Reduced shielding mass for the vista spacecraft

Abstract

An innovative concept for the direct utilization of fusion energy with laser ignited (DT) capsules for propulsion is presented with the so called VISTA (Vehicle for Interplanetary Space Transport Applications) concept VISTA’s overall geometry is that of a 50°halfangle cone to avoid massive radioactive shielding The 50°halfangle maximizes the jet efficiency and is determined by selecting the optimum pellet firing position along the axis of the cone with respect to the plane of the magnet coil The pellet firing position is in the vacuum Assuming a total fusion power production of 17 500 MW with a repetition rate of 5 Hz and 3500 MJ per shot the propulsion power in form of charged particles has been calculated as ~7000 MW making ~40 % of the total fusion power About 60 % of the fusion energy is carried by the leaking neutrons out of the pellet Most of them (96 %) escape into vacuum without striking the space ship Only 4 % enter the frozen hydrogen expellant in the conical shape (about 50 gr) Two design limits are discussed 5 and 1 mW cm3 Total peak nuclear heat generation in the coils is calculated as 47 mW cm3 The peak neutron heating is 19 mW cm3 and the peak ray heating density is 28 mW cm3 However volume averaged nuclear heat generation in the coils is much lower It is calculated as 018 048 and 066 mW cm3 for neutron ray and total nuclear heating respectively With higher design limits for nuclear heat generation in the coils and using natural lithium in the shielding it was possible to reduce the net shielding mass from 595 tonne down to 170 tonne making < 3 % of the vehicle mass by a total vehicle mass of VISTA ~6 000 tonne

نعرض في هذا البحث طريقة مبتكرة للاستخدام المباشر لطاقة الاندماج الناتجة بوساطة أشعة الليزر المستخدم لبدء التفاعل (T D) في حويصلات الدفع ضمن ما يعرف بمبدأ (VISTA) ويكون VISTA ذا زاوية نصف مخروطية قدرها (50 )، وذلك لتجنب استخدام واقيات إشعاعية ثقيلة وتكون ضمن هذا الشكل الهندسي كفاءة الاندفاع المنتشر ذات قيمة قصوى وتعين باختبار أفضل موقع انطلاق على محور المخروط بالنسبة إلى مسطح الملف المغناطيسي في الفراغ وقد حسبت قدرة اندفاع الجسيمات المشحونة عند قدرة اندماج تعادل 17500 ميغاوات وبتردد 5 هيرتز وطاقة 3500 ميغاجول لكل نبضة، وكانت 7000 ميغاوات ؛ أي حوالي 40 % من قدرة الاندماج، في حين تحمل النيوترونات المنطلقة حوالي 60 % من الطاقة وينطلق نحو 96 % من النيوترونات خارج المركبة الفضائية في حين ينفذ حوالي 4 % إلى منطقة الهيدروجين المجمد ذي الشكل المخروطي (حوالي 50 غم) وقد قمنا أيضا بدراسة حدي التصميم 5 و1 ميلي واط سم3، ومن ثم حسبنا أقصى طاقة حرارية ناتجة عن الاندماج فكانت 47 ميلي واط سم3، في حين كانت أقصى حرارة ناتجة عن النيوترونات تعادل 19 ميلي واط سم3 وعن أشعة جاما 28 ميلي واط سم3 ومن الجدير ذكره أن المعدل الحجمي للحرارة الناتجة في الملفات كانت أقل بكثير من هذه القيم حيث كانت على النحو التالي 018، 048، 066 ميلي واط سم3 لكل من النيوترونات، وأشعة جاما، والحرارة النووية على الترتيب وقد تمكنا عند تطبيق حديات تصميم أعلى لإنتاج الحرارة النووية في الملفات باستخدام الليثيوم كوافي إشعاعي من تخفيض كتلة الواقي الإشعاعي المستخدمة من 595 طن إلى 170 طن ؛ أي إلى حوالي 30 % من الكتلة الكلية لمركبة VISTA التي تعادل 6000 طن