Какая толщина/глубина воды потребуется для обеспечения радиационной защиты на околоземной орбите?

Если в качестве радиационного экрана используется вода или лед, какой толщины/глубины он должен быть? Будет ли иметь значение, если вода замерзнет (водяной лед менее плотный, чем жидкий)?

Редактировать

Я хотел бы знать, сколько экранирования потребуется для бессрочного пребывания. Предпочтительно в наземных пределах в соответствии с Сводом федеральных правил (29 CFR 1910.96), но, по крайней мере, на уровнях Национального совета по радиационной защите и измерениям (NCRP), представленных в его отчете 98 . список всех различных типов излучения НАСА "Что такое космическое излучение?"

Ответы (2)

Из атомной энергетики мы знаем, что бассейны для хранения отработавшего топлива — относительно безопасное место с точки зрения радиации. На самом деле в них безопасно плавать, потому что их регулярно обслуживают водолазы. Они просто не могут подобраться слишком близко к отработанному топливу.

Мы используем эти бассейны для краткосрочного хранения, потому что вода — действительно хороший радиационный щит. Как хорошо? Ну а согласно отчету по теме, подготовленному для ДОЭ еще в 1977 году, слой воды толщиной 7 сантиметров уменьшает проходящее через него ионизирующее излучение (лучи и частицы) наполовину (остальное улавливается или замедляется до неионизирующей энергии уровней, в основном тепла). Свежеразряженное ядерное топливо излучает около 100 000 Р/час, если измерять его на расстоянии одного фута в воздухе (при таком уровне верная смерть — это примерно 5 минут воздействия, а вы впадете в кому примерно через 10 минут). Уровни фонового ионизирующего излучения на поверхности Земли составляют около 0,000001 Р/час (1 мЗв/час), в то время как «безопасная доза» для жизни в долгосрочной перспективе составляет около 0,0004 Р/час. Сокращение пополам составляет около 0,3 степени 10, так что грубо говоря, чтобы уменьшить новый топливный стержень. Чтобы довести радиоактивность до безопасного уровня, потребуется около 2 м (8/0,3*7/100), а через более 2,5 м радиоактивность твэлов неотличима от фонового излучения. На самом деле, согласно ссылке из комментария, погружение на глубину около 6 футов подвергнет вас меньшему облучению, чем на поверхности бассейна.

Согласно Википедии, верхняя оценка эквивалента дозы, полученного незащищенными астронавтами, работающими за пределами магнитного поля Земли (например, во время полета на Марс), составляет около 90 000 Р/год или около 10 Р/час. Если мы предположим, что уровни энергии сопоставимы, то для снижения этого уровня до уровня фонового излучения ниже земного потребуется только слой воды толщиной около 1 метра.

Однако давайте еще немного посчитаем. Предположим, что марсианское транспортное средство, которое доставит их туда и обратно, представляет собой цилиндр размером примерно 3,5 м на 20 м (такой же, который использовался в экспериментах МАРС-500; это очень маленькая жестяная банка, в которой можно провести 3,5 года с еще 4-5 человек). С 1 м защитной воды вокруг всех поверхностей этого цилиндра внешний корпус будет примерно 5,5 м на 22 м.

Необходимый объем защитной воды равен разнице между этими двумя цилиндрами или 22 ⋅ π ⋅ 2,75 2 − 20 ⋅ π ⋅ 1,75 2 ≈ 522,68 − 192,42 знак равно 330,26 м 3 . Поскольку один кубический метр воды весит 1 метрическую тонну (1000 кг), для полета в космос требуется 330 260 кг.

Если рассматривать это в перспективе, то нынешним рекордсменом по полезной нагрузке на НОО является ракета Сатурн V, максимальная полезная нагрузка которой составляла 120 000 кг (упомянутая полезная нагрузка — S-IVb, включая CSM, LEM и стартовую ступень Земли, для большинства своих миссий). Чтобы вывести на орбиту необходимый нам объем воды, потребуются 3 ракеты «Сатурн-5». Запланированный, но так и не построенный Ares V должен был иметь грузоподъемность 188 тонн P2LEO, что сократило бы количество запусков до 2. Выполнение этого с помощью космических челноков (25 тонн груза на НОО) потребовало бы 14 миссий. . Для SLS Block II (130 тонн полезной нагрузки на НОО) потребуется всего около 3 пусков. Для этого с любой орбитальной ракетой, находящейся в настоящее время в эксплуатации, пилотируемой или беспилотной (Союз II, Союз ФГ, Дельта IV, Атлас V, Falcon 9), потребуется от 50 до 100 пусков.

