핵 펄스 추진기

핵 펄스 추진기

핵 펄스 추진은 가장 오래된 핵 로켓 설계로, 우주 비행 기술이 개발되기 전인 산업 시대(Industrial Age) 말까지 거슬러 올라간다. 가장 단순한 방식은 핵폭발 파편의 운동량을 우주선에 전달하는 것이다. 폭발을 반복해 가속하고 기동한다. 이런 체계의 성능은 핵연료와 폭발 점화 방식, 폭발력이 우주선에 전달되는 구조에 따라 크게 달라진다.

종류

열핵 펄스 (Orion)

초기 설계는 개조한 열핵무기를 쓰는 방식이었다. 플루토늄 핵분열로 리튬 중수소화물의 핵융합 반응을 점화했다. 그 에너지로 추진제 원반을 플라즈마화하고, 폭발 에너지의 최대 80%를 우주선에 장착한 평면형 또는 반구형 고체 "푸셔 플레이트"로 보냈다. 플레이트는 충격 흡수 장치를 통해 우주선과 연결됐다. 이 설계는 추력 대 중량비가 높아 지구 표면에서 우주선을 이륙시킬 수 있었다. 배기 속도도 높아, 지구에서 달이나 화성은 물론 토성·목성의 위성까지 비행한 뒤 귀환하는 단일 단계 우주선도 가능했다. 일부 설계는 광속의 3%가 넘는 속도로 성간 비행을 하여 130년 남짓 만에 알파 센타우리에 도달할 수 있었다. 그러나 핵무기 사용과 우주 핵에너지, 전략 무기 제한 조약을 둘러싼 정치 문제 때문에 실제 우주선은 건조되지 못했다. 이후에는 훨씬 효율적이고 깨끗하며 안전한 빔 추진과 핵융합 추진 체계가 등장했다.

이 원시적인 설계는 상황에 따라 100여 년 뒤인 정보 시대 말기의 빔 추진과 전기 추진(Electric Drive) 체계보다도 성능이 뛰어났다. 기본 설계의 비추력(Isp)은 2000-4000초였다. 추력 대 중량비가 지구 표면에서 우주선을 발사할 만큼 높아 여러 g의 평균 가속도를 지속할 수 있었다. 높은 추력을 유지하는 고급 설계는 7500-12000초에 이르렀다. 이론적으로는 Isp가 150만 초에 가까워질 수 있어 느린 항성간 우주선에 실용적이지만, 물질 푸셔 플레이트 대신 정교한 자기 노즐이 필요하다. 이 추진기는 크기가 커질수록 효율도 높아졌다. 다만 그 출력을 활용하려면 그만큼 거대한 우주선이 필요했다.

이 설계의 추진기는 울트라텍과 초월지성(Transapient) 정치체에서는 거의 사라졌지만, 그 출력, 단순성, 그리고 폭탄 펌핑 레이저와 같은 다른 무기 시스템과의 쉬운 결합으로 인해 중급에서 고급 기술 우주 군사력에서 여전히 사용되고 있다.

Z-Pinch 핵분열

핵무기 문제를 피하려고 후대에는 실용 무기로 전용할 수 없는 비전통적 펄스 유닛을 고안했다. 대신 강력한 전자기 z-pinch 점화 체계를 사용했다. z-pinch용 펄스 전력 체계는 질량이 상당해, 추진기가 당대의 다른 핵 펄스 설계보다 10배 넘게 무거워졌다. 추진 펄스가 끝날 때마다 축전기를 충전해야 하므로 대형 방열판과 복잡한 전력 회수 체계도 필요했다. 실용성은 있었지만 솔시스에서는 실제로 쓰이지 않았다. 추력은 0.1 g 정도로 고전적 펄스 설계보다 낮았을 것이다. 그러나 작은 펄스 유닛을 더 빠른 빈도로 터뜨린 덕분에 비추력은 10000-16000초에 이르렀다. 지구에서 토성이나 목성의 위성까지 유인 우주선을 보내고, 무인 우주선은 더 멀리 보내기에 알맞았다.

