Helio kasyba 3. Helis-trys yra ateities energija. Itin žemos temperatūros gavimas

„Dabar kalbame apie ateities termobranduolinę energetiką ir naują ekologišką kuro rūšį, kurios negalima gaminti Žemėje. Kalbame apie pramoninę Mėnulio plėtrą helio-3 išgavimui. Šis raketų ir kosmoso korporacijos „Energija“ vadovo Nikolajaus Sevastjanovo pareiškimas, jei nesukrėtė įstatymų besilaikančių rusų vaizduotės (jie dabar, kaip tik naujo šildymo sezono išvakarėse, užsiima tik heliu-3), tuomet specialistų ir susidomėjusių žmonių fantazija nepaliko abejingų.

Tai suprantama: atsižvelgiant į, švelniai tariant, ne puikią padėtį šalies aviacijos ir kosmoso pramonėje (Rusijos kosmoso biudžetas yra 30 kartų mažesnis nei JAV ir 2 kartus mažesnis nei Indijoje; 1989–2004 m. tik 3 tiriamieji erdvėlaiviai), staiga taip, nei daugiau, nei mažiau - rusai Mėnulyje gamins helio-3! Leiskite jums priminti, kad teoriškai šis lengvas helio izotopas gali pradėti termobranduolinę reakciją su deuteriu. Todėl daugelis mokslininkų sintezę laiko potencialiai neribotu pigios energijos šaltiniu. Tačiau yra problema: helio-3 yra mažiau nei viena milijonoji dalis viso helis žemėje. Tačiau Mėnulio dirvožemyje šio lengvojo izotopas yra gausu: akademiko Erico Galimovo teigimu, apie 500 mln.

Jie pasakoja, kad vienu metu JAV, priešais įėjimą į Disneilendą, kabėjo didžiulis plakatas: „Mes ir mūsų šalis galime viską, mus riboja tik mūsų vaizduotės ribos“. Visa tai nebuvo toli nuo tiesos: greitas ir efektyvus branduolinis projektas, fantastiškai sėkminga Mėnulio programa, strateginė gynybos iniciatyva (SDI), visiškai pribaigusi sovietinę ekonomiką. ...

Iš esmės viena pagrindinių valstybės funkcijų, ypač XX amžiuje, buvo būtent užduočių formulavimas mokslo bendruomenei, atsidūrusiai ant fantazijos ribos. Tai galioja ir sovietinei valstybei: elektrifikacijai, industrializacijai, kūrybai atominė bomba, pirmasis palydovas, upių posūkis... Beje, priešais Disneilendą turėjome savo "plakatą" - "Mes gimėme, kad pasaka išsipildytų!"

„Tiesiog manau, kad trūksta kokios nors didelės technologinės problemos“, – interviu su manimi sakė fizinių ir matematikos mokslų daktaras, Rusijos mokslų akademijos Kosmoso tyrimų instituto mokslinis sekretorius Aleksandras Zacharovas. – Galbūt dėl to neseniai kilo visos šios kalbos apie helio-3 gavybą Mėnulyje termobranduolinei energijai. Jei Mėnulis yra mineralų šaltinis, o iš ten neštis šį helio-3, bet Žemėje energijos neužtenka... Visa tai suprantama, skamba labai gražiai. Ir tam nesunku, ko gero, įtikinti įtakingus žmones skirti pinigų. Aš taip manau".

Tačiau reikalas yra tas, kad šiuo metu Žemėje nėra technologijos – bent jau per ateinančius 50 metų jos nepasirodys – deginant helią-3 termobranduolinėje reakcijoje. Tokio reaktoriaus projekto net nėra. Šiuo metu Prancūzijoje statomas tarptautinis termobranduolinis reaktorius ITER skirtas „deginti“ vandenilio izotopus – deuterį ir tritį. Apskaičiuota termobranduolinės reakcijos „užsidegimo“ temperatūra yra 100-200 milijonų laipsnių. Norint naudoti helio-3, temperatūra turi būti dydžiu ar dviem aukštesnė.

Taigi, didžiausios Rusijos raketų ir kosmoso korporacijos vadovas Nikolajus Sevastjanovas, atsiprašau už posakį, pudruoja mūsų smegenis savo heliu-3? Neatrodo. Kodėl!?

„Kosmoso pramonė natūraliai domisi tokiu dideliu ir brangiu projektu“, – sako Aleksandras Zacharovas. "Tačiau kalbant apie praktinį panaudojimą, visiškai aišku, kad tai per anksti."

