Рис. 7. Схемы импульсных двигателей (а — на трансурановых элементах, б — термоядерный двигатель): 1 — космический корабль, 2 — демпфер, 3 — система подачи ядерного горючего, 4 — отражатель, 5 — зона взрыва, 6 — система преобразования энергии, 7 — обмотка для создания магнитного поля, 8 — система поджига реакции (ускорители заряженных частиц или лазеры)
Для ядерных реакций деления основной проблемой является сокращение массы ядерного горючего, необходимой для самоподдерживающейся ядерной реакции (критическая масса). Для широкоиспользуемого в настоящее время ядерного горючего из урана-235 и плутония критическая масса настолько велика (скажем, 1 и 3 кг), что из-за слишком большой энергии, выделяемой при взрыве такой массы, исключается прямое применение этих элементов в ИЯРД.
Существенно уменьшить критическую массу можно либо увеличивая плотность делящегося вещества путем его сжатия давлением в 1014 — 1015 Па, либо переходя к химическим элементам с большими ядерными массами — трансурановым элементам. Современная техника позволяет создавать импульсные давления требуемой величины, но это возможно лишь при использовании сложных и тяжелых устройств, которые более целесообразно применить для реакций синтеза. Поэтому в качестве горючего в ИЯРД деления могут быть использованы лишь трансурановые элементы (в первую очередь калифорний-252).
Критическая масса калифорния равна примерно 7 г, и при взрыве такой массы выделяется 1010 Дж. Схема двигателя с использованием калифорния приведена на рис. 7, а. В ней с помощью специальных ускорителей, расположенных на периферии отражателя, выстреливаются частицы калифорния, которые одновременно, сталкиваясь, образуют в сумме критическую массу, инициируя ядерный взрыв. Причем за счет сжатия, возникающего при столкновении частиц, критическая масса может быть уменьшена в 1,5–2 раза. Взрывы повторяются до тех пор, пока ракета не наберет нужную скорость: для разгона ракеты с конечной массой 100 т до скорости 10 км/с нужно несколько килограмм калифорния.
Однако двигатели с использованием трансурановых элементов при всей их принципиальной простоте обладают рядом существенных недостатков и едва ли могут быть осуществлены в ближайшее время. Калифорний очень дорог, он отсутствует в природе и его получают облучением тяжелых элементов в протонных ускорителях или мощными нейтронными потоками. При этом полезный выход калифорния очень мал, и, например, производство калифорния в США в 60-х годах составляло всего около 1 г в год. Поскольку период полураспада калифорния-252 составляет 2,5 года, то при таком уровне производства вообще невозможно накопить критическую массу.
И наконец, если нужное количество калифорния будет получено, то хранить его на ракете возможно лишь в виде малых частиц, разделенных большим количеством поглотителя нейтронов, что увеличивает массу двигателя. Кроме того, при взрыве трансурановых элементов образуются тяжелые осколки деления, которые трудно задержать магнитным полем отражателя, и большое количество нейтронов, практически не взаимодействующих с магнитным полем. В результате охлаждение конструкции двигателя становится трудноразрешимой проблемой.
Запас калифорния можно несколько сократить, если в зону взрыва через интервал времени 10–6 — 10–5 с подавать уран примерно в тех же количествах, что и калифорний. При этом в нейтронном потоке, созданном взрывом калифорния, будет происходить выгорание урана. Затем через такой же интервал времени можно подать следующую порцию урана. Таким образом будет организована каскадная реакция, но она является затухающей и после 3–5 циклов необходимо вновь взрывать калифорний.
Более перспективным может быть использование калифорния для инициирования термоядерной реакции. При этом калифорний применяется только один раз, а потом в зону реакции непрерывно подаются порции термоядерного горючего (например, дейтерий-тритиевой смеси). Термоядерное горючее несравнимо дешевле калифорния и экономические факторы не будут играть столь существенной роли при разработке такого двигателя. Кроме того, при термоядерной реакции образуются легкие элементы, что значительно упрощает тепловую защиту отражателя.
Однако, если даже отвлечься от проблемы подачи термоядерного горючего в зону горения, то минимальный уровень непрерывной мощности для осуществления этой самоподдерживающейся реакции составит 1014 Вт. Это более чем в 1000 раз превосходит мощность двигателей ракеты «Сатурн-5». При скорости истечения 103 км/с такой двигатель будет иметь тягу 10 000 тс. И, следовательно, проблемы теплоотвода при требуемом уровне мощности становятся чрезвычайно трудноразрешимыми. Если допустить, что в элементах конструкции двигателя выделяется всего 0,1 % энергии, то и для отвода такого количества потребуется холодильник-излучатель площадью 10 000 м2.
При темплосъеме, использующем рабочее тело, скорость истечения снизится в 3 раза, и соответственно тяга возрастет до 30 000 тс. Для создания такой тяги потребуется расход рабочего тела в 1000 кг/с. Ракета массой 10 000 т с таким двигателем могла бы достичь скорости 100 км/с за время, немногим более 1 ч.
Более близкими к реализации, однако, представляются схемы двигателей с термоядерными микровзрывами. Эти двигатели довольно широко обсуждались в печати, опубликовано несколько концептуальных проектов этих двигателей. Суть термоядерных микровзрывов состоит в так называемом инерциальном удержании плазмы, когда реакция успеет произойти раньше, чем под воздействием высоких температур, необходимых для поджига термоядерной реакции, разлетится разогретое термоядерное горючее.
В упомянутой ранее схеме стационарного термоядерного реактора основная и до сих пор не решенная проблема состоит в удержании горячей плазмы магнитным полем. Для получения управляемой термоядерной реакции при температуре в несколько миллионов градусов должен выполняться критерий Лоусона nτ ≥1014, где n — концентрация частиц (число атомов в 1 см3), а τ — время. При инерциальном удержании критерий Лоусона выполняется за счет резкого повышения концентрации, в результате на столько же сокращается время, необходимое для протекания термоядерной реакции.
Это достигается симметричным импульсным облучением небольшой мишени ядерного горючего, используя излучение мощного лазера или высокоинтенсивные потоки заряженных частиц (электроны и ионы). Причем поток энергии во время импульса должен резко нарастать. В результате облучения происходит интенсивное испарение поверхностного слоя мишени, так называемая абляция. Испаряющиеся частицы приобретают большую скорость и, подобно тому как это происходит в реактивных двигателях, создают импульс отдачи, что приводит к развитию громадного давления, достигающего многих миллиардов паскаль.
Эффект абляции многократно усиливается сходящейся ударной волной, в результате в центре мишени плотность горючего возрастает в несколько тысяч раз, а давление достигает величины, соответствующей давлению в центре звезд (около 1016 Па). При этом происходит разогрев термоядерного горючего и наступают условия для протекания термоядерной реакции.
Для осуществления микровзрыва достаточны мишени массой всего 0,001 — 0,01 г. Такой массе соответствует энергия микровзрыва 108 — 1010 Дж. Около 80 % вещества мишени уносится в результате абляции и в реакции не участвует; кроме того выход реакции едва ли превысит 30 %. В результате предельная скорость истечения для термоядерных микровзрывов будет составлять около 6 · 106 м/с, что соответствует удельной тяге 6 · 105 с. Для взрывов, инициируемых пучками электронов, необходимо окружать мишень оболочкой из элементов с большим атомным весом, что еще более снизит предельную скорость истечения.