임계 질량이 작은 핵분열 물질이 이 추진기의 연료로 적합하다. 큐륨-245는 반감기가 수천 년으로 적당히 길고 임계 질량도 플루토늄과 비슷하다. 하지만 자연에는 상당량이 존재하지 않아 인공 합성이 필요하다. 연료 생산에 드는 비용과 불편 때문에, 솔시스 전역의 초기 확장은 반물질 개시 미세핵분열과 자기-관성 핵융합이 대신 주도했다.

Z-pinch 핵분열은 극히 드물다. 다만 반물질이 부족하고 핵융합 추진기에 필요한 엔지니어링 전문성도 없는 일부 저기술 정치체는 이 엔진을 탑재한 우주선을 운용한다.

자기-관성 핵융합

자기-관성 핵융합은 최초의 실용적 핵융합 로켓이자 솔시스에서 널리 쓰인 최초의 핵 펄스 엔진이었다. 핵융합 연료 플라스모이드는 자기력으로 가속한 리튬 외피가 압축하고 가열한다. D-D와 D-T처럼 중성자 방출량이 많은 핵융합 반응도 쓸 수 있었다. 리튬 외피가 막대한 중성자 선속을 자기 노즐로 추력을 낼 수 있는 고온 플라즈마로 효과적으로 바꿨기 때문이다. 단순한 설계의 추력은 기껏해야 센티g 정도로 낮았다. 고급 설계는 1G까지 낼 수 있었다. 배기에 리튬이 대량으로 섞여 이상적인 수준보다 배기 속도가 낮아지므로, 대부분 설계의 Isp는 5000-10000초이고 최대치는 약 20000초다. 반면 주요 연료는 솔시스를 비롯한 대부분의 항성계에서 쉽게 구할 수 있었다. 따라서 핵분열 물질을 편리하게 구할 수 없는 외부 항성계에서 경제적으로 사용할 수 있었다. 삼중수소나 헬륨-3 같은 다른 핵융합 연료를 구할 수 있다면 Isp를 어느 정도 높일 수 있다. 그러나 삼중수소는 방사성이고, 후자는 중수소만큼 구하기 쉽지 않다.

MIF는 궤도 공간과 위성 간 수송에 여전히 일부 쓰인다. 하지만 테라젠 우주 전역의 행성 간 여행에서는 거의 완전히 ICF 설계로 대체됐다. 건조가 쉽고 연료도 쉽게 구할 수 있어 저기술 사회에서는 지금도 사용한다.

반물질 개시 미세핵분열

흔히 "반물질 촉매 미세핵분열"이라고도 부르지만, 추진 반응에서 반물질이 소모되므로 엄밀한 의미의 촉매는 아니다. 이 방식은 솔시스 전역의 여행을 처음으로 실용화한 펄스 추진 체계다. z-pinch 설계보다 훨씬 작은 펄스 유닛을 썼으며, 우라늄 몇 그램으로 중수소 핵융합 연료 몇 그램을 점화했다. 우라늄에 반양성자 빔을 쏘아 반응을 일으킨다. 최초의 실용적 반물질 연소 로켓이기도 하지만, 반물질 소멸 에너지는 추진기의 전체 에너지 출력에서 차지하는 비중이 미미하다. 반양성자가 우라늄 원자핵에 부딪히면 핵자 하나를 소멸시키고, 그 에너지로 원자핵이 핵분열을 일으킨다. 뜨거운 핵분열 파편은 중수소가 핵융합을 일으킬 때까지 가열한다.

가장 단순한 설계는 탄화규소 같은 세라믹으로 만든 삭마식 노즐을 사용한다. 폭발하는 연료 펠릿에서 나온 중성자와 전자기 복사 선속이 노즐을 깎아 플라즈마를 만들고, 단순한 자기 노즐이 이를 유도해 추력을 낸다. 삭마식 노즐 라이너는 항해가 끝나면 교체해야 한다. 연료 펠릿을 바꾸거나 탱크를 다시 채우는 것보다 조금 더 번거롭지만, 추진 장치의 나머지 부분을 펄스 복사 대부분에서 보호한다. 더 정교한 설계는 펄스 유닛 주위에 추진제 외피를 두고, 더 강력한 자기 노즐로 화염구를 가둔다.