Norint įgyvendinti helio-3 projektą, reikia sukurti specialią programą papildomam Mėnulio tyrinėjimui, paleisti visą eskadrilę erdvėlaivių, išspręsti problemas, susijusias su helio-3 gamyba, jo apdorojimu... Tai sužlugdys šalį. blogiau nei bet kuris SDI.

„Nenoriu sakyti, kad Mėnulis moksliniu požiūriu yra visiškai uždaras – liko ir mokslinių užduočių“, – pabrėžia Aleksandras Zacharovas. – Bet, kaip sakoma, tai reikia daryti žingsnis po žingsnio, nepamirštu ir kitų mokslinių darbų. Ir tada mes kažkaip išsisukome: kai tik amerikiečiai paskelbė apie pilotuojamo skrydžio į Marsą programą, iškart pareiškiame, kad ir mes esame pasiruošę tai padaryti. Išgirdome apie Mėnulio programas – darykime ir tai... Neturime apgalvotos, subalansuotos, strateginės nacionalinės užduoties.

Čia vėl grįžtame prie to, nuo ko pradėjome, prie strateginės nacionalinės užduoties. Bėda ta, kad, priešingai nei amerikiečius, mus riboja ne tiek vaizduotė – su tuo, kaip rodo Nikolajaus Sevastjanovo pareiškimas, pas mus viskas tvarkoje. Tačiau kukliausiais skaičiavimais, programai helio-3 (pavadinkime taip), konservatyviausiais skaičiavimais, penkerių metų tyrimams reikės 5 milijardų dolerių.

Grynai moksliniu požiūriu, TOKAMAKS paremtoje sintezės problemoje, nors sprendimą apie tarptautinio eksperimentinio reaktoriaus ITER statybą, buvo tam tikras sąstingis. (Tačiau tai atskiros diskusijos tema.) Man atrodo, kad helio-3 problema kai kuriai įtakingo termobranduolinio lobio daliai yra nauja gaivinimo ir profesinių ambicijų įgyvendinimo niša.

Negana to – ir tai gana sensacingas dalykas, ir vienintelė priežastis, dėl kurios aš nepradėjau savo straipsnio nuo to – kaip mums pasakė aviacijos ir kosmoso pramonės ekspertas, Rusijos projektas dėl lengvojo helio izotopo išgavimo Mėnulyje. buvo skirta ┘ 1 milijardas dolerių! Šie pinigai, kaip teigiama, yra amerikietiškos kilmės.

Nepaisant viso tokio derinio sudėtingumo, galai jame susitinka gana sėkmingai. Siekdama užsitikrinti 104 mlrd. dolerių neseniai paskelbtai Mėnulio bazių programai, JAV nacionalinė aeronautikos agentūra ir kosmoso tyrimai reikėjo parodyti, kad „strateginiai konkurentai“ taip pat yra budrūs. Tai yra, „rusiškas“ milijardas tam tikra prasme yra NASA pridėtinės išlaidos... Iš čia kilęs susidomėjimas helio-3 gamyba Rusijoje, nepaaiškinamas racionaliais motyvais.

Jei tai tiesa, dar kartą visi turėsime patikrinti formulės, paskelbtos prieš dešimt metų žurnale Physics Today, pagrįstumą. Štai taip: „Mokslininkai nėra nesuinteresuoti tiesos ieškotojai, o veikiau aršios konkurencijos dėl mokslinės įtakos dalyviai, kurių nugalėtojai sulaužo banką“.

Pastaraisiais mėnesiais žiniasklaidoje daug kalbama apie daugelio valstybių (visų pirma JAV, Rusijos ir Kinijos) egzistavimą helio-3 gamybos kontroliuojamoms termobranduolinėms reakcijoms projektų. Šiuos projektus daugelis laiko tiesioginiu visų žmonijos problemų sprendimu. Taigi, kas yra helis-3?

Iš visų Žemėje esančių helio atomų 99,999862% atomų turi 4 kartus didesnę masę nei vandenilio atomas. Tai helis-4. Jo atominiai branduoliai yra alfa dalelės, kurios susidaro radioaktyvaus skilimo metu. O likę 0,000138% helio atomų yra tik 3 kartus sunkesni už vandenilio atomą. Tai helis-3.

