Estrazione dell'elio 3. L'elio-tre è l'energia del futuro. Ottenere temperature ultra basse

“Stiamo ora parlando dell'energia termonucleare del futuro e di un nuovo tipo di combustibile ecologico che non può essere prodotto sulla Terra. Stiamo parlando dello sviluppo industriale della luna per l'estrazione di elio-3. Questa affermazione del capo della società spaziale e missilistica Energia Nikolai Sevastyanov, se non ha scioccato l'immaginazione dei russi rispettosi della legge (loro ora, proprio alla vigilia della nuova stagione di riscaldamento, si occupano solo di elio-3), quindi l'immaginazione di specialisti e persone interessate non è rimasta indifferente.

Questo è comprensibile: data la situazione, per dirla in parole povere, non brillante nell'industria aerospaziale nazionale (il budget spaziale della Russia è 30 volte inferiore a quello degli Stati Uniti e 2 volte inferiore a quello dell'India; dal 1989 al 2004 abbiamo lanciato solo 3 veicoli spaziali di ricerca), all'improvviso, così, né più né meno: i russi produrranno elio-3 sulla luna! Lascia che ti ricordi che, in teoria, questo isotopo leggero dell'elio è in grado di entrare in una reazione termonucleare con il deuterio. Di conseguenza, la fusione è considerata da molti scienziati una fonte potenzialmente illimitata di energia a basso costo. Tuttavia, c'è un problema: l'elio-3 è meno di un milionesimo di totale elio sulla terra. Ma nel suolo lunare, questo isotopo leggero si trova in abbondanza: secondo l'accademico Eric Galimov, circa 500 milioni di tonnellate ...

Dicono che una volta negli Stati Uniti, davanti all'ingresso di Disneyland, fosse appeso un enorme poster: "Noi e il nostro Paese possiamo fare tutto, l'unica cosa che ci limita sono i confini della nostra immaginazione". Tutto questo non era lontano dalla verità: un progetto nucleare veloce ed efficiente, un programma lunare di straordinario successo, un'iniziativa di difesa strategica (SDI), che mise completamente fine all'economia sovietica. ...

In sostanza, una delle principali funzioni dello Stato, soprattutto nel XX secolo, è stata proprio la formulazione di compiti per la comunità scientifica al limite dell'immaginazione. Questo vale anche per lo Stato sovietico: l'elettrificazione, l'industrializzazione, la creazione bomba atomica, il primo satellite, il giro dei fiumi... A proposito, avevamo il nostro "poster" davanti a Disneyland - "Siamo nati per realizzare una fiaba!"

"Penso solo che ci sia una carenza in alcuni importanti problemi tecnologici", ha detto Alexander Zakharov, dottore in scienze fisiche e matematiche, segretario scientifico dell'Istituto di ricerca spaziale dell'Accademia delle scienze russa, in un'intervista con me. - Forse per questo, di recente sono sorte tutte queste chiacchiere sull'estrazione di elio-3 sulla Luna per l'energia termonucleare. Se la Luna è una fonte di minerali, e da lì trasporta questo elio-3, ma non c'è abbastanza energia sulla Terra ... Tutto questo è comprensibile, suona molto bello. E per questo è facile, forse, convincere persone influenti a stanziare denaro. Credo di si".

Ma il fatto è che non c'è tecnologia sulla Terra in questo momento - e almeno nei prossimi 50 anni non dovrebbe apparire - che brucia elio-3 in una reazione termonucleare. Non esiste nemmeno una bozza di progetto di un tale reattore. Il reattore termonucleare internazionale ITER, attualmente in costruzione in Francia, è progettato per "bruciare" isotopi dell'idrogeno: deuterio e trizio. La temperatura calcolata di "accensione" di una reazione termonucleare è di 100-200 milioni di gradi. Per utilizzare l'elio-3, la temperatura deve essere superiore di un ordine di grandezza o due.

Quindi, il capo della più grande società spaziale e missilistica della Russia, Nikolai Sevastyanov, scusa per l'espressione, ci sta polverizzando il cervello con il suo elio-3? Non sembra. Perché!?

"L'industria spaziale è naturalmente interessata a un progetto così grande e costoso", afferma Alexander Zakharov. "Ma in termini di utilizzo pratico, è assolutamente chiaro che questo è prematuro".

Per implementare il progetto elio-3, è necessario creare un programma speciale per un'ulteriore esplorazione della luna, lanciare un intero squadrone di veicoli spaziali, risolvere problemi con la produzione di elio-3, la sua elaborazione ... Questo rovinerà il paese peggio di qualsiasi SDI.

"Non voglio dire che la Luna sia completamente chiusa da un punto di vista scientifico - ci sono anche compiti scientifici rimasti", sottolinea Alexander Zakharov. - Ma, come si suol dire, questo dovrebbe essere fatto passo dopo passo, non dimentico altri compiti scientifici. E poi in qualche modo abbiamo evitato: non appena gli americani hanno annunciato il programma di un volo con equipaggio su Marte, dichiariamo subito che siamo pronti anche per questo. Abbiamo sentito parlare di programmi lunari - facciamo anche questo ... Non abbiamo un compito nazionale deliberato, equilibrato e strategico.

Eccoci di nuovo al punto di partenza, al compito strategico nazionale. Il problema è che, a differenza degli americani, non siamo limitati dalla nostra immaginazione - con questo, come mostra la dichiarazione di Nikolai Sevastyanov, tutto è in ordine con noi. Ma secondo le stime più modeste, il programma elio-3 (chiamiamolo così), secondo le stime più prudenti, richiederà 5 miliardi di dollari per cinque anni di ricerca.

Da un punto di vista puramente scientifico, nel problema della fusione basato sui TOKAMAKS, però decisione per quanto riguarda la costruzione del reattore sperimentale internazionale ITER, c'è stata una certa stagnazione. (Tuttavia, questo è un argomento per una discussione separata.) Mi sembra che il problema dell'elio-3 per una parte dell'influente lobby termonucleare sia una nuova nicchia per la rianimazione e la realizzazione di ambizioni professionali.

Non solo - ed è una cosa abbastanza clamorosa, e l'unico motivo per cui non ho iniziato il mio articolo con essa - come ci ha raccontato un esperto dell'industria aerospaziale, il progetto russo per l'estrazione dell'isotopo leggero di elio sulla Luna è stato stanziato ┘ 1 miliardo di dollari! Questo denaro, presumibilmente, è di origine americana.

Nonostante tutta la complessità di una tale combinazione, le estremità si incontrano con successo. Per assicurarsi 104 miliardi di dollari per il programma di base lunare annunciato di recente, la US National Aeronautics Agency e ricerca spaziale era necessario dimostrare che anche i "concorrenti strategici" sono in allerta. Cioè, il miliardo "russo" è, in un certo senso, i costi generali della NASA... Da qui l'aumento di interesse per la produzione di elio-3 in Russia, inspiegabile da motivi razionali.

Se questo è vero, dovremo ancora una volta verificare tutti la validità della formula pubblicata dieci anni fa sulla rivista Physics Today. Eccolo: "Gli scienziati non sono ricercatori disinteressati della verità, ma piuttosto partecipanti a una feroce competizione per l'influenza scientifica, i cui vincitori rompono la banca".

Negli ultimi mesi i media hanno parlato molto dell'esistenza di alcuni stati (principalmente Stati Uniti, Russia e Cina) di progetti per l'estrazione di elio-3 per reazioni termonucleari controllate. Questi progetti sono visti da molti come letteralmente la soluzione a tutti i problemi dell'umanità. Allora, cos'è l'elio-3?

Di tutti gli atomi di elio che esistono sulla Terra, il 99,999862% degli atomi ha una massa 4 volte quella di un atomo di idrogeno. Questo è elio-4. I suoi nuclei atomici sono particelle alfa che si formano durante il decadimento radioattivo. E il restante 0,000138% di atomi di elio è solo 3 volte più pesante di un atomo di idrogeno. Questo è elio-3.