Z-핀치 핵융합

두 번째 진정한 핵융합 로켓 설계는 D-D 또는 D-T 연료를 사용하는 Z-핀치였다. 리튬 플라즈마를 z-pinch 회로의 음극으로 사용하면 주 융합 반응에서 나오는 중성자 방사선을 흡수하고 초기 Z-핀치 융합 설계를 괴롭혔던 음극 마모 문제를 제거할 수 있다. z-pinch의 사용은 융합 구속 시간을 크게 증가시키고, 따라서 연료에서 추출할 수 있는 에너지의 양을 증가시킨다. 초기 설계는 20,000초의 Isp와 수 밀리지의 추력을 가지며 제한된 반물질 공급을 사용할 필요가 없었기 때문에, 이 추진기들은 태양계 전역에서 작동할 수 있었고 AM 개시(AM-initiated) 마이크로핵분열 로켓(Thermal Rocket)보다 훨씬 더 빈번한 비행을 가능하게 했다. 또한 분열(Sundering)의 재난 여파에서 반물질 채취 및 합성과 He3 채취 작업이 심각하게 축소되었을 때 매우 유용했다. 추력은 낮으며, 대부분의 선박에서 일반적으로 밀리지 범위이지만, 장기간 지속될 수 있어 이러한 우주선들이 몇 AU 내의 목적지까지 연속 추력 궤적을 비행할 수 있게 만든다.

순수 중수소 z-pinch는 제작하기가 훨씬 어렵고 크고 강력한 자기 노즐도 필요하다. 그러나 리튬을 추진제로 쓰지 않아도 되므로 광속의 약 4%에 이르는 배기 속도를 낼 수 있다. 비추력은 130만 초 Isp에 달하며, 안정적인 중수소 연료와 결합하면 실용적인 심우주 여행 수단이 된다. 센티지급 추력을 수년 동안 유지할 수 있어 진정한 토치쉽으로 쓸 수 있다. 초기 성간 탐사선 중 일부가 이 기술을 사용해 한 세기 안에 알파 센타우리에 도달했다. D-He3을 z-pinch 로켓에 쓰면 최대 광속의 8.9%에 이르는 배기 속도를 내면서 중성자 방사선도 훨씬 줄일 수 있다.

ICF는 반응실 설계, 차폐 및 냉각의 일부 측면을 단순화하기 때문에 고출력, 고추력 추진 시스템(토치 십s)에서 z-pinch를 크게 능가했다. Z-핀치 핵융합은 또한 반물질이나 변환 모노폴을 사용하여 점화하거나 증폭하기가 훨씬 어렵지만, 그러한 기술에 대한 접근이 제한된 일부 고기술 문명은 여전히 ICF 대신 이런 종류의 로켓을 사용할 수 있다. 고출력 추진 빔의 부족은 z-pinch 우주선을 전쟁용으로 사용하기 어렵게 만들어, 더 평화주의적인 사회에서 인기를 얻는 데 도움이 된다.

관성 밀폐 핵융합(Inertial Confinement Fusion)

궁극의 핵 펄스 추진 체계는 관성 밀폐 핵융합이다. 핵융합 연료 펠릿의 모든 면에 레이저나 이온 빔을 쏘아 압축·가열하고, 마침내 핵융합을 일으킨다. 처음에는 매우 유망해 보였지만, 여러 플라즈마 불안정성이 발견되면서 가둠 시간이 크게 제한됐다. 순 에너지 생산이 실용적이지 않았기 때문에, 이후 MIF와 z-pinch 설계를 개발해 배치하게 됐다.

한 가지 해법은 반물질로 연료 펠릿을 핵융합 온도까지 가열하는 것이었다. 그러나 초기 행성간 시대에는 필요한 반물질의 양이 엄청났다. 토성과 목성의 궤도 공간이 개발되어 반물질 공급량이 크게 늘어난 뒤, 반물질 개시 ICF가 실용화됐고 외태양계 개발의 길을 열었다. 이 설계에서 얻은 경험을 바탕으로 결국 반물질이 전혀 필요 없는 "순수" 빔 구동 ICF도 사용할 수 있게 됐다.