Helio-3 ir helio-4 santykis Visatos mastelyje gerokai skiriasi – ten šių izotopų skaičius skiriasi maždaug viena eile. Meteoritų medžiagoje ir mėnulio uolienose helio-3 kiekis svyruoja nuo 17 iki 32% viso helio kiekio. Prieš milijardus metų helio-4 ir helio-3 santykis Žemėje buvo toks pat kaip ir visoje visatoje. Tačiau per laiką, kuris praėjo nuo to laiko, pirminės nukleosintezės metu susidaręs helis visiškai išgaravo iš žemės atmosfera. Ir visas helis, kuris šiandien yra Žemėje, susidarė dėl radioaktyvaus skilimo. Tai yra, Žemėje praktiškai yra tik helis-4. O helis-3 susidaro tik Saulėje dėl ten vykstančių termobranduolinių reakcijų (daugiausia ant Saulės susidaro helis-4, bet ir ten susidaro daug helio-3). Iš Saulės šie elementai išsklaido į erdvę vadinamojo „saulės vėjo“ (ypatingo tipo kosminių spindulių) pavidalu. „Saulės vėjas“ nepaliečia Žemės ir kitų planetų: trukdo atmosfera ir magnetinis laukas. Tačiau, tarkime, Mėnulyje, kuriame nėra atmosferos, „saulės vėjo“ dalelės krenta ir „įstringa“ paviršiniame dirvožemio sluoksnyje.

Iki tam tikro laiko šie faktai domino tik teoriškai. Praktiniu lygmeniu jie pradėjo kalbėti apie helią-3, kai tapo aišku, kad per ateinančius dešimtmečius nafta baigsis. Anglies ir dujų užteks šiek tiek ilgiau, bet ir neilgam. Akivaizdu, kad vienintelis būdas išspręsti energijos problemą yra panaudoti atomo branduolio energiją. Tačiau urano atsargos taip pat nėra begalinės... Todėl idėja panaudoti termobranduolinę sintezę buvo nuolat populiari jau pusę amžiaus.

Saulėje vykstančiose termobranduolinėse reakcijose keturi lengvojo vandenilio izotopo atomai sujungiami į vieną helio atomą, išskiriant energiją. Tačiau Žemėje vykstančioms termobranduolinėms reakcijoms lengvasis vandenilio izotopas (sudarantis 99,985 % viso vandenilio) neveiks, nes lengvųjų vandenilio izotopų sintezės reakcija turi itin mažą skerspjūvį (reakcijos tikimybę). Būtent toks mažas reakcijos skerspjūvis užtikrina Saulės stabilumą – kitaip tai būtų ne stabili termobranduolinė reakcija, o termobranduolinis sprogimas.

Žemėje vykstančioms termobranduolinėms reakcijoms reikalingas „sunkusis vandenilis“ – deuteris. Iš Žemėje esančio vandenilio (daugiausia vandens pavidalu) deuteris sudaro 0,015%. Jį galima gauti elektrolizės būdu grynas vanduo, kuriame deuterio yra 0,0017 masės %. Tačiau, be deuterio, termobranduolinei reakcijai reikalingas antrasis komponentas, kurio atomas turi būti 3 kartus sunkesnis už vandenilį. Tai gali būti „supersunkusis vandenilis“, vadinamas tričiu, arba tas pats helis-3. Tritis Žemėje neegzistuoja, be to, jis labai radioaktyvus ir nestabilus. Tritis tinka vandenilinėms bomboms ir eksperimentiniams objektams, bet ne „pramoniniams“ reaktoriams (vandenilinėse bombose tritis susidaro, kai reakcijos rezultate litis apšvitinamas neutronais: 6 Li + n -> 3 H + 4 He) . Termobranduolinė reakcija, kurioje dalyvauja tritis, apibūdinama tokia lygtimi: 2 H + 3 H -> 4 He + n + 17,6 MeV. Būtent ši reakcija yra laikoma pagrindine planuojamuose projektuose, ypač kuriamame tarptautiniame ITER projekte.

Tačiau tokios reakcijos trūkumas yra, pirma, tai, kad jai reikia labai radioaktyvaus tričio, ir, antra, tai, kad tokios reakcijos metu atsiranda stipri neutroninė spinduliuotė. Todėl neseniai buvo sukurti „beneutroninės“ termobranduolinės reakcijos projektai, kuriems kaip kuras tarnauja lengvasis helio izotopas helis-3. „Beneutronių“ reakcijų lygtys yra tokios:

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

Reakcijų su heliu-3 pranašumas, palyginti su deuterio-tričio reakcija, yra tas, kad, pirma, jai nereikia radioaktyvių izotopų kaip kuro, ir, antra, gaunama energija nunešama ne neutronais, o protonais, iš kurių bus lengviau išgauti energiją.