Il rapporto tra elio-3 ed elio-4 sulla scala dell'Universo è significativamente diverso: lì il numero di questi isotopi differisce di circa un ordine di grandezza. Nella materia meteoritica e nelle rocce lunari, il contenuto di elio-3 varia dal 17 al 32% della quantità totale di elio. Miliardi di anni fa, il rapporto tra l'elio-4 e l'elio-3 sulla Terra era lo stesso dell'intero universo. Tuttavia, nel tempo trascorso da allora, l'elio formatosi durante la nucleosintesi primaria è completamente evaporato l'atmosfera terrestre. E tutto l'elio che c'è oggi sulla Terra si è formato a causa del decadimento radioattivo. Cioè, sulla Terra c'è praticamente solo elio-4. E l'elio-3 si forma solo sul Sole a causa delle reazioni termonucleari che si verificano lì (principalmente si forma elio-4 sul Sole, ma anche lì si forma molto elio-3). Dal Sole, questi elementi si disperdono nello spazio sotto forma del cosiddetto "vento solare" (un tipo speciale di raggi cosmici). Il "vento solare" non colpisce la Terra e altri pianeti: l'atmosfera e il campo magnetico interferiscono. Ma, diciamo, sulla Luna, priva di atmosfera, le particelle del "vento solare" cadono e "si incastrano" nello strato superficiale del suolo.

Fino a qualche tempo, questi fatti erano di interesse puramente teorico. A livello pratico, hanno iniziato a parlare di elio-3 quando è diventato chiaro che il petrolio si sarebbe esaurito nei prossimi decenni. Il carbone e il gas dureranno un po' di più, ma anche non a lungo. Ovviamente, l'unico modo per risolvere il problema energetico è utilizzare l'energia del nucleo atomico. Tuttavia, anche le riserve di uranio non sono infinite ... Pertanto, l'idea di utilizzare la fusione termonucleare è invariabilmente popolare da mezzo secolo.

Nelle reazioni termonucleari che avvengono sul Sole, quattro atomi dell'isotopo leggero dell'idrogeno vengono combinati in un atomo di elio con il rilascio di energia. Tuttavia, per le reazioni termonucleari prodotte sulla Terra, l'isotopo dell'idrogeno leggero (che costituisce il 99,985% di tutto l'idrogeno) non funzionerà, perché la reazione di fusione degli isotopi dell'idrogeno leggero ha una sezione trasversale estremamente piccola (probabilità di reazione). È questa bassa sezione trasversale della reazione che assicura la stabilità del Sole, altrimenti non sarebbe una reazione termonucleare stabile, ma un'esplosione termonucleare.

Per le reazioni termonucleari prodotte sulla Terra, è necessario "idrogeno pesante" - deuterio. Dell'idrogeno che esiste sulla Terra (per lo più sotto forma di acqua), il deuterio costituisce lo 0,015%. Può essere ottenuto per elettrolisi acqua naturale, in cui il deuterio è 0,0017% in massa. Tuttavia, oltre al deuterio, una reazione termonucleare richiede un secondo componente, il cui atomo deve essere 3 volte più pesante dell'idrogeno. Può essere "idrogeno superpesante", chiamato trizio, o lo stesso elio-3. Il trizio non esiste sulla Terra, inoltre è altamente radioattivo e instabile. Il trizio è adatto per bombe all'idrogeno e strutture sperimentali, ma non per reattori "industriali" (nelle bombe all'idrogeno, il trizio si forma quando il litio viene irradiato con neutroni come risultato della reazione: 6 Li + n -> 3 H + 4 He) . Una reazione termonucleare che coinvolge il trizio è descritta dalla seguente equazione: 2 H + 3 H -> 4 He + n + 17,6 MeV. È questa reazione che è considerata la principale nei progetti pianificati, in particolare nel progetto internazionale ITER in fase di creazione.

Tuttavia, lo svantaggio di una tale reazione è, in primo luogo, la necessità di trizio altamente radioattivo per essa e, in secondo luogo, il fatto che durante tale reazione si verifica una forte radiazione di neutroni. Pertanto, di recente sono stati creati progetti di una reazione termonucleare "senza neutroni", per la quale l'elio-3, un isotopo leggero dell'elio, funge da combustibile. Le equazioni per le reazioni "senza neutroni" sono le seguenti:

3 He + 3 He -> 4 He + 2p + 12,8 MeV,
3 He + D -> 4 He + p + 8,35 MeV.

Il vantaggio delle reazioni sull'elio-3 rispetto alla reazione deuterio-trizio è che, in primo luogo, non richiede isotopi radioattivi come combustibile e, in secondo luogo, l'energia risultante viene portata via non con neutroni, ma con protoni, da cui sarà più facile estrarre energia.

L'unico problema è l'assenza virtuale di elio-3 sulla Terra. Ma, come accennato in precedenza, l'elio-3 è nel suolo lunare. Quindi, per avere fonti di energia dopo l'esaurimento dei combustibili fossili, le agenzie spaziali paesi diversi stanno sviluppando piani per costruire una base sulla luna che elaborerà il suolo lunare (chiamato regolite), estrarrà elio-3 da esso e lo consegnerà in forma liquefatta alle centrali termonucleari sulla Terra. Una tonnellata di elio-3 è sufficiente per soddisfare il fabbisogno energetico di tutta l'umanità per diversi anni, il che ripagherà tutti i costi della creazione di una base lunare. Bush ha già fissato un obiettivo: creare una base lunare americana nel 2015-2020.

E cosa si fa oggi in Russia? Ecco una selezione di reportage delle agenzie di stampa

"La Russia può riprendere il programma lunare entro pochi anni
15 gennaio 2004

La Russia sta discutendo la questione della ripresa dei programmi per l'esplorazione della Luna e di Marte, ha detto a ITAR-TASS Nikolai Moiseev, primo vice capo di Rosaviakosmos. "Entro la fine dell'anno, verrà sviluppato il programma spaziale federale fino al 2015, che potrebbe includere questi progetti", ha affermato. Secondo Moiseev, "gli scienziati escogitano molte iniziative per organizzare spedizioni sulla Luna e su Marte, ma non si sa ancora quale di esse sarà inclusa nel programma federale".

La Russia può rilanciare il programma lunare entro pochi anni, afferma Roald Kremnev, primo vicedirettore generale della Lavochkin Research and Production Association.
"Dopo la riduzione del programma sovietico per l'esplorazione del satellite terrestre alla fine degli anni '70 del secolo scorso, supportiamo gli sviluppi scientifici e tecnici su questo argomento a livello moderno da oltre tre decenni", afferma Kremnev. Secondo lui, al momento attuale nell'impresa in cui è stato creato il leggendario "Lunokhod", "c'è un grave arretrato sugli automi lunari". La creazione e il lancio di un tale dispositivo, secondo Kremnev, costerà 600 milioni di rubli.

Secondo l'accademico Eric Galimov, membro dell'Ufficio del Consiglio spaziale dell'Accademia delle scienze russa, le fonti di energia lunare possono salvare la Terra da una crisi energetica globale. Il trizio estratto sulla Luna e consegnato sulla Terra può essere utilizzato per la fusione termonucleare, afferma lo scienziato.
Fonte: NEWSru.com

Uno scienziato russo propone di rastrellare carburante miracoloso dalla luna con i bulldozer
23 gennaio 2004

Accademico Accademia Russa Sci., membro del Bureau del RAS Space Council, Eric Galimov, ritiene che sia necessario iniziare immediatamente i preparativi per l'estrazione del combustibile lunare, riferisce ITAR-TASS. La produzione di elio-3 sulla Luna e la sua rimozione da parte di veicoli spaziali, secondo lui, possono essere avviate in 30-40 anni.

"Per fornire energia a tutta l'umanità per un anno, sono necessari solo due o tre voli. astronavi con una capacità di carico di 10 tonnellate, che consegnerà elio-3 dalla luna... Il costo della consegna interplanetaria sarà dieci volte inferiore al costo dell'elettricità attualmente generata nelle centrali nucleari", ha affermato Galimov.

Secondo lo scienziato, la consegna della sostanza può iniziare in 30-40 anni, ma è necessario iniziare subito a lavorare in quest'area. Secondo lui, lo sviluppo del progetto "richiederà solo 25-30 milioni di dollari". Lo scienziato propone di raccogliere l'elio-3 dalla superficie lunare con speciali bulldozer.
Fonte: Lenta.ru

Sul la settimana scorsa Nel suo discorso sul nuovo programma spaziale statunitense, il presidente Bush ha annunciato che dovrebbe essere stabilita una base permanente sulla Luna, che sarebbe il primo passo verso un'ulteriore esplorazione umana dello spazio. Ha anche affermato che il suolo lunare potrebbe essere riciclato per produrre carburante per missili e aria respirabile.

Bush ha citato come esempi due modi per riciclare il suolo lunare, ma l'elenco dei minerali lunari è in realtà piuttosto lungo... Il silicio che si trova nel suolo lunare può essere usato per produrre pannelli solari, ferro - per varie strutture metalliche, alluminio, titanio e magnesio - per creare una nave che andrà nello spazio lontano dalla Terra.
E, naturalmente, estrarranno l'isotopo dell'elio-3 sulla Luna, che è molto raro sulla Terra, e la sua produzione in condizioni terrestri è molto costosa.

