Ядерный импульсный двигатель, катализируемый антиматерией (также ядерный импульсный двигатель, катализируемый антипротонами ) — это разновидность ядерного импульсного двигателя, основанная на впрыскивании антиматерии в массу ядерного топлива для инициирования цепной ядерной реакции для движения, когда топливо обычно не имеет критической массы .
Технически, этот процесс не является «катализируемой» реакцией, поскольку антипротоны (антиматерия), используемые для начала реакции, расходуются; если бы они присутствовали в качестве катализатора, частицы не изменялись бы в процессе и использовались бы для инициирования дальнейших реакций. Хотя частицы антиматерии могут быть получены самой реакцией, они не используются для инициирования или поддержания цепных реакций. [1] [2]
Типичный ядерный импульсный двигатель имеет тот недостаток, что минимальный размер двигателя определяется минимальным размером ядерных бомб, используемых для создания тяги, что является функцией количества критической массы, необходимой для инициирования реакции. Обычная конструкция термоядерной бомбы состоит из двух частей: первичной , которая почти всегда основана на плутонии , и вторичной, использующей термоядерное топливо, которое обычно представляет собой дейтерий в форме дейтерида лития и тритий (который создается в ходе реакции, когда литий трансмутируется в тритий). Существует минимальный размер первичной части (около 10 килограммов для плутония-239) для достижения критической массы. Более мощные устройства увеличиваются в размерах в первую очередь за счет добавления термоядерного топлива для вторичной части. Из двух, термоядерное топливо намного дешевле и выделяет гораздо меньше радиоактивных продуктов, поэтому с точки зрения стоимости и эффективности более крупные бомбы намного эффективнее. Однако использование таких больших бомб для движения космических аппаратов требует гораздо более крупных структур, способных выдерживать нагрузку. Между этими двумя требованиями существует компромисс.
Впрыскивая небольшое количество антиматерии в субкритическую массу топлива (обычно плутония или урана ), можно вызвать деление топлива. Антипротон имеет отрицательный электрический заряд , как и электрон , и может быть захвачен аналогичным образом положительно заряженным атомным ядром . Однако начальная конфигурация нестабильна и излучает энергию в виде гамма-лучей . Как следствие, антипротон движется все ближе и ближе к ядру, пока их кварки не смогут взаимодействовать , после чего антипротон и протон оба аннигилируют . Эта реакция высвобождает огромное количество энергии, часть которой высвобождается в виде гамма-лучей, а часть передается в виде кинетической энергии ядру, заставляя его расщепляться (реакция деления). Образующийся ливень нейтронов может вызвать быстрое деление окружающего топлива или даже ядерный синтез .
Нижний предел размера устройства определяется проблемами обработки антипротонов и требованиями реакции деления, такими как структура, используемая для сдерживания и направления взрыва. Таким образом, в отличие от системы движения типа Project Orion , которая требует большого количества ядерных взрывных зарядов, или различных двигателей на антиматерии, которые требуют невероятно дорогого количества антиматерии, ядерный импульсный двигатель, катализируемый антиматерией, имеет внутренние преимущества. [3]
Концептуальный проект пакета физики термоядерного взрыва, катализируемого антиматерией, представляет собой проект, в котором первичная масса плутония, обычно необходимая для зажигания в обычном термоядерном взрыве Теллера-Улама , заменяется одним микрограммом антиводорода. В этом теоретическом проекте антиматерия охлаждается гелием и магнитно левитирует в центре устройства в форме гранулы диаметром в десятую часть миллиметра, положение, аналогичное первичному ядру деления в конструкции слоеного пирога/ Слойки . [4] [5] Поскольку антиматерия должна оставаться вдали от обычной материи до желаемого момента взрыва, центральная гранула должна быть изолирована от окружающей полой сферы из 100 граммов термоядерного топлива. Во время и после имплозивного сжатия линзами взрывчатого вещества термоядерное топливо вступает в контакт с антиводородом. Реакции аннигиляции, которые начнутся вскоре после разрушения ловушки Пеннинга , должны обеспечить энергию для начала ядерного синтеза в термоядерном топливе. Если выбранная степень сжатия высокая, получается устройство с повышенным взрывным/движущим эффектом, а если она низкая, то есть топливо не имеет высокой плотности, значительное количество нейтронов вылетит из устройства, и образуется нейтронная бомба . В обоих случаях эффект электромагнитного импульса и радиоактивные осадки существенно ниже, чем у обычного устройства деления или устройства Теллера-Улама той же мощности, примерно 1 кт. [6]
В 2005 году было подсчитано, что количество антипротонов, необходимое для запуска одного термоядерного взрыва, составляет 1018 , что соответствует количеству антиводорода в микрограммах. [7]
Также возможна настройка производительности космического аппарата. Эффективность ракеты тесно связана с массой используемой рабочей массы , которая в данном случае является ядерным топливом. Энергия, выделяемая заданной массой термоядерного топлива, в несколько раз больше, чем выделяемая той же массой топлива деления. Для миссий, требующих коротких периодов высокой тяги, таких как пилотируемые межпланетные миссии, чистый микроделение может быть предпочтительнее, поскольку он уменьшает количество необходимых топливных элементов. Для миссий с более длительными периодами высокой эффективности, но с меньшей тягой, таких как зонды для исследования внешних планет, комбинация микроделения и термоядерного синтеза может быть предпочтительнее, поскольку она уменьшит общую массу топлива.
Концепция была изобретена в Университете штата Пенсильвания до 1992 года. С тех пор несколько групп изучали двигатели микроделения/синтеза, катализируемые антиматерией, в лабораторных условиях. [8] Работа над антипротонным инициированным синтезом проводилась в Национальной лаборатории Лоуренса в Ливерморе еще в 2004 году. [9] В отличие от большой массы, сложности и рециркуляционной мощности обычных двигателей для инерциального удержания (ICF), аннигиляция антипротонов обеспечивает удельную энергию 90 МДж/мкг и, таким образом, уникальную форму упаковки и доставки энергии. В принципе, антипротонные двигатели могли бы обеспечить значительное снижение массы системы для усовершенствованного космического движения с помощью ICF.
ICF, управляемая антипротонами, является спекулятивной концепцией, а обработка антипротонов и требуемая точность их инжекции — во времени и пространстве — будут представлять значительные технические проблемы. Хранение и манипулирование низкоэнергетическими антипротонами, особенно в форме антиводорода , — это наука, находящаяся в зачаточном состоянии, и для начала серьезной программы НИОКР для таких приложений потребуется значительное увеличение масштабов производства антипротонов по сравнению с существующими методами поставок.
Рекорд по хранению антиматерии, составивший чуть более 1000 секунд, установленный в ЦЕРНе в 2011 году, был на тот момент колоссальным скачком по сравнению с миллисекундными временными масштабами, которые были достижимы ранее. [10]
Общее мировое производство антипротонов за год находится в диапазоне нанограммов. Ловушка антиматерии (версия Mark 1) в Университете штата Пенсильвания имеет емкость для хранения 10 миллиардов в течение приблизительно 168 часов. Проект Икар дал предполагаемую потенциальную стоимость производства 1 миллиграмма антипротона в размере 100 миллиардов долларов. [11]