구동 빔에 필요한 에너지는 가열 장치의 정교함에 따라 보통 펄스당 방출 에너지의 1%에서 0.1% 사이다. 빔 발생기의 폐열을 처리하는 일은 중대한 엔지니어링 문제가 될 수 있으며, 대형 방열판이 필요할 수도 있다. 일반적인 구동 빔으로는 가시광선·근자외선·진공자외선 파장의 레이저나 중이온 빔을 쓴다. 일부 ICF 추진 우주선은 추진력을 희생하면 빔을 다른 목적으로 돌릴 수 있다. 그 결과 중무장 우주선이 다수 등장했다.

D-T 관성 밀폐 핵융합 (ICF)

가장 초기의 토치 드라이브 설계 중 하나로, 핵분열·열핵 펄스 추진과 거의 같은 시기에 등장했다. 연료와 추진제는 플라스틱으로 감싼 중수소/삼중수소 얼음 펠릿이다. 점화 방식은 다소 원시적이다. 1차 구동 빔의 충격 가열로 연료를 점화하는 직접 구동 방식과, 최대 압축 시 페타와트급 초단파 2차 레이저 펄스를 연료 펠릿에 쏘는 고속 점화 방식이 있다. D-T 반응은 가장 점화하기 쉬운 핵융합 반응이어서 이런 조잡한 방법도 통한다. 그러나 핵융합 에너지의 80%가 중성자 방사선으로 손실된다. 삼중수소도 방사성이며 반감기는 388메가초다. 따라서 D-T 연료는 장기간 저장할 수 없다.

직접 구동 ICF는 상당히 비효율적이며, 구동 빔은 빔 에너지의 약 10배에 해당하는 펄스만 생성할 수 있다. 중성자 에너지 손실과 높은 빔 에너지 때문에, 이 설계의 펄스 추진기는 일반적으로 구동 빔을 위한 추가 전원이 필요하다(일부 설계는 반응 공간을 용융 리튬 블랭킷으로 둘러싸서 중성자 에너지를 회수하고 추가 삼중수소를 생성했다. 말할 필요도 없이, 이러한 리튬 블랭킷 설계는 융합실의 용융을 피하기 위해 상대적으로 낮은 출력에서만 작동할 수 있었다). 고속 점화 D-T ICF는 구동 빔 에너지의 약 100배에 해당하는 추진 펄스를 제공할 수 있다. 이를 통해 일부 에너지를 추진 펄스 플라즈마에서 직접 수확하여 구동 및 점화 빔에 전력을 공급할 수 있으며, 동시에 더 높은 추력을 허용한다.

10% 연소율과 85% 노즐 효율에서, 순수 D-T 연료는 광속의 0.9% 또는 2,700 km/s(~275,000초 Isp)의 배기 속도를 제공한다. 그러나 폭발 구동에 필요한 플라스틱 피복 때문에, 일반적인 배기 속도는 광속의 약 0.5% 또는 1,500 km/s(~152,000초 Isp) 정도이다. 배기 속도는 연소율의 제곱근에 비례하므로, 1% 연소율을 달성한 초기 설계는 500 km/s(~51,000초 Isp)만큼 낮은 배기 속도를 가졌다. 센티지 추력은 일반적으로 달성 가능하지만, 높은 중성자 플럭스는 이 유형의 더 강력한 엔진을 억제한다.

D-3He 관성 밀폐 핵융합

반물질 점화 마이크로핵융합 (AIM)

AIM 토치 드라이브의 연료는 플라스틱 피복 중수소/헬륨-3 얼음 펠릿으로, 내부 핵심부에 무거운 원소(일반적으로 우라늄 또는 납)가 있다. 구동 빔이 펠릿에 충돌하고, 최대 압축 순간에 중성 반수소 빔이 낮은 상대론적 속도로 펠릿 속으로 발사된다.