(adattato da SiliconValley.com)

Nel marzo 2003, la leadership del programma spaziale cinese ha annunciato ufficialmente l'inizio dei lavori per l'invio di una sonda di ricerca sulla luna. Recentemente direttore scientifico Durante questo progetto, Ouyang Ziyuan, accademico dell'Accademia cinese delle scienze, ha annunciato che già in questa prima fase dell'esplorazione lunare, la Cina prevede di dare un grande contributo alla scienza e allo sviluppo delle tecnologie spaziali. Quindi il progetto lunare cinese promette di ripagarsi rapidamente.

La prima fase del programma di esplorazione lunare cinese misurerà, tra le altre cose, lo spessore del suolo lunare, stimerà l'età della superficie e determinerà la quantità di elio-3 disponibile lì (un rarissimo isotopo di elio trovato sulla Terra che può essere utilizzato come combustibile per un reattore a fusione)
(basato sui materiali SpaceDaily)

Interessanti pensieri su programmi spaziali, necessarie per ottenere le riserve di elio-3, sono riportate nell'articolo del candidato di scienze tecniche, corrispondente membro dell'Accademia di Cosmonautica. K. E. Tsiolkovsky Yuri Eskov "Per carburante pulito - per Urano, pubblicato in" Giornale russo", 11 aprile 2002. L'autore scrive che è ancora più efficiente che sulla Luna cercare l'elio-3 nelle atmosfere di pianeti giganti lontani, ad esempio Urano, dove l'elio-3 è 1:3000 (che è mille volte di più che nel lunare Su suggerimento dell'autore, "La produzione di elio-3 e la sua consegna sulla Terra dovrebbe essere effettuata da veicoli spaziali usa e getta senza pilota ("cisterne"), il cui motore elettronucleare con una potenza di 100.000 kW operano durante l'intero volo bidirezionale.In 10 anni, il dispositivo supererà una distanza difficile immaginabile di 6 miliardi di km Si noti che un motore in grado di coprire una distanza così gigantesca in un tempo accettabile (10 anni) può funzionare solo su energia nucleare utilizzando lo stesso combustibile delle attuali centrali nucleari (in linea di principio si può volare con batterie solari, ma poi l'apparato peserà centinaia di migliaia di tonnellate); inoltre il motore in questione è molto “sporco” dal punto di vista ambientale. ehm, quindi no problemi ambientali per la popolazione della Terra non crea.

Il sistema di alimentazione ininterrotta per i TNPP a terra con una capacità totale di 3 miliardi di kW sarà costituito da "petroliere" lanciate periodicamente (quattro volte all'anno) dall'orbita vicino alla Terra. Il veicolo avrà abbastanza carburante solo per un modo: volerà verso l'obiettivo con i serbatoi vuoti. Dopo aver volato su Urano ed essere entrata in un'orbita all'interno dell'atmosfera del pianeta, la "petroliera" inizierà a operare in modalità impianto per dividere l'atmosfera circostante in componenti: separerà l'elio-3 commerciale e l'idrogeno dal gas liquefatto, che viene utilizzato come combustibile per il volo di ritorno; la maggior parte dell'idrogeno e tutto l'elio ordinario saranno scaricati fuori bordo. Così il rifornimento di ritorno (senza il quale il compito del rientro è irrealizzabile) risulta essere di fatto gratuito. Come risultato del volo, 70 tonnellate di elio-3 liquido saranno trasportate in orbita vicino alla Terra; ci saranno circa 40 "petroliere" sulla rotta Terra-Urano in un dato momento.

Sorge spontanea una domanda: in che misura le tecnologie esistenti possono garantire il funzionamento di un tale sistema? Risposta: la maggior parte di questi elementi è disponibile, come si suol dire, “in hardware”, il resto è a livello di sviluppi progettuali molto avanzati, in parte portati alla fase sperimentale. Il problema principale qui è la centrale elettrica di bordo. Ad oggi, è stata accumulata un'enorme esperienza positiva nella creazione e nel funzionamento di reattori di centrali nucleari a terra con una capacità di 4 milioni di kW con una risorsa fino a 30 anni; la potenza dei reattori sottomarini nucleari raggiunge i 100.000 kW con una risorsa di decine di anni; reattori ad alta temperatura per motori nucleari spaziali sono stati testati sia negli Stati Uniti che in URSS. Per quanto riguarda le dimensioni del veicolo senza pilota lanciato (450 tonnellate, di cui 200 tonnellate di carburante), corrisponde in ordine di grandezza alla massa della ISS (e nel progetto finale, la massa della ISS dovrebbe essere ancora maggiore ); il flusso totale annuo di merci in orbita (1900 tonnellate) è inferiore a quello previsto per i programmi standard (comunicazioni spaziali, trasmissioni televisive, ecc.). La stragrande maggioranza degli elementi di un tale impianto orbitale di elio-idrogeno esiste già oggi e sta operando con successo nell'industria criogenica". L'autore afferma che anche con l'attuale livello di sviluppo tecnologico, un progetto del genere sarebbe abbastanza economicamente sostenibile: “Il prezzo di vendita dell'elettricità nel mondo è compreso tra 5 e 10 centesimi per kW. h. Dalla più semplice aritmetica è chiaro che la consegna di elio-3 da Urano rimarrà redditizia anche a un prezzo di 1 tonnellata di 10 miliardi di dollari. Il costo del lancio di uno di questi impianti in orbita è di 10 milioni di dollari per tonnellata (a proposito, questo è il prezzo attuale dell'oro), e nel breve termine i vettori riutilizzabili ridurranno questo prezzo a 1 milione di dollari per tonnellata di carico in uscita".

È diventato un luogo comune dire che le industrie ad alta intensità di conoscenza (nucleare, spaziale, ecc.) Sono la locomotiva dell'economia. Il caso dell'elio-3 è lo stesso. Questo metodo, che risolverà problema energetico per un tempo sufficientemente lungo, se ci sono opportunità di trovare fondi per la sua attuazione, può diventare un'opportunità per il progresso delle industrie russe ad alta intensità di scienza: sia l'astronautica (che è un argomento di discussione a parte) che la tecnologia termonucleare.
Al momento, ci sono due direzioni principali nella fusione termonucleare: i tokamak e la fusione laser. La prima di queste opzioni è attualmente in corso di attuazione nel progetto del reattore termonucleare sperimentale internazionale ITER. Questo reattore è progettato secondo lo schema "tokamak" (che significa un'abbreviazione per la frase "Camera toroidale con bobine magnetiche"). Il principio di funzionamento di un tokamak è il seguente: una corrente elettrica viene creata in un fascio di plasma e allo stesso tempo, come qualsiasi corrente, ha il suo campo magnetico: il fascio di plasma, per così dire, diventa esso stesso un magnete . E poi, con l'aiuto di un campo magnetico esterno di una certa configurazione, una nuvola di plasma è stata sospesa al centro della camera, impedendogli di entrare in contatto con le pareti. Ci sono sempre ioni ed elettroni liberi nel gas, che iniziano a muoversi in cerchio nella camera. Questa corrente riscalda il gas, il numero di atomi ionizzati aumenta, la forza della corrente aumenta e la temperatura del plasma aumenta contemporaneamente. Ciò significa che il numero di nuclei di idrogeno che si sono fusi in un nucleo di elio e hanno rilasciato energia è in aumento. Tuttavia, esperimenti iniziati quasi cinquant'anni fa presso l'Istituto di energia atomica di Mosca hanno mostrato che il plasma sospeso in un campo magnetico si è rivelato instabile: il coagulo di plasma "decadeva" molto rapidamente ed è caduto sulle pareti della camera. Si è scoperto che una combinazione di una serie di processi fisici complessi porta all'instabilità. Inoltre, si è scoperto che il tempo di confinamento stabile del plasma aumenta con le dimensioni dell'impianto. La più grande macchina domestica TOKAMAK-15 ha già una camera a vuoto toroidale con un diametro esterno "ciambella" di oltre cinque metri. Grandi tokamak di ricerca sono stati costruiti in Russia, Giappone, Stati Uniti, Francia e Inghilterra. E alcuni anni fa, gli esperti sono giunti alla conclusione che i restanti problemi irrisolti dovrebbero essere studiati in una struttura il più vicino possibile a un reattore termonucleare di potenza reale. Questa comprensione ha portato alla creazione di ITER. Questa variante di condurre una reazione termonucleare controllata differisce da tutte le altre installazioni e metodi principalmente in quanto è sostanzialmente andata oltre il regno dei dubbi e delle ricerche. Grazie al vasto database di dati fisici e ingegneristici accumulati in cinquant'anni di ricerca, si è avvicinato allo stadio di un reattore sperimentale. Questo, a quanto pare, ha ispirato la comunità internazionale a creare ITER - gli scienziati hanno deciso che anche un paese ricco non ha alcun senso costruire un reattore termonucleare da solo - il risultato saranno conoscenze ed esperienze che diventeranno comunque proprietà comune e non contribuiranno immediatamente a nulla all'economia nazionale. Allo stesso tempo, unendo le forze, è possibile accelerare notevolmente il progresso verso la fusione operativa e ridurre i propri costi. Pertanto, nel 1992, è stato firmato un accordo sul progetto tecnico congiunto del reattore ITER sotto gli auspici dell'AIEA. E il suo progetto concettuale su iniziativa del nostro paese è iniziato quattro anni prima. Il team di progettazione di ITER comprendeva specialisti dell'Unione Europea, della Russia, degli Stati Uniti e del Giappone.
Un'altra direzione sulla strada per una reazione termonucleare controllata è la fusione termonucleare laser (LTF). Sta nel fatto che il bersaglio delle "materie prime" per una reazione termonucleare viene irradiato da tutti i lati da raggi laser, e quindi lì si creano condizioni sufficienti per l'attuazione di una reazione termonucleare. La difficoltà è come implementarlo tecnicamente. Il mio lavoro di tesi consiste nello svolgere simulazioni al computer del fenomeno della risonanza ottica in bersagli sferici sotto irradiazione laser. I calcoli mostrano che, in determinate condizioni, si verifica una concentrazione di energia in un bersaglio ottico, alla quale possono verificarsi le condizioni necessarie per una reazione termonucleare.