Учитывая, что мы могли бы доставить такую ​​массу на НОО, заставить ее выйти на орбиту и выйти в межпланетное пространство гораздо сложнее; для полета на Марс с использованием переходной орбиты Хомана требуется примерно столько же дельта-V, сколько и для полета на НОО в первую очередь, поэтому все топливо, израсходованное для доставки корабля и его водяного щита в космос, должно быть выведено на орбиту, что требует гораздо больше запускает. Использование гравитационного сопровождения, скажем, с Венеры, было бы логистическим кошмаром, требующим, чтобы все три планеты находились на одной линии на момент вылета с НОО, и, хотя это позволило бы сэкономить топливо, нам потребовалось бы преодолеть гораздо большее расстояние и, возможно, занять гораздо больше времени. поставив миссию дальше за пределы наших нынешних возможностей.

В космосе существует несколько видов вредного излучения, ко всем ли относится 7-сантиметровое деление пополам?
Возможно нет; данные, которые у меня есть, больше всего связаны с гамма-лучами и нейтронным излучением, двумя формами, которые чаще всего наблюдаются в ядерных отходах (и от которых труднее всего защититься). Ионизирующее космическое излучение — это в основном гамма-лучи и протоны, которые в целом очень похожи на излучение ядерных отходов. Протоны немного легче и поэтому будут иметь меньше энергии при заданной скорости (их легче остановить); но, поскольку они являются протонами, если они будут захвачены водой, они в основном станут ионами H +, которые могут со временем подкислить защитную воду (не так сильно видно с ядерными отходами).
«Для полета на Марс с использованием переходной орбиты Хомана требуется примерно столько же дельта-V, сколько для того, чтобы добраться до НОО в первую очередь» — Чтобы добраться до НОО, требуется около 9 км/с. С НОО транс-марс выведение занимает около 3,6 км/с. По прибытии на Марс достаточно скорости 1 км/с, чтобы вывести космический корабль на эллиптическую орбиту, перицентр которой проходит через верхние слои атмосферы Марса. Дельта V составляет примерно половину от выхода на орбиту.
Разве требования к толщине излучения (для водяных экранов) не меняются в зависимости от расстояния до Солнца? Я предполагаю, что космическому кораблю на Меркурии потребуется более толстая защита, чем на Марсе. . .
Очень вероятно. Для перехода Земля-Марс с использованием орбиты Хомана (что привело бы к тому, что космический корабль остался бы между орбитами двух планет, а не летал бы по более близкой орбите к Солнцу), числа, которые мы уже имеем для лунных экскурсий, представляют собой самые высокие долговременные полеты. термин «доза», поскольку они представляют собой дозу в ближайшей точке отклонения от Солнца (за пределами защитного магнитного поля Земли). По мере того, как вы приближаетесь к Солнцу, вы подвергаетесь большей дуге его излучения и, следовательно, большему количеству энергии, которую вы должны уменьшить с помощью дополнительной защиты.
Если астронавты проводят половину своего времени (сон и еще несколько часов в «день») в отверстии диаметром 1 метр внутри цилиндра диаметром 3 метра и длиной 2 метра, заполненного водой, топливом или отходами на один метр, это будет весить около 13 тонн (не тысячи тонн). И это само по себе сократит радиационное облучение вдвое.
@HopDavid - в какой-то момент экипаж может захотеть вернуться на Землю.
@RussellBorogove Если бы «отправиться на Марс» было бы то же самое, что «отправиться на Марс и вернуться», вы были бы правы. Но последний абзац Кейта не описывает поездку туда и обратно. Кажется, он говорит, что скорость LEO до Марса составляет 9 км/с, что неверно.
Если я говорю «я иду в магазин», или «я иду на работу», или «я иду в Нью-Йорк», по умолчанию предполагается, что я вернусь.
Многие марсианские архитектуры требуют дозаправки на Марсе. А некоторые призывают к поездкам в один конец. Итак, нет, это не предположение по умолчанию. Если я говорю, что у меня достаточно бензина, чтобы добраться до работы, по умолчанию предполагается, что у меня достаточно бензина, чтобы добраться до работы, а не дойти до работы и вернуться.
@LocalFluff, и если бы мы могли сделать защиту направленной, мы могли бы уменьшить ее до ~ 2 тонн.
Это что, если? Статья Рэндалла Манро подробно описывает «последствия» плавания в бассейне с отработавшим ядерным топливом. Это отличное чтение для людей, задающих такие вопросы.
@LocalFluff Это зависит от того, насколько допустимый ущерб. Если вы потратите 1/2 своего времени на экранирование, это все равно будет означать 40 дней полного воздействия на 80-дневную поездку.
Как долго продержится эта вода? Я предполагаю, что часть его со временем превращается в тяжелую или тритированную воду.
Меня больше интересуют космические лучи и влияние воды на них, потому что они наносят больше вреда людям; правильный?
"1 мЗв/час" - число фонового излучения кажется неверным, оно больше похоже на годовую дозу 1,26 мЗв, часовые дозы на уровне 0,1-0,18 мкЗв (10^-6 Зв), не уверен, влияет ли это на какое-либо другое числовое утверждение в сообщение, возможно, нужно переоценить для этого
Совсем недавно, 22 октября 2021 года, во время испытаний с вращением суборбитальная «ракета» была запущена центрифугой на высоту в десятки тысяч футов. Чистая догадка, но я вижу потенциал для относительно дешевой выбрасывания льда для строительства защиты космического корабля и заправочной станции на низкой околоземной орбите для переработки части льда в водород и кислород.
@Keith Reynolds spinlaunch выступает только в качестве первой ступени движения. Чтобы выйти на орбиту, полезная нагрузка, запускаемая с помощью спина, должна быть прикреплена к ракете «второй» ступени.

