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[专题] 直接聚变驱动火箭

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三毛 发表于 2020-1-12 12:41 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层 |阅读模式

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核聚变动力探测器有望十年内问世,抵达土星仅用两年

2019-06-21 05:40    来源:宇航推进者

普林斯顿等离子体物理实验室的“普林斯顿反场构型”(PFRC)2装置

【《太空》网站6月12日报道】用不了多长时间,核聚变动力探测器可能就不再只是一个科学梦想。研发人员称,一切顺利的话,“直接聚变驱动”(DFD)发动机或可在2028年前后上天使用。这对航天发烧友来说可是个大新闻:项目团队人员称,面包车大小的DFD只需花两年时间就可把10吨重的无人探测器送到土星,一路送往冥王星也只需不到5年时间。比较起来,NASA的“卡西尼”探测器飞到土星花了6.75年,“新视野”探测器飞到冥王星则用了9.5年。


不仅如此,这种发动机还可作为强大的电源使用,因而有着十分广阔的地外应用前景。例如,团队成员、普林斯顿卫星系统公司副总裁托马斯上月底在一次会议上说,DFD可帮助为NASA规划中的“门户”月球轨道空间站以及月球和火星上的基地供电。

DFD是“普林斯顿反场构型”(PFRC)的衍生型号。PFRC聚变反应堆的概念是由普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的科恩在00年代初发明的。托马斯解释说,DFD基本上就是一端开放的一座PFRC反应堆,通过从开放端排气来产生推力。

DFD内部将是磁包容的高温氦3和氘等离子体。托马斯说,这些元素的原子将在该等离子体中发生聚变,产生大量的能量,而所产生的危险辐射却非常少。发生聚变反应的等离子体会加热在约束区外流动的低温推进剂。引导推进剂从发动机后部的喷管流出便可产生推力。

托马斯说,这些热量可化为强大的动力,很可能在1~10兆瓦之间。DFD将挖掘利用这种动力,采用一台“布雷顿循环”发动机把很大一部分热量转化成电能。这意味着用DFD作动力的任务在到达目的地后将能做非常多的科学工作。例如,配备DFD的冥王星轨道器可以波束形式把电力传输给这颗矮行星表面上的着陆器,并可帮助把高清视频发回地球。

核聚变控制难度之大是出了名的;迄今还没有人成功验证过全尺寸、商业上可行的聚变反应堆。但托马斯及其团队认为,他们的方案有着很现实的成功机率。她说,DFD与其它聚变反应堆方案有所不同,特点包括尺寸小、工作清洁、辐射低和采用独特的等离子体加热方法(利用无线电天线)。

DFD团队最近从各政府机构拿到了继续开展研发工作所需的经费。例如,2016~2019年的工作得到“NASA创新性先进方案”(NIAC)计划两轮出资的支持。NIAC计划旨在支持研发有可能带来革命的航天飞行技术。该项目今年还得到了美国能源部能源高级研究项目局(ARPA-E)的一项资助,用于支持未来一年的研发工作。

该团队还通过2008~2011年开展的PFRC-1实验和眼下仍在进行的PFRC-2实验验证了某些核心概念。研究人员尚未实现聚变反应,但他们希望能在20年代中期借助PFRC-4做到这一点。一台飞行试验样机将在随后很快造出。托马斯说,一项实际飞行任务将会在成功得到飞行验证后很快进行,时间最早是2028年。
 楼主| 三毛 发表于 2020-1-12 12:45 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
普林斯顿等离子体物理实验室的“普林斯顿反场构型”(PFRC)2装置
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 楼主| 三毛 发表于 2020-1-12 12:46 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
不知道国内有研究院在从事相关研究吗?
思考得人 发表于 2020-1-13 18:52 | 显示全部楼层
聚变反应的约束结构是怎么样的?
starship-1 发表于 2020-1-13 18:57 | 显示全部楼层
思考得人 发表于 2020-1-13 18:52
聚变反应的约束结构是怎么样的?

直线型磁约束,反应后直接喷出
starship-1 发表于 2020-1-13 19:18 | 显示全部楼层
思考得人 发表于 2020-1-13 18:52
聚变反应的约束结构是怎么样的?

具体来说是Field-reversed configuration,这种方法价格较低,β值很高,比托卡马克和仿星器高1-2个数量级,反应时需要的能量要低的多,但燃料利用率比托卡马克要低很多。如果用来发电,还远不如提纯聚变材料所需的能量,但用来做引擎还是有可能的。
实际上这种聚变方式也只适合火箭发动机这种只对能量密度有高要求,而对投入产出比几乎没要求的方向。毕竟液氢也用作火箭燃料很多年了,但谁要用液氢来发电那就是智力有问题了
hyperion 发表于 2020-1-13 19:31 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
starship-1 发表于 2020-1-13 19:18
具体来说是Field-reversed configuration,这种方法价格较低,β值很高,比托卡马克和仿星器高1-2个数量 ...