Lo stato che padroneggia la tecnologia della fusione termonucleare, questa tecnologia prima di altre, riceverà enormi vantaggi rispetto ad altri. Affinché la Russia non rimanga alla periferia della civiltà e partecipi allo sviluppo di questi progetti, è necessaria la volontà politica della leadership statale, proprio come è stato con il nucleare sovietico e progetti spaziali a metà del Novecento.

Candidato di scienze fisiche e matematiche A. PETRUKOVICH.

Con la mano leggera del presidente americano, alla fine del 2003, è stata posta all'ordine del giorno la questione dei nuovi obiettivi per l'umanità nello spazio. L'obiettivo di costruire una stazione con equipaggio sulla Luna, tra le altre proposte, è in parte basato sull'idea allettante di utilizzare le riserve lunari uniche di elio-3 per generare energia sulla Terra. Se l'elio lunare è utile o meno, il futuro lo mostrerà, ma la storia al riguardo è piuttosto affascinante e ci permette di confrontare le nostre conoscenze sulla struttura del nucleo atomico e del sistema solare con gli aspetti pratici dell'energia e dell'estrazione mineraria.

Scienza e vita // Illustrazioni

PERCHÉ? O FUSIONE NUCLEARE - L'ALCHIMIA IN REALTÀ

Trasformare il piombo in oro era il sogno degli alchimisti medievali. Come sempre, la natura si è rivelata più ricca delle fantasie umane. Le reazioni di fusione nucleare hanno creato tutta la diversità elementi chimici gettando le basi materiali del nostro mondo. Tuttavia, la fusione può anche fornire qualcosa di molto più prezioso dell'oro: l'energia. Le reazioni nucleari in questo senso sono simili alle reazioni chimiche (cioè le reazioni di trasformazione molecolare): ogni sostanza composta, sia essa una molecola o un nucleo atomico, è caratterizzata dall'energia di legame che deve essere spesa per distruggere il composto, e che è rilasciato quando si è formato. Quando l'energia di legame dei prodotti di reazione è superiore a quella dei materiali di partenza, la reazione procede con il rilascio di energia e, se impari a prenderla in una forma o nell'altra, i materiali di partenza possono essere utilizzati come combustibile. Tra i processi chimici, il più efficace in questo senso, come sapete, è la reazione di interazione con l'ossigeno - combustione, che oggi funge da principale e insostituibile fonte di energia nelle centrali elettriche, nei trasporti e nella vita di tutti i giorni (ancora di più l'energia viene rilasciata durante la reazione del fluoro, in particolare del fluoro molecolare, con l'idrogeno; tuttavia, sia il fluoro stesso che l'acido fluoridrico sono sostanze estremamente aggressive).

L'energia di legame di protoni e neutroni nel nucleo è molto maggiore di quella che lega gli atomi alle molecole e può essere letteralmente pesata usando la grande formula di Einstein e = mc 2: la massa del nucleo atomico è notevolmente inferiore alle masse dei singoli protoni e neutroni che lo compongono. Pertanto, una tonnellata di combustibile nucleare sostituisce molti milioni di tonnellate di petrolio. Tuttavia, la fusione è chiamata fusione termonucleare per un motivo: per superare la repulsione elettrostatica quando due cariche positive nuclei atomici, è necessario disperderli correttamente, cioè riscaldare il combustibile nucleare a centinaia di milioni di gradi (ricordiamo che la temperatura è una misura dell'energia cinetica delle particelle). Infatti a tali temperature non abbiamo più a che fare con gas o liquidi, ma con il quarto stato della materia - plasma, in cui non ci sono atomi neutri, ma solo elettroni e ioni.

In natura, tali condizioni adatte alla fusione esistono solo negli interni delle stelle. Il sole deve la sua energia al cosiddetto ciclo di reazioni dell'elio: la sintesi di un nucleo di elio-4 a partire dai protoni. Nelle stelle giganti e nelle esplosioni di supernova nascono anche elementi più pesanti, formando così l'intera varietà di elementi dell'Universo. (Vero, si ritiene che parte dell'elio possa essersi formata direttamente alla nascita dell'Universo, durante il Big Bang.) Il sole in questo senso non è il generatore più efficiente, perché brucia a lungo e lentamente : il processo è rallentato dalla prima e più lenta reazione di fusione del deuterio da due protoni. Tutte le seguenti reazioni sono molto più veloci e divorano immediatamente il deuterio disponibile, trasformandolo in nuclei di elio in più stadi. Di conseguenza, anche supponendo che solo un centesimo della materia solare nel suo nucleo partecipi alla fusione, il rilascio di energia è di soli 0,02 watt per chilogrammo. Tuttavia, è proprio questa lentezza, spiegata principalmente dalla piccola, per standard stellari, massa del luminare (il Sole appartiene alla categoria dei subnani) e garantendo la costanza del flusso di energia solare per molti miliardi di anni, dobbiamo l'esistenza stessa della vita sulla Terra. Nelle stelle giganti, la trasformazione della materia in energia è molto più veloce, ma di conseguenza si esauriscono completamente in decine di milioni di anni, senza nemmeno avere il tempo di acquisire correttamente i sistemi planetari.

Avendo deciso di realizzare la fusione termonucleare in laboratorio, l'uomo supererà in questo modo la natura, creando un generatore di energia più efficiente e compatto del Sole. Tuttavia, possiamo scegliere una reazione molto più facilmente implementabile: la sintesi di elio da una miscela di deuterio e trizio. Si prevede che il previsto reattore termonucleare internazionale - il tokamak ITER sarà in grado di raggiungere la soglia di accensione, dalla quale, tuttavia, è ancora molto, molto lontano dall'uso commerciale. energia di fusione(vedi "Scienza e vita" n. ,, 2001). Il problema principale, come sapete, è mantenere il plasma riscaldato alla temperatura desiderata. Poiché nessun muro a una tale temperatura può sfuggire alla distruzione, cercano di mantenere la nuvola di plasma campo magnetico. A bomba all'idrogeno il problema è risolto dall'esplosione di una piccola carica atomica, che comprime e riscalda la miscela alla condizione richiesta, ma questo metodo non è molto adatto per la produzione pacifica di energia. (Sulle prospettive della cosiddetta energia esplosiva, cfr. "Scienza e Vita" n. 7, 2002)

Il principale svantaggio della reazione deuterio-trizio è l'elevata radioattività del trizio, la cui emivita è di soli 12,5 anni. Questa è la reazione più radioattiva disponibile, tanto che in un reattore industriale, le pareti interne della camera di combustione dovranno essere sostituite ogni pochi anni a causa della distruzione per radiazione del materiale. È vero, le scorie radioattive più dannose, che richiedono una sepoltura indefinita in profondità nel sottosuolo a causa del lungo tempo di decadimento, non si formano affatto durante la sintesi. Un altro problema è che l'energia rilasciata viene portata via principalmente dai neutroni. Queste particelle elettricamente scariche non si notano campo elettromagnetico e generalmente non interagiscono bene con la materia, quindi non è facile trarne energia.