Куб со стороной 1 км и комнатой для 1 000 000 человек, каждая из которых имеет 16 комнат по 20 квадратных метров, потребует 18 тонн на человека для 3-метрового экрана, что снизит уровень радиации до уровня менее 0,000001 Р/ч поверхности Земли.

Выделив на каждого человека по 1000 куб. Если высота этажа составляет 3 метра, 1000 кубических метров дают 333 квадратных метра площади. Это пространство можно разделить на 16 комнат по 20 квадратных метров (200 квадратных футов). Предполагается, что люди будут делить часть этого пространства для общих зон.

Куб со стороной 1 км имеет 6 сторон по 1000 х 1000 метров каждая. Таким образом, общая площадь поверхности составляет 6 * 1000 * 1000 или 6 миллионов квадратных метров. Разделить на 1 миллион пассажиров означает по 6 метров защиты на каждого. На каждый квадратный метр поверхности требуется три метра экранирования. Это стопка из 3 кубов по 1 метру. Кубический метр воды весит/имеет массу 1 метрическую тонну (очень близко к 1 тонне). Штабель 3* площадью поверхности 6 составляет 18 тонн.

На куб 100 метров (1000 человек) цифра составляет 180 тонн на человека. Площадь поверхности 6 * 100 * 100 = 60 000 квадратных метров, что составляет 60 квадратных метров на каждого из 1000 человек. Таким образом 3*60 или 180 тонн.

Размер 3-метрового щита получен из информации в сообщении keithS по тому же вопросу.

Требуется уменьшить 100 000 Р/ч до 0,000001 (1 миллионная) Р/ч, что является сокращением в 100 000 000 000 раз, что ниже 2 38 .

Каждые 7 см ( http://www.nist.gov/pml/data/xraycoef/index.cfm ) воды делят излучение на коэффициент 2. Таким образом, общее требуемое значение составляет 38 * 7 см или 266 см. Используйте 300 см / 3 метра, чтобы упростить расчеты, и это обеспечивает дополнительный запас прочности, который упрощает расчеты.

Привет, добро пожаловать на Space.SE. Интересные цифры, не могли бы вы показать нам, как вы их получили?
Что касается вашего редактирования, почему-то я не думаю, что вас просили доказать свою геометрию настолько, насколько вы пришли к выводу, что водяной щит толщиной 3 м снизит уровень радиации до уровня менее 0,000001 Р/ч. Поверхность Земли . Вы также не указываете, для какой высоты орбиты указаны ваши цифры. Также обратите внимание, что вопрос касается не массы, а непосредственно толщины экрана. Таким образом, большая часть вашего ответа о массе воды, необходимой для защиты некоторого произвольного числа жителей на некоторый произвольный объем жилой площади на человека, не имеет смысла.
Ссылка, которую вы даете, предназначена для фотонов с энергией менее 20 МэВ. Космические лучи представляют собой атомные ядра с энергией в основном от 100 МэВ до 1 ГэВ, и наибольший ущерб наносят тяжелые частицы, такие как ядра железа. В этой статье есть хороший обзор - int.washington.edu/PHYS554/2011/chapter9_11.pdf
Какая толщина/глубина воды потребуется для обеспечения радиационной защиты на околоземной орбите?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v