Vienintelė problema yra virtualus helio-3 nebuvimas Žemėje. Tačiau, kaip minėta aukščiau, helio-3 yra mėnulio dirvožemyje. Taigi, norėdami turėti energijos šaltinių pasibaigus iškastiniam kurui, kosmoso agentūros skirtingos salys rengia planus Mėnulyje pastatyti bazę, kuri apdoros mėnulio dirvožemį (vadinamą regolitu), iš jo išskirs helią-3 ir suskystintą pristatys į termobranduolines jėgaines Žemėje. Vienos tonos helio-3 užtenka visos žmonijos energijos poreikiams patenkinti kelerius metus, o tai atsipirks visas Mėnulio bazės sukūrimo išlaidas. Bushas jau užsibrėžė tikslą: 2015–2020 metais sukurti Amerikos mėnulio bazę.

O kas šiandien daroma Rusijoje? Štai keletas pranešimų iš naujienų agentūrų

„Rusija gali atnaujinti Mėnulio programą per kelerius metus
2004 m. sausio 15 d

Rusija svarsto klausimą dėl Mėnulio ir Marso tyrinėjimo programų atnaujinimo, ITAR-TASS sakė Rosaviakosmos vadovo pirmasis pavaduotojas Nikolajus Moisejevas. „Iki metų pabaigos bus parengta Federalinė kosmoso programa iki 2015 m., kuri gali apimti šiuos projektus“, – sakė jis. Moisejevo teigimu, „mokslininkai sugalvoja daug iniciatyvų organizuoti ekspedicijas į Mėnulį ir Marsą, tačiau kol kas nežinoma, kurios iš jų bus įtrauktos į federalinę programą“.

Rusija gali atgaivinti Mėnulio programą per kelerius metus, sako Roaldas Kremnevas, Lavočkino tyrimų ir gamybos asociacijos generalinio direktoriaus pirmasis pavaduotojas.
„Po to, kai praėjusio amžiaus aštuntojo dešimtmečio pabaigoje buvo apribota sovietinė Žemės palydovo tyrinėjimo programa, daugiau nei tris dešimtmečius remiame šios temos mokslo ir technikos pažangą šiuolaikiniu lygiu“, – sako Kremnevas. Anot jo, šiuo metu įmonėje, kurioje buvo sukurtas legendinis „Lunokhod“, „yra rimtas mėnulio automatų atsilikimas“. Tokio įrenginio sukūrimas ir paleidimas, pasak Kremnevo, kainuos 600 milijonų rublių.

Mėnulio energijos šaltiniai gali išgelbėti Žemę nuo pasaulinės energetinės krizės, mano akademikas Ericas Galimovas, Rusijos mokslų akademijos Kosmoso tarybos biuro narys. Mėnulyje išgaunamas ir į Žemę atgabentas tritis gali būti panaudotas termobranduolinei sintezei, tvirtina mokslininkas.
Šaltinis: NEWSru.com

Rusų mokslininkas siūlo buldozeriais išsemti stebuklingą kurą iš Mėnulio
2004 m. sausio 23 d

Akademikas Rusijos akademija Mokslininkas, RAS kosmoso tarybos biuro narys Ericas Galimovas mano, kad būtina nedelsiant pradėti ruoštis Mėnulio kuro gavybai, praneša ITAR-TASS. Helio-3 gamyba Mėnulyje ir jo pašalinimas iš ten erdvėlaiviais, jo nuomone, gali būti pradėtas po 30-40 metų.

„Norint aprūpinti visą žmoniją energija metams, tereikia dviejų ar trijų skrydžių. erdvėlaivių kurių keliamoji galia yra 10 tonų, kuri iš Mėnulio atgabens helią-3... Tarpplanetinio pristatymo kaina bus dešimt kartų mažesnė nei šiuo metu atominėse elektrinėse gaminamos elektros energijos kaina“, – sakė G.Galimovas.