Le reazioni di fusione prive di trizio, come quelle che coinvolgono deuterio ed elio-3, sono praticamente sicure per le radiazioni perché utilizzano solo nuclei stabili e non producono neutroni scomodi. Tuttavia, per "accendere" una tale reazione, è necessario, per compensare la velocità di fusione inferiore, riscaldare il plasma dieci volte di più - fino a un miliardo di gradi (risolvendo contemporaneamente il problema della sua ritenzione)! Pertanto, oggi tali opzioni sono considerate come la base per futuri reattori termonucleari di seconda generazione, dopo quella di deuterio-trizio. Tuttavia, l'idea di questa energia termonucleare alternativa ha guadagnato alleati inaspettati. I fautori della colonizzazione spaziale considerano l'elio-3 uno dei principali obiettivi economici dell'espansione lunare, che dovrebbe fornire all'umanità il bisogno di energia termonucleare pulita.

DOVE? O OSPITE SOLEGGIATO

A prima vista, non dovrebbero esserci problemi su dove trovare l'elio: è il secondo elemento più abbondante nell'Universo e il contenuto relativo dell'isotopo leggero in esso contenuto è poco meno di un millesimo. Tuttavia, per la Terra, l'elio è esotico. È un gas altamente volatile. La Terra non può trattenerlo per gravità e quasi tutto l'elio primario che è caduto su di essa da una nuvola protoplanetaria durante la formazione del sistema solare è tornato dall'atmosfera nello spazio. Anche l'elio fu scoperto per la prima volta sul Sole, motivo per cui prese il nome dall'antico dio greco Helios. Successivamente è stato trovato in minerali contenenti elementi radioattivi, e infine ripescato nell'atmosfera tra altri gas nobili. L'elio terrestre non è principalmente di origine cosmica, ma di radiazione secondaria: durante il decadimento degli elementi chimici radioattivi, le particelle alfa volano via - nuclei di elio-4. L'elio-3 non si forma in questo modo, e quindi la sua quantità sulla Terra è trascurabile e viene letteralmente calcolata in chilogrammi.

Puoi fare scorta di elio di origine cosmica (con un contenuto relativamente alto di elio-3) nelle atmosfere di Urano o Nettuno, pianeti abbastanza grandi da contenere questo gas leggero, o nel Sole. Si è scoperto che è più facile avvicinarsi all'elio solare: l'intero spazio interplanetario è riempito dal vento solare, in cui 70mila protoni rappresentano 3000 particelle alfa: nuclei di elio-4 e un nucleo di elio-3. Questo vento è estremamente rarefatto, per gli standard terreni è un vero vuoto ed è impossibile catturarlo con una rete (vedi Nauka i Zhizn, n. 7, 2001). corpi celestiali, che non hanno magnetosfera e atmosfera, ad esempio sulla Luna, e, quindi, è possibile svuotare qualche trappola naturale che viene regolarmente rifornita negli ultimi quattro miliardi di anni. Come risultato del bombardamento al plasma, diverse centinaia di milioni di tonnellate di elio-3 caddero sulla Luna durante questo periodo. Se l'intero vento solare rimanesse sulla superficie della Luna, oltre a 5 grammi di elio-3, in media, ci sarebbero altri 100 chilogrammi di idrogeno e 16 chilogrammi di elio-4 su ogni metro quadrato di superficie. Da questa quantità si potrebbe creare un'atmosfera abbastanza decente, solo un po' più rarefatta di quella marziana, o un oceano di gas liquido profondo due metri!

Tuttavia, non c'è nulla di simile sulla Luna e solo una piccolissima frazione degli ioni del vento solare rimane per sempre nello strato superiore del suolo lunare: la regolite. Gli studi sul suolo lunare portato sulla Terra dalle stazioni Luna sovietiche e dall'Apollo americano hanno mostrato che l'elio-3 in esso contenuto è di circa 1/100 milionesimo, o 0,01 grammi per 1 tonnellata. E in totale, ci sono circa un milione di tonnellate di questo isotopo sulla Luna, molto per gli standard terrestri. All'attuale livello di consumo energetico mondiale, il carburante lunare sarebbe sufficiente per 10mila anni, che è circa dieci volte più del potenziale energetico di tutti i combustibili chimici recuperabili (gas, petrolio, carbone) sulla Terra.

COME? O "PRODUZIONE PER GRAMMO, LAVORO PER ANNO"

Sfortunatamente, sulla Luna non ci sono "laghi" di elio, esso è più o meno uniformemente disperso sull'intero strato superficiale. Tuttavia, da un punto di vista tecnico, il processo di estrazione è abbastanza semplice ed è stato sviluppato in dettaglio da appassionati della colonizzazione della Luna (vedi, ad esempio, www.asi.org).

Per soddisfare l'attuale fabbisogno energetico annuale della Terra, è necessario portare solo circa 100 tonnellate di elio-3 dalla Luna. È questo numero, corrispondente a tre o quattro voli di navette spaziali - navette, che affascina con la sua disponibilità. Tuttavia, prima devi scavare circa un miliardo di tonnellate di suolo lunare, non una quantità così grande per gli standard dell'industria mineraria: ad esempio, nel mondo vengono estratti due miliardi di tonnellate di carbone all'anno (in Russia - circa 300 milioni di tonnellate). Naturalmente, il contenuto di elio-3 nella roccia non è troppo elevato: ad esempio, lo sviluppo di depositi è considerato conveniente se contengono almeno pochi grammi di oro e almeno due carati (0,4 g) di diamanti per tonnellata. In questo senso, l'elio-3 può essere paragonato solo al radio, di cui si sono ottenuti solo pochi chilogrammi dall'inizio del XX secolo: dopo aver lavorato una tonnellata di uranio puro, si ottengono solo 0,4 grammi di radio, per non parlare i problemi dell'estrazione dell'uranio stesso. All'inizio del secolo scorso, durante il periodo di un atteggiamento romantico nei confronti della radioattività, il radio era piuttosto popolare e noto non solo ai fisici, ma anche ai parolieri: ricordiamo la frase di V.V. . Ma l'elio-3 è più costoso di quasi tutte le sostanze utilizzate dall'uomo: una tonnellata costerebbe almeno un miliardo di dollari, se si converte il potenziale energetico dell'elio in petrolio equivalente a un prezzo d'occasione di 7 dollari al barile.

Il gas viene facilmente rilasciato dalla regolite riscaldata a diverse centinaia di gradi, diciamo, con l'aiuto di uno specchio che concentra i raggi solari. Non dimentichiamo che dobbiamo ancora separare l'elio-3 da un numero molto maggiore di altri gas, principalmente dall'elio-4. Questo viene fatto raffreddando i gas allo stato liquido e sfruttando la differenza insignificante nei punti di ebollizione degli isotopi (4,22 K per l'elio-4 o 3,19 K per l'elio-3). Un altro metodo elegante di separazione si basa sull'uso della proprietà di superfluidità dell'elio-4 liquido, che può fluire indipendentemente attraverso una parete verticale in un contenitore adiacente, lasciando dietro di sé solo elio-3 non superfluido (vedi "Scienza e vita" n. 2, 2004).

Purtroppo, tutto questo dovrà essere fatto in uno spazio senz'aria, non nelle condizioni di "serra" della Terra, ma sulla Luna. Diverse città minerarie dovranno essere trasferite lì, il che, in sostanza, significa la colonizzazione della luna. Ora, centinaia di specialisti stanno monitorando la sicurezza di diversi astronauti in orbita vicino alla Terra e in qualsiasi momento l'equipaggio può tornare sulla Terra. Se decine di migliaia di persone si trovano nello spazio, dovranno vivere da sole nel vuoto, senza una supervisione dettagliata dalla Terra, e provvedere a se stesse con acqua, aria, carburante e materiali da costruzione di base. Tuttavia, sulla Luna c'è abbastanza idrogeno, ossigeno e metalli. Molti di loro possono essere ottenuti come sottoprodotto dell'estrazione dell'elio. Allora, forse, l'elio-3 può diventare una merce redditizia per il commercio con la Terra. Ma poiché le persone in condizioni così difficili avranno bisogno di molta più energia rispetto ai terrestri, le riserve lunari di elio-3 potrebbero non sembrare così illimitate e attraenti per i nostri discendenti.