반양성자는 낮은 원자량의 피복재와 연료를 관통하여 밀도가 높은 핵심부에서 정지한다. 원자핵과 만나면 소멸되며, 이 과정에서 하나 또는 두 개의 파이온이 생성되고 원자핵이 조각으로 분해된다. 뜨거운 핵 조각들은 연료 혼합물에 빠르게 에너지를 방출하여 점화 온도까지 가열한다. 이 방법은 사용된 반물질의 양에 따라 빔 에너지의 100배에서 10,000배에 달하는 구동 펄스 에너지로 점화를 가능하게 한다. 결과적으로 주어진 빔 출력에 대해 추력 출력은 부스트되지 않은 D-3He ICF보다 훨씬 높을 수 있으며, 구동 빔에 전력을 공급하기 위해 빼내야 하는 양이 적어지므로 추진에 사용할 수 있는 에너지가 더 많다. 모든 D-3He 핵융합과 마찬가지로 펄스 에너지의 1/4는 중성자와 제동복사 X선으로 손실된다.

전환 점화 마이크로핵융합 (CIM)

GUT 모노폴이 일반적으로 사용 가능해지면, D-3He 연료에서 핵융합을 점화하는 데 사용할 수 있다. 연료 펠릿은 플라스틱 피복 중수소/헬륨-3 얼음 구체로, 중심부에는 모노폴과 반모노폴이 주입된 철이 있다. 구동 빔의 충격파가 철의 내부 전자를 이온화하면, 모노폴이 철 원자핵의 핵자를 파이온과 렙톤으로 전환하기 시작할 수 있다. 그 이후로 반응은 AIM에서 일어나는 것과 유사하게 진행되며, 전환 파이온이 충돌하면 철 원자핵이 뜨거운 핵 조각으로 분해되고, 이것이 중수소/헬륨-3 연료 혼합물을 가열한다. 철 핵심부에 모노폴을 대량으로 장전할 수 있기 때문에, CIM 구동 빔은 구동 빔 펄스 에너지의 약 10,000배에 달하는 에너지의 구동 펄스를 생성할 수 있다.

반물질 열

반물질-열 구동장치에서는 우라늄이나 납과 같은 무거운 금속 펠릿이 진공에 부유된 반물질을 감싸고 있다. 이것은 자기 노즐에 발사되어 구동 빔으로 내파된다. 구동 빔이 상당한 압축을 제공할 필요가 없고 단지 반물질 격리를 붕괴시키기만 하면 되기 때문에, 구동 빔 펄스 에너지는 본질적으로 무시할 수 있다. 이 설계의 토치 드라이브에 사용 가능한 출력은 필드 코일의 설계에만 의존한다. 반물질의 높은 비용으로 인해, 이것은 장시간 추력에는 일반적으로 사용되지 않는다. 대신 AIM 구동장치는 제한된 시간 동안 높은 추력으로 연소하기 위해 반물질-열 펠릿 저장소를 가질 수 있다.

AT 연료 펠릿의 높은 추력(표준 연료가 제공하는 추력의 10배 또는 100배)은 효율과 맞바꾼 것으로, 일반적으로 비추력을 10000초 이하로 감소시킨다.

전환 열

전환-열 토치 드라이브는 모노폴이 주입된 철 펠릿을 사용한다. 구동 빔이 철을 이온화하여 모노폴이 중입자 전환을 시작할 수 있게 한다. 뜨거운 핵 조각이 철을 더 가열함에 따라 내부 이온화량이 증가하고 그에 따라 전환 속도도 증가한다. 이것은 상대적으로 작은 구동 빔 펄스 에너지를 필요로 한다. 지역 산업 기반에 따라 전환 모노폴은 잠재적으로 매우 희귀하거나 비쌀 수 있으므로, 이 연료 유형은 초월지성 또는 울트라텍 사회와 그들의 무역 파트너 외부에서는 덜 일반적이다. CT 펠릿은 이온화되기 전까지는 완전히 안정적이고 취급이 안전하다는 장점이 있다.

AT 연료와 마찬가지로, CT 연료 펠릿의 높은 추력(표준 연료가 제공하는 추력의 10배 또는 100배)은 효율과 맞바꾼 것으로, 일반적으로 비추력을 10000초 이하로 감소시킨다.