Mokslininko teigimu, medžiagos pristatymas gali prasidėti po 30-40 metų, tačiau darbus šioje srityje būtina pradėti jau dabar. Anot jo, projekto plėtrai „reikės tik 25-30 milijonų dolerių“. Helį-3 mokslininkas siūlo surinkti nuo Mėnulio paviršiaus specialiais buldozeriais.
Šaltinis: Lenta.Ru

Ant Praeitą savaitę Savo kalboje apie naująją JAV kosmoso programą prezidentas Bušas paskelbė, kad Mėnulyje turėtų būti įkurta nuolatinė bazė, o tai būtų pirmas žingsnis tolesnio žmogaus kosmoso tyrinėjimo link. Jis taip pat teigė, kad Mėnulio dirvožemis gali būti perdirbtas, kad būtų gaminamas raketų kuras ir kvėpuojantis oras.

Bushas kaip pavyzdžius nurodė du Mėnulio dirvožemio perdirbimo būdus, tačiau mėnulio mineralų sąrašas iš tikrųjų gana ilgas... Mėnulio dirvožemyje randamas silicis gali būti naudojamas gaminti saulės elementai, geležies – įvairioms metalinėms konstrukcijoms, aliuminiui, titanui ir magniui – sukurti laivą, kuris iškeliaus į kosmosą toliau nuo Žemės.
Ir, žinoma, Mėnulyje ketina išgauti helio-3 izotopą, kuris Žemėje yra labai retas, o jo gamyba antžeminėmis sąlygomis yra labai brangi.

(pritaikyta iš SiliconValley.com)

2003 m. kovą Kinijos kosmoso programos vadovybė oficialiai paskelbė apie tyrimų zondo siuntimo į Mėnulį darbo pradžią. Neseniai mokslo direktoriusŠio projekto metu Kinijos mokslų akademijos akademikas Ouyang Ziyuan paskelbė, kad jau šiame pirmajame Mėnulio tyrinėjimo etape Kinija tikisi įnešti didelį indėlį į mokslą ir kosminių technologijų plėtrą. Taigi Kinijos mėnulio projektas žada greitai atsipirkti.

Pirmajame Kinijos Mėnulio tyrinėjimo programos etape, be kita ko, bus išmatuotas Mėnulio dirvožemio storis, įvertintas paviršiaus amžius ir nustatytas ten esančio helio-3 kiekis (labai retas Žemėje randamas helio izotopas, gali būti naudojamas kaip branduolių sintezės reaktoriaus kuras)
(pagal „SpaceDaily“ medžiagą)

Įdomios mintys apie kosminės programos, reikalingos helio-3 atsargoms gauti, pateiktos technikos mokslų kandidato, Kosmonautikos akademijos nario korespondente straipsnyje. K. E. Ciolkovskis Jurijus Eskovas "Už švarų kurą - į Uraną", paskelbtas " rusiškas laikraštis“, 2002 m. balandžio 11 d. Autorius rašo, kad net veiksmingiau nei Mėnulyje helio-3 ieškoti tolimų milžiniškų planetų atmosferose, pavyzdžiui, Urano, kur helio-3 yra 1:3000 (tai yra tūkstantį kartų daugiau nei Mėnulyje Autoriaus siūlymu: „Helio-3 gamyba ir jo pristatymas į Žemę turėtų būti vykdomas nepilotuojamais vienkartiniais kosminiais aparatais („tanklaiviais“), kurių elektrobranduolinis variklis 100 000 kW veikia viso skrydžio į abi puses metu. Per 10 metų įrenginys įveiks sunkų įsivaizduojamą 6 milijardų km atstumą. Atminkite, kad variklis, galintis įveikti tokį milžinišką atstumą per priimtiną laiką (10 metų), gali veikti tik branduolinė energija naudojant tą patį kurą, kaip ir dabartinės atominės elektrinės (iš esmės galima skristi su saulės baterijomis, bet tada prietaisas svers šimtus tūkstančių tonų), be to, minėtas variklis yra labai „nešvarus“ aplinkai. taigi ne aplinkosaugos klausimaiŽemės gyventojams jis nesukuria.

Antžeminių TNA nepertraukiamo tiekimo sistemą, kurios bendra galia 3 milijardai kW, sudarys periodiškai (keturis kartus per metus) iš artimos Žemės orbitos paleidžiami tanklaiviai. Degalų transporto priemonei pakaks tik į vieną pusę: į taikinį ji skris tuščiomis bakais. Nuskridęs į Uraną ir patekęs