A proposito, c'è una soluzione alternativa per questo caso. Se ingegneri e fisici trovano un modo per far fronte alla ritenzione di una temperatura dieci volte superiore a quella necessaria per un moderno tokamak, il plasma di elio (un compito che ora sembra del tutto fantastico), allora aumentando la temperatura solo di altre due volte, lo faremo " accendere" la sintesi di reazione che coinvolge protoni e boro. Quindi tutti i problemi con il carburante saranno risolti e a un prezzo molto più basso: c'è più boro nella crosta terrestre rispetto, ad esempio, all'argento o all'oro, è ampiamente usato come additivo in metallurgia, elettronica e chimica. Gli impianti di estrazione e lavorazione producono centinaia di migliaia di tonnellate di vari sali contenenti boro all'anno e, se non abbiamo riserve sufficienti a terra, allora in ogni tonnellata acqua di mare contiene diversi grammi di boro. E colui che ha una fiala di acido borico nella sua cassetta di pronto soccorso può presumere di avere la propria riserva di energia per il futuro.

Letteratura

Bronstein M. P. Sostanza solare. - Terra Book Club, 2002.

Terreno lunare da un mare di abbondanza. - M.: Nauka, 1974.

Didascalie per illustrazioni

malato. 1. Il ciclo dell'elio delle reazioni di fusione nucleare inizia con la fusione di due protoni in un nucleo di deuterio. Nelle fasi successive si formano nuclei più complessi. Scriviamo i primi reazioni semplici, di cui avremo bisogno in quanto segue.
p + p → D + e - + n
D + D → T + p o
D + D → 3 He + n
D + T → 4 He + n
D + 3 Lui → 4 Lui +2 p
p + 11 Be → 3 4 He
La velocità di reazione è determinata dalla probabilità di superare la barriera elettrostatica quando due ioni caricati positivamente si avvicinano e dalla probabilità dell'effettiva fusione dei nuclei (la cosiddetta sezione d'interazione). In particolare, maggiore è l'energia cinetica del nucleo e minore è la sua carica elettrica, maggiore è la probabilità di superare la barriera elettrostatica e maggiore è la velocità di reazione (vedi grafico). Il parametro chiave della teoria dell'energia termonucleare - il criterio di innesco della reazione - determina a quale densità e temperatura del combustibile plasmatico l'energia rilasciata durante la fusione (proporzionale alla velocità di reazione moltiplicata per la densità del plasma e il tempo di combustione) supererà i costi di riscaldamento al plasma, tenendo conto delle perdite e dell'efficienza. La reazione di deuterio e trizio ha la massima velocità e, per ottenere l'accensione, un plasma con una concentrazione di circa 10 14 cm -3 deve essere riscaldato a un milione e mezzo di gradi e mantenuto per 1-2 secondi. Per ottenere un bilancio energetico positivo nelle reazioni su altri componenti - elio-3 o boro, la velocità inferiore deve essere compensata aumentando di dieci volte la temperatura e la densità del plasma. Ma con una collisione riuscita di due nuclei, viene rilasciata energia, mille volte maggiore dell'energia spesa per riscaldarli. Le reazioni iniziali del ciclo dell'elio, che formano deuterio e trizio nel nucleo solare, procedono così lentamente che le curve corrispondenti non cadono nel campo di questo grafico.

malato. 2. Il vento solare è un flusso di plasma rarefatto che defluisce costantemente superficie solare nello spazio interplanetario. Il vento porta via solo circa 3x10 -14 masse solari all'anno, ma è questo vento che risulta essere il componente principale del mezzo interplanetario, spostando il plasma interstellare dalle vicinanze del Sole. È così che viene creata l'eliosfera, una specie di bolla con un raggio di circa cento unità astronomiche, che si muove insieme al Sole attraverso il gas interstellare. Come sperano gli astronomi, i satelliti americani Voyager 1 e Voyager 2 si stanno avvicinando al suo confine, che presto diventerà il primo veicolo spaziale a lasciare il sistema solare. Il vento solare fu scoperto per la prima volta dalla stazione interplanetaria sovietica "Luna-2" nel 1959, tuttavia erano note in precedenza prove indirette della presenza di un flusso corpuscolare proveniente dal Sole. È il vento solare che gli abitanti della Terra devono tempeste magnetiche(vedi "Scienza e vita" n. 7, 2001). All'orbita della Terra, il vento contiene in media solo sei ioni per centimetro cubo, che si muovono alla velocità sbalorditiva di 450 km/s, che però non è così veloce dalla scala del sistema solare: ci vuole tre giorni per viaggiare sulla Terra. Il vento solare è composto per il 96% da protoni e per il 4% da nuclei di elio. La mescolanza di altri elementi è insignificante.

malato. 3. La regolite lunare è uno strato piuttosto sciolto sulla superficie della Luna, spesso diversi metri. È costituito principalmente da piccoli frammenti con una dimensione media inferiore al millimetro, accumulati in miliardi di anni a seguito della distruzione delle rocce lunari durante gli sbalzi di temperatura e gli impatti dei meteoriti. Gli studi sul suolo lunare hanno mostrato che più ossidi di titanio nella regolite, più atomi di elio.

malato. 4. La presenza di titanio nello strato superficiale è facilmente rilevabile mediante analisi spettroscopica remota (colore rosso nell'immagine a destra della figura ottenuta dal satellite Clementine), e si ottiene così una mappa dei "depositi" di elio, che , in genere, coincidono con la localizzazione dei mari lunari.

malato. 5. Per estrarre una tonnellata di elio-3, è necessario elaborare lo strato superficiale di regolite su un'area di almeno 100 chilometri quadrati. Lungo il percorso sarà possibile ottenere una notevole quantità di altri gas utili per organizzare la vita sulla luna. Immagini tratte dal sito

Ha due protoni e due neutroni.

YouTube enciclopedico

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✪ Elio - SUPERFLUID E L'ELEMENTO PIÙ FREDDO!

✪ Elio superfluido. Università di Stoccarda

✪ Prospettive per l'energia termonucleare (dice il fisico Anton Tyulusov)

✪ Operazione "Elio"