为什么利用率回低?对于发电堆,重新收集排气再循环不就完事了。托克马克的燃耗貌似也只有区区0.03%。
starship-1 发表于 2020-1-13 19:51 | 显示全部楼层
hyperion 发表于 2020-1-13 19:31
为什么利用率回低?对于发电堆,重新收集排气再循环不就完事了。托克马克的燃耗貌似也只有区区0.03%。

聚变废料并不是传统意义上的废气,而是高速高能的中子/等离子体,如果能回收这些“废气”,那托克马克也基本上不是问题了
starship-1 发表于 2020-1-13 19:57 | 显示全部楼层
hyperion 发表于 2020-1-13 19:31
为什么利用率回低?对于发电堆,重新收集排气再循环不就完事了。托克马克的燃耗貌似也只有区区0.03%。

如果把FRC这种聚变方式首尾连接,绕成一个环,在某种意义上就可以看作是“托卡马克”了
hyperion 发表于 2020-1-13 20:34 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
starship-1 发表于 2020-1-13 19:51
聚变废料并不是传统意义上的废气,而是高速高能的中子/等离子体,如果能回收这些“废气”,那托克马克也 ...

本来聚变低堆就是靠废气排热的,第一壁吸收中子能量,偏滤器吸收离子能量
delta4heavy 发表于 2020-1-13 21:55 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
说起来,核聚变火箭比核聚变发电在技术上容易实现多了。
starship-1 发表于 2020-1-14 00:06 | 显示全部楼层
hyperion 发表于 2020-1-13 20:34
本来聚变低堆就是靠废气排热的,第一壁吸收中子能量,偏滤器吸收离子能量

能造出来实用的第一壁,直接上托卡马克啊
hyperion 发表于 2020-1-14 07:49 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
starship-1 发表于 2020-1-14 00:06
能造出来实用的第一壁,直接上托卡马克啊

如果第一壁搞不定,这个一样搞不定呀。聚变中子轰击问题除了靠第一壁吸收还能怎么办?
hyperion 发表于 2020-1-14 07:51 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
delta4heavy 发表于 2020-1-13 21:55
说起来,核聚变火箭比核聚变发电在技术上容易实现多了。

聚变火箭根本就是没谱的事,最简单的:
你知道磁约束等离子体的温度有多低吗?才区区几亿度,但是聚变放热的等效加热温度可是几千亿度。也即只有0.1%的能量可以被排气直接利用
hsq0596 发表于 2020-1-14 09:24 | 显示全部楼层
这玩意是氘-氦3聚变,先不说聚变难度比氘氚聚变高了一大截,光是这氦3上哪去搞就是问题。
starship-1 发表于 2020-1-14 09:25 | 显示全部楼层
hyperion 发表于 2020-1-14 07:49
如果第一壁搞不定,这个一样搞不定呀。聚变中子轰击问题除了靠第一壁吸收还能怎么办?

在进入聚变区域前就加一个强电场,给一个向后移动的定向速度,反应区域也是半开放的,让反应后产生的大部分中子直接向后喷出就可以了
nwwind 发表于 2020-1-14 09:42 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
starship-1 发表于 2020-1-13 19:18
具体来说是Field-reversed configuration,这种方法价格较低,β值很高,比托卡马克和仿星器高1-2个数量 ...

远不如提纯聚变材料所需的能量?
如果这样的话,它的比冲能有多少?
starship-1 发表于 2020-1-14 09:49 | 显示全部楼层
hyperion 发表于 2020-1-14 07:51
聚变火箭根本就是没谱的事,最简单的:
你知道磁约束等离子体的温度有多低吗?才区区几亿度,但是聚变放 ...

聚变的能量转化率大约百分之0.5,如果能利用的能量只有万分之一,也比液氢液氧反应利用率高了数万倍。只要造出来的发动机比冲或推力比传统电推高,就可以算实用了
starship-1 发表于 2020-1-14 10:16 | 显示全部楼层
nwwind 发表于 2020-1-14 09:42
远不如提纯聚变材料所需的能量?
如果这样的话,它的比冲能有多少?

主要是He-3丰度很低,比氘提纯难度大多了,但反应要温和的多
starship-1 发表于 2020-1-14 10:27 | 显示全部楼层
nwwind 发表于 2020-1-14 09:42
远不如提纯聚变材料所需的能量?
如果这样的话,它的比冲能有多少?

比冲大概是数万到十几万这个量级,实际给出了推力能量比是5N/1MW
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