая камера опять становится предпочтительнее.

Итоговая применимость импульсной термоядерной электростанции:

• Земля, Венера, гравитация и высокое окружающее давление создают проблемы сухой схеме, а гидростатическое давление воды делает почти невозможной мокрую.

• Марс — сухая схема скорее выгоднее. Есть ли вообще на планете достаточный слой льда для мокрого варианта?

• Луна — оба варианта возможны. В последнее время там находят даже следы крупных потоков воды, что дает надежду на лёд. Но там достаточно Солнца, чтобы с подобным заморачиваться.

• объекты пояса Койпера, Церера — мокрая схема предпочтительна из-за слабой гравитации и наличия большого количества льда.

• малые астероиды — снова сухая схема, потому что плавучесть почти исчезает и возникает вероятность разрушения объекта.

• На любых телах способных выдержать разрушающий импульс ударной волны скорее всего возможна минимальная схема с медленным отбором. Но все зависит от геологии.

Итог. Другой путь.

Хотя конструкция импульсного термоядерного реактора, может показаться огромной, необычной и даже полезной, она не взлетела для моей фантастики, кроме мелких баз с минимальной схемой. Лучшим направлением оказалась ветка развития через Меркурий с его гигантской соляризацией.

Трёхмегатонная установка — настоящее чудо сумрачной инженерной мысли, шар диаметром два километра — на Меркурии заменяется кругом солнечных концентраторов из жести диаметром два километра. Те же 12,6 ПДж тепловой энергии такой круг собирает примерно за пять земных суток, без расходуемых ядерных и термоядерных материалов. Затраты несопоставимы, и смысл городить весь этот огород во многом исчезает.

К концу века можно представить уже не отдельные поля концентраторов, а застроенный ими экваториальный пояс Меркурия, способный дать энергетику, на порядки превосходящую современную земную — вплоть до тысячекратного масштаба. И это только первый этап.

Если не замахиваться на Меркурий, можно взять Луну. Покрыть экваториальную область полосой солнечных концентраторов шириной около 500 км и передавать энергию на Землю микроволнами. В грубой оценке до Земли и орбиты может доходить порядка 0,5 ПДж/с — примерно 20–25 нынешних мировых энергосистем.

И здесь возникает вопрос: стоит ли вообще ждать, пока заработают все эти токамаки и стеллараторы? Даже если они заработают, это настолько сложные установки, что мне трудно представить их действительно массовое строительство.

Если направить сопоставимые ресурсы на развитие космической промышленности, солнечной энергетики и систем передачи энергии, можно получить энергетическое изобилие и существенно облегчить экологическую нагрузку на Землю.

Церера, которая первоначально должна была стать центром фантастической истории благодаря термоядерным технологиям и сорокакилометровым небоскрёбам, в итоге превратилась лишь в один из многих успешных, но второстепенных центров колонизации. Марс и Цереру затмило превращение Меркурия в промышленный и энергетический центр Солнечной системы — мир энергетических мегасистем и эксафабрик.

А я даже ник тогда на хабре выбрал из-за Церерской ветки развития. Не очень удачно. Но это уже другая история.

И анонс для следующего раза, самое начало истории от бронзы к звездам: "Аквапанк бронзового века, первый шаг".