✪ Operazione "Elio". 3a serie

Sottotitoli

Voglio consigliarvi il canale di Andrey della laurea su cui gira un video corso chimica organica per il grado 10 sono ora disponibili sul suo canale più di 40 video su 12 argomenti iscriviti al canale di andrey per pubblicare e giocare a 100 punti, quindi oggi ti parlerò del gas nobile più diffuso nell'universo prevedibile, che peraltro , può anche acquisire proprietà superfluidi uniche a temperature estremamente basse incontrando l'elio tavola periodica questo elemento si trova nell'angolo in alto a destra, è molto facile trovarlo al numero 2, penso che oggi le persone conoscano questo gas inerte fin dall'infanzia, perché grazie alla sua leggerezza rispetto all'aria, l'elio è ottimo per gonfiare i palloncini delle vacanze che ai bambini piaccia così tanto, tutto questo perché la massa molare dell'elio è circa sette volte inferiore masse molari aria, ma ancora, in termini di prevalenza, gli hels sulla terra sono estremamente rari nell'aria, è solo una parte per milione; il decadimento dell'uranio o del torio nella crosta terrestre, l'elio può accumularsi nei vuoti sotterranei con gas naturale e non sfuggire nell'atmosfera, tuttavia, se prendiamo una scala più ampia, allora nell'intero universo osservabile o prenderà un onorevole secondo posto in abbondanza tra tutti gli elementi, cedendo solo all'idrogeno e formando circa un quarto da tutti gli atomi, immagina solo che tutti gli atomi sono più pesanti del gel forma solo il due percento della massa della massa totale della materia qui puoi sentire quanto siamo piccoli sulla scala dell'universo, la parte principale del caso è nella composizione delle stelle o nell'atmosfera di giganti gassosi in cui, come in tutto l'universo, ne contiene circa il 20 per cento Secondo i dati odierni, la parte principale del gel che si trova nello spazio si è formata durante Big Bang circa 14 miliardi di anni fa, torniamo ora dal cielo alla terra e consideriamo le proprietà di questo gas in un esperimento più tangibile Ho una piccola fiala con elio, che è a una pressione molto bassa, circa un centesimo della pressione atmosferica, si può vedere che il gel non ha colore, non ha sapore o odore, potresti sapere se hai mai provato a respirare questo gas, tuttavia, tali esperimenti sono estremamente pericolosi poiché le nostre cellule non respirano elio, hanno bisogno di ossigeno per questo , ha persino costretto gli attuali venditori di palloncini con gel a palloncino ad aggiungere fino al 20 percento di ossigeno che hai appeso alle feste è diventato più sicuro se una scarica ad alta frequenza viene fatta passare attraverso l'oculo con il gel alta tensione quindi inizierà a brillare debolmente arancia la cui luminosità dipenderà dal voltaggio e dal diametro dell'ampolla che ho utilizzato come sorgente di tensione per il generatore di cui dpla conosceva e che mi ha dato la possibilità di tenere l'ampolla proprio in mano e per la presenza di una capacità elettrica nel mio corpo, in linea di principio, come qualsiasi altro, a differenza di esso o allo xeno, l'elio si accende già a distanza dal filo del generatore, poiché ha meno energia di ionizzazione, purtroppo, da un punto di vista chimico, non brilla proprio con proprietà interessanti, non reagisce con quasi nessuna sostanza, anche se sotto forma di plasma sembra che quello che vedi in una fiala di gel possa formare un composto estremamente instabile con idrogeno, deuterio o alcuni metalli e ad alte pressioni di migliaia di atmosfere, si formano anche sostanze speciali da klart ed elio di azoto, che sotto forma di cristalli possono crescere su substrati diamantati, peccato che tutte queste sostanze siano molto instabili ed è quasi impossibile vederle in condizioni normali ma non c'è bisogno di arrabbiarsi Dopotutto, il gel ha il più interessante e unico Proprietà fisiche di tutti i gas, il fatto è che quando viene raffreddato a una temperatura di 42 kelvin, diventa effettivamente il liquido più leggero e anche più freddo, la cui densità è quasi 10 volte inferiore alla densità dell'acqua in gradi Celsius, si ottiene elio liquido a pazzo meno duecentosessantotto gradi, che è molto freddo così freddo che alcuni metalli a questa temperatura diventano superconduttori, ad esempio mercurio o niobio, per mantenere una temperatura così bassa, l'elio liquido si trova in una doppia nave Dewar , che è ancora raffreddato dall'esterno con azoto liquido. La stessa tecnologia per il raffreddamento dell'elio liquido è utilizzata nei dispositivi moderni per creare risonanza magnetica nucleare in essi connessione superconduttori il niobio è raffreddato con elio liquido, che, a causa del suo costo elevato, è in girare raffreddato con azoto liquido più economico, quindi il gel liquido serve medicina e anche per la ricerca degli scienziati, ma la cosa più interessante deve ancora venire prima, ti ho parlato della prima forma di g liquido elio, il cosiddetto elio 1, ma se inizia a raffreddarsi abbassando la pressione nel recipiente, l'elio liquido finirà per passare sopra il cosiddetto linda. vale a dire, si raffredda al di sotto di una temperatura di due diciassette centesimi di kelvin e diventa la seconda forma di elio liquido, dopodiché l'ebollizione del liquido si interrompe istantaneamente e l'elio liquido cambia radicalmente le sue proprietà a questa temperatura, l'elio liquido termoconduttore aumenta di milioni di volte e diventa superiore a quello del rame o dell'argento, quindi il liquido non bolle perché il calore viene trasferito istantaneamente e in modo uniforme in tutto il volume, inoltre, raggiunto il punto lambda, l'elio diventa un liquido superfluido, cioè perde assolutamente tutta la viscosità, cioè la resistenza di una parte del liquido al movimento rispetto all'altra, c'è un ottimo esperimento che lo dimostra se versato in una tazzina sospesa sopra l'elio corrente può poi salire lungo le pareti del contenitore in sotto forma di un film sottile e fuoriesce dalla tazza, inoltre, passa facilmente attraverso uno strato di ceramica con una dimensione dei pori di circa un micron, e più bassa è la temperatura dell'elio liquido, più facilmente questo liquido attraversa la barriera sorprendentemente anche il fatto che l'elio liquido in una forma così raffreddata abbia ancora una viscosità che può essere vista in 2 modi la trasformazione del cilindro, gli strati del liquido trasferiscono ancora la rotazione alle pale dall'alto, come può essere, ma qui altro i meccanismi quantistici svolgono già un ruolo il cui comportamento è fondamentalmente diverso dalle leggi meccanica classicaè come se ci fosse viscosità, ma io no allo stesso tempo, è così che si può caratterizzare in linea di principio, e tra l'altro, per la prima volta, i fenomeni di superfluidità dell'elio liquido sono stati scoperti dallo scienziato sovietico Peter Kapitsa nel 1938, e già nel 1962, Lev Landau sviluppò una teoria di questo effetto, pensate che è tutto, ma eccoci qua il tema delle stelle e dei voli spaziali attende ancora prima che vi parlassi dell'isotopo più comune elio ed elio 4 che ha due protoni e due neutroni tuttavia c'è ancora un isotopo estremamente raro elio-3 che ha due protoni e un neutrone il fatto è che questo isotopo ottimo per condurre reazioni di fusione termonucleare con deuterio e in teoria questo processo può aiutare l'umanità ad abbandonare i combustibili fossili, ma il problema è che sulla terra questo isotopo è incredibilmente raro perché evapora immediatamente dall'atmosfera, ma sulla luna dove l'atmosfera non ha questo isotopo molto meglio conservato ipoteticamente, le persone potrebbero estrarre elio-3 dalla polvere di regolite lunare e usarlo per come fonte di energia sulla terra, ma finora sembra solo una fantasia su questo argomento, hanno persino realizzato un eccellente film moon 2112, lo consiglio per la visione e alla fine possiamo dire che un gas elio così comune ha proprietà sorprendenti a basse temperature, le sue proprietà sono ora utilizzate ovunque, ad esempio in medicina o per ricerca scientifica in cui, ad esempio, l'elio gassoso viene utilizzato come gas di trasporto in cromatografia, ma se questo video vi è piaciuto non dimenticate di iscrivervi al canale e di cliccare sulla campanella e mettere mi piace per saperne di più cose nuove e interessanti in futuro

Prevalenza

Apertura

L'esistenza dell'elio-3 è stata suggerita dallo scienziato australiano Mark Oliphant mentre lavorava all'Università di Cambridge nel . Questo isotopo è stato finalmente scoperto da Luis Alvarez e Robert Kornog in .

Proprietà fisiche

Ricevuta

Attualmente, l'elio-3 non viene estratto da fonti naturali (sulla Terra sono disponibili quantità insignificanti di elio-3, che sono estremamente difficili da estrarre), ma è creato dal decadimento del trizio ottenuto artificialmente.

Prezzo

Il prezzo medio dell'elio-3 nel 2009 era, secondo alcune stime, di circa 930 dollari al litro.

Piani minerari di elio-3 sulla Luna

L'elio-3 è un sottoprodotto delle reazioni che avvengono sul Sole e si trova in una certa quantità nel vento solare e nel mezzo interplanetario. L'elio-3 che entra nell'atmosfera terrestre dallo spazio interplanetario si dissipa rapidamente, la sua concentrazione nell'atmosfera è estremamente bassa

Ipoteticamente, durante la fusione termonucleare, quando 1 tonnellata di elio-3 reagisce con 0,67 tonnellate di deuterio, viene rilasciata energia equivalente alla combustione di 15 milioni di tonnellate di petrolio (tuttavia, la fattibilità tecnica di questa reazione non è stata studiata al momento). Di conseguenza, la popolazione del nostro pianeta della risorsa lunare di elio-3 (secondo le stime massime) potrebbe essere sufficiente per circa cinque millenni. Il problema principale rimane la realtà dell'estrazione dell'elio dalla regolite lunare. Come accennato in precedenza, il contenuto di elio-3 nella regolite è di circa 1 g per 100 tonnellate Pertanto, per estrarre una tonnellata di questo isotopo, è necessario elaborare in loco almeno 100 milioni di tonnellate di terreno.

Utilizzo

Contatori di neutroni

I contatori di gas riempiti con elio-3 vengono utilizzati per il rilevamento dei neutroni. Questo è il metodo più comune per misurare il flusso di neutroni. Reagiscono

n+ 3 He → 3 H + 1 H + 0,764 MeV.

I prodotti carichi di reazione - tritone e protone - sono registrati da un contatore di gas operante nella modalità di un contatore proporzionale o di un contatore Geiger-Muller.

Ottenere temperature ultra basse

Dissolvendo l'elio liquido-3 in elio-4, si raggiungono le temperature in millikelvin.

La medicina

Elio-3 come combustibile nucleare

La reazione 3 He + D → 4 He + p presenta numerosi vantaggi rispetto alla reazione deuterio-trizio più ottenibile T + D → 4 He + n in condizioni terrestri. Questi vantaggi includono:

Decine di volte il flusso di neutroni inferiore dalla zona di reazione, che riduce drasticamente la radioattività indotta e il degrado dei materiali strutturali del reattore;
I protoni risultanti, a differenza dei neutroni, vengono facilmente catturati e possono essere utilizzati per generare elettricità aggiuntiva, ad esempio in un generatore MHD;
Le materie prime di sintesi sono inattive e la loro conservazione non richiede particolari precauzioni;
In un incidente al reattore con depressurizzazione del nocciolo, la radioattività del rilascio è prossima allo zero.

