Гибридный термоядерный реактор - способ преодолеть лед на Европе
В ближайшие годы НАСА и Европейское космическое агентство (ЕКА) отправят две роботизированные миссии для исследования ледяной луны Юпитера Европы. Это не что иное, как Europa Clipper НАСА и Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE) ЕКА, которые будут запущены в 2024 и 2023 годах (соответственно). Как только они прибудут к 2030-м годам, они изучат поверхность Европы с помощью серии облетов, чтобы определить, может ли ее внутренний океан поддерживать жизнь. Это будут первые астробиологические миссии на ледяную луну во внешней Солнечной системе, известные под общим названием «океанские миры».
Одна из многих проблем для этих миссий заключается в том, как пробивать толстые ледяные корки и получать образцы из внутренних слоев океана для анализа. Согласно предложению доктора Терезы Беньо (физика и главного исследователя проекта термоядерного синтеза с удержанием решетки в Исследовательском центре Гленна НАСА), возможным решением является использование специального реактора, основанного на реакциях деления и синтеза. Это предложение было выбрано для этапа I разработки программы NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC).
Список океанских миров длинный и разнообразный: от Цереры в Главном поясе астероидов до спутников Юпитера (Каллисто, Ганимед и Европа), Сатурна (Титан, Энцелад и Диона), самого большого спутника Нептуна (Тритон) и Плутон и другие тела пояса Койпера. Считается, что все эти миры имеют внутренние океаны, нагретые приливными изгибами из-за гравитационного взаимодействия с их родительским телом или (в случае Цереры и Плутона) распада радиоактивных элементов. Дополнительные свидетельства существования этих океанов и активности включают поверхностные шлейфы и полосатые черты, указывающие на обмен между поверхностью и внутренней частью.
Основная проблема при изучении недр этих миров - толщина их ледяных щитов, глубина которых может достигать 40 км (25 миль). В случае с Европой различные модели дали оценки от 15 до 25 км (от 10 до 15 миль). Кроме того, предлагаемому зонду придется бороться с гидростатическим льдом различного состава (например, аммиака и силикатных пород) на разных глубинах, давлениях, температурах и плотности. Ему также придется бороться с давлением воды, поддерживать связь с поверхностью и возвращать образцы на поверхность.
НАСА изучило возможность использования нагревательного или бурового зонда, чтобы пройти сквозь ледяной щит и получить доступ к внутреннему океану. В частности, исследователи предложили использовать атомный зонд, который будет полагаться на радиоактивный распад для выработки тепла и таяния поверхностного льда. Однако группа исследователей НАСА во главе с доктором Беньо предложила новый метод, основанный на чем-то другом, кроме обычных радиоактивных изотопов, — плутонии-238 или обогащенном уране-235. Вместо этого их метод будет включать запуск реакций ядерного синтеза между атомами твердого металла.
Их метод, известный как синтез в решетке, был описан в двух статьях, опубликованных в апрельском номере журнала Physical Review C за 2020 год, под названием «Реакции ядерного синтеза в дейтерированных металлах» и «Новые ядерные реакции, наблюдаемые в дейтерированных металлах, облученных тормозным излучением». Как объяснил д-р Беньо в недавнем заявлении для прессы NASA Glenn Research Center: «Ученых интересует термоядерный синтез, потому что он может генерировать огромное количество энергии без создания долгоживущих радиоактивных побочных продуктов. Однако обычные термоядерные реакции трудно осуществить и поддерживать, потому что они основаны на столь экстремальных температурах, чтобы преодолеть сильное электростатическое отталкивание между положительно заряженными ядер, что этот процесс был нецелесообразным».
Обычные методы термоядерного синтеза обычно сводятся к инерционному или магнитному удержанию. При инерционном удержании топлива, такие как дейтерий или тритий (водород-2 или -3), сжимаются до экстремальных давлений (на наносекунды), при которых может произойти синтез. В магнитном удержании ( реакторы токамак ) топливо нагревается до тех пор, пока оно не достигнет температуры, превышающей температуру в центре Солнца - 15 миллионов ° C (27 миллионов ° F) - для достижения ядерного синтеза. Этот новый метод создает реакции синтеза в пределах металлической решетки, загруженной дейтериевым топливом, при температуре окружающей среды.
Этот новый метод создает энергетическую среду внутри решетки, в которой отдельные атомы достигают эквивалентных кинетических энергий уровня синтеза. Это достигается за счет заполнения решеток дейтерием с плотностью в миллиард раз большей, чем в реакторах токамак, где источник нейтронов ускоряет атомы дейтерия (дейтроны) до такой степени, что они сталкиваются с соседними дейтронами, вызывая реакции синтеза. В своих экспериментах доктор Беньо и ее коллеги подвергали дейтроны воздействию рентгеновского луча с энергией 2,9 + МэВ, создавая нейтроны и протоны с большой энергией.
Этот процесс может обеспечить быстрые реакции деления с использованием решеток, построенных из таких металлов, как обедненный уран, торий или эрбий (Er68) в расплавленной литиевой матрице. Команда также наблюдала производство более энергичных нейтронов, что указывает на ускорение термоядерных реакций. в процессе также происходят экранированные реакции отрыва ядра Оппенгеймера-Филлипса (ОП). По словам доктора Беньо, любой процесс синтеза масштабируется и может стать путем к созданию нового типа космического корабля с ядерной установкой: «Полученный в результате гибридный термоядерный ядерный реактор быстрого деления будет меньше, чем традиционный ядерный реактор, где требуется источник энергии с меньшей массой, и обеспечит эффективную работу с тепловым отходящим теплом от реактора, нагревающего зонд, для таяния через шельфовый ледник в подледные океаны».
Преимуществом этого нового процесса является решающая роль электронов металлической решетки, чьи отрицательные заряды помогают «экранировать» положительно заряженные дейтроны. Согласно теории, разработанной физиком-теоретиком проекта доктором Владимиром Пинесом, такое экранирование позволяет соседним дейтронам приблизиться друг к другу ближе. Это снижает вероятность их рассеяния, но увеличивает вероятность того, что они будут туннелировать через электростатический барьер и способствовать термоядерным реакциям. По словам главного исследователя проекта НАСА доктора Брюса Стейнеца, есть препятствия, которые необходимо преодолеть, но проект находится на хорошем старте: «Текущие результаты открывают новый путь для инициирования термоядерных реакций для дальнейшего изучения в научном сообществе. Однако скорость реакции необходимо существенно увеличить для достижения заметных уровней мощности, что может быть возможно с использованием различных рассматриваемых методов умножения реакции».
Этот тип ядерного процесса может быть частью Europa Lander, предлагаемой миссии НАСА, которая будет основываться на исследованиях, проведенных Europa Clipper и JUICE. При дальнейшем изучении и разработке эта технология также может быть использована для создания энергетических систем для длительных исследовательских миссий, подобных проекту НАСА «Киломощный реактор с использованием технологии Стирлинга» (KRUSTY). Та же технология может позволить использовать новые концепции двигателей, такие как ядерно-тепловые и ядерно-электрические двигатели (NTP/NEP), которые исследуют НАСА и другие космические агентства.
Наконец, этот предлагаемый метод может иметь применение для жизни здесь, на Земле, обеспечивая новый вид ядерной энергии и медицинские изотопы для ядерной медицины. Как сказал Леонард Дудзински, главный технолог по планетарным наукам в Управлении научных миссий НАСА (SMD): «Ключом к этому открытию стала талантливая междисциплинарная команда, которую Гленн собрал из НАСА для исследования температурных аномалий и превращений материалов, которые наблюдались с металлами с высоким содержанием дейтерия. быть спроектированным».