Gli svantaggi della reazione elio-deuterio includono una soglia di temperatura significativamente più alta. È necessario raggiungere una temperatura di circa 10 9 K a causa della barriera di Coulomb per farla partire. E a una temperatura più bassa, la reazione termonucleare di fusione dei nuclei di deuterio tra loro procede molto più facilmente e la reazione tra deuterio ed elio-3 non si verifica.

Nell'art

Nelle opere di fantascienza (giochi, film, anime), l'elio-3 a volte funge da carburante principale e da risorsa preziosa, inclusa quella estratta sulla luna.

La trama del film di fantascienza britannico del 2009 Luna 2112 è basata sul funzionamento del complesso minerario Lunar. Il complesso garantisce l'estrazione dell'isotopo dell'elio-3, con l'aiuto del quale è stato possibile fermare la catastrofica crisi energetica sulla Terra.

Nella commedia politica Iron Sky, l'elio lunare-3 è la causa di un conflitto nucleare internazionale sui diritti minerari.

Nell'anime" pianeti» L'elio-3 viene utilizzato come carburante per motori a razzo, ecc.

Letteratura

Dobbs E.R. Helium Tre. - Stampa dell'Università di Oxford, 2000. ISBN 0-19-850640-6
Galimov E.M. Se hai energia, puoi estrarre tutto: terre rare. 2014. N. 2. SS 6-12.
La Carenza Helium-3 : Offerta, Domanda e Opzioni per Congresso // FAS, 22 dicembre 2010 (inglese)

Appunti

Audi G., Wapstra A. H., Thibault C.

Probabilmente poche cose nel campo dell'energia termonucleare sono circondate da miti come l'Elio 3. Negli anni '80-'90 è stato attivamente reso popolare come combustibile che avrebbe risolto tutti i problemi della fusione termonucleare controllata, nonché uno dei motivi per uscirne della Terra (perché sulla sua terra ci sono letteralmente poche centinaia di chilogrammi e sulla luna un miliardo di tonnellate) e finalmente iniziano a svilupparsi sistema solare. Tutto questo si basa su idee molto strane sulle possibilità, sui problemi e sui bisogni dell'energia termonucleare che oggi non esiste, di cui parleremo.

La macchina per estrarre l'elio3 sulla luna è già pronta, l'unica cosa che resta da fare è trovarne un uso.

Quando parlano di elio3, intendono reazioni di fusione termonucleare He3 + D -> He4 + H o He3 + He3 -> 2He4 + 2H. Rispetto al classico D + T -> He4 + n non ci sono neutroni nei prodotti di reazione, il che significa che non c'è attivazione della costruzione di un reattore termonucleare da parte di neutroni superenergetici. Inoltre, il fatto che i neutroni dei "classici" portino via l'80% dell'energia dal plasma è considerato un problema, quindi l'equilibrio di autoriscaldamento avviene a una temperatura più elevata. Un altro vantaggio degno di nota della versione con elio è che l'elettricità può essere rimossa direttamente dalle particelle cariche della reazione e non riscaldando l'acqua con neutroni, come nelle vecchie centrali elettriche a carbone.

Tutto questo, dunque, non è vero, anzi una piccolissima parte della verità.

Cominciamo con il fatto che a parità di densità plasmatica e temperatura ottimale, la reazione He3 + D cederà 40 volte meno rilascio di energia per metro cubo di plasma funzionante. In questo caso, la temperatura richiesta per una rottura di almeno 40 volte sarà 10 volte superiore - 100 keV (o un miliardo di gradi) contro 10 per D+T. Di per sé, una tale temperatura è abbastanza raggiungibile (l'attuale record per i tokamak è di 50 keV, solo due volte peggio), ma per stabilire un bilancio energetico (velocità di raffreddamento vs velocità di riscaldamento, incluso l'autoriscaldamento), dobbiamo aumentare il rilascio di energia di 50 volte dai metri cubi di reazione He3 + D, che può essere fatto solo aumentando la densità delle stesse 50 volte. In combinazione con un aumento di dieci volte della temperatura, questo dà aumento della pressione plasmatica di 500 volte- da 3-5 atm a 1500-2500 atm, e lo stesso aumento della contropressione per mantenere questo plasma.

Ma le immagini sono stimolanti.

Ricordi, ho scritto che i magneti del campo toroidale ITER, che creano contropressione al plasma, sono prodotti assolutamente da record, gli unici al mondo in termini di parametri? Quindi, i fan di He3 suggeriscono di creare magneti 500 volte più potenti.

Ok, dimentica le difficoltà, forse i vantaggi di questa reazione le ripagano?

Varie reazioni termonucleari applicabili per CTS. He3 + D fornisce un po' più di energia di D + T, ma molta energia viene spesa per superare la repulsione di Coulomb (carica 3 e non 2), quindi la reazione è lenta.

Cominciamo con i neutroni. I neutroni in un reattore industriale lo saranno problema serio, danneggiano i materiali del corpo, riscaldano così tanto tutti gli elementi rivolti verso il plasma che devono essere raffreddati con un discreto flusso d'acqua. E, soprattutto, l'attivazione dei materiali da parte dei neutroni porterà al fatto che anche 10 anni dopo lo spegnimento di un reattore termonucleare, avrà migliaia di tonnellate di strutture radioattive che non possono essere smontate a mano e che saranno invecchiate in deposito per centinaia e migliaia di anni. Sbarazzarsi dei neutroni renderebbe ovviamente più facile creare una centrale termonucleare.

Frazione di energia trasportata dai neutroni. Se aggiungi più He3 al reattore, puoi ridurlo all'1%, ma questo inasprirà ulteriormente le condizioni di accensione.

OK, ma che dire della conversione diretta dell'energia delle particelle cariche in elettricità? Gli esperimenti mostrano che il flusso di ioni con un'energia di 100 keV può essere convertito in elettricità con un'efficienza dell'80%. Non abbiamo neutroni qui... Voglio dire, non portano via tutta l'energia che possiamo ottenere solo sotto forma di calore - sbarazziamoci delle turbine a vapore e mettiamo i collettori di ioni?

Sì, esistono tecnologie per la conversione diretta dell'energia del plasma in elettricità, sono state studiate attivamente negli anni '60 e '70 e hanno mostrato un'efficienza nella regione del 50-60% (non 80, va notato). Tuttavia, questa idea è scarsamente applicabile sia nei reattori D + T che in He3 + D. Perché è così, questa immagine aiuta a capire.

Mostra la perdita di calore del plasma attraverso diversi canali. Confronta D+T e D+He3. Il trasporto è ciò che può essere utilizzato per convertire direttamente l'energia del plasma in elettricità. Se nella variante D + T, tutto ci viene portato via da cattivi neutroni, nel caso di He3 + D, tutto viene portato via dalla radiazione elettromagnetica del plasma, principalmente sincrotrone e bremsstrahlung a raggi X (nella foto Bremsstrahlung). La situazione è quasi simmetrica, tuttavia, è necessario rimuovere il calore dalle pareti e comunque per conversione diretta non possiamo estrarre più del 10-15% l'energia della combustione termonucleare e il resto - alla vecchia maniera, attraverso un motore a vapore.

Illustrazione in uno studio sulla conversione diretta dell'energia del plasma nella più grande trappola aperta Gamma-10 in Giappone.

Oltre ai limiti teorici, ci sono anche quelli ingegneristici: nel mondo (compresa l'URSS) sono stati spesi sforzi giganteschi per creare installazioni per la conversione diretta dell'energia del plasma in elettricità per centrali elettriche convenzionali, che hanno permesso di aumentare l'efficienza dal 35% al 55%. Principalmente basato su generatori MHD. 30 anni di lavoro di grandi team si sono conclusi in un nulla: la risorsa dell'installazione è stata di centinaia di ore, quando gli ingegneri energetici hanno bisogno di migliaia e decine di migliaia. La gigantesca quantità di risorse spese per questa tecnologia ha portato, in particolare, al fatto che il nostro Paese è rimasto indietro nella produzione di turbine a gas di potenza e impianti ciclo turbina gas-vapore (che danno esattamente lo stesso aumento di efficienza - da 35 al 55%!).

A proposito, per i generatori MHD sono necessari anche potenti magneti superconduttori. Qui sono mostrati i magneti SP per un generatore MHD da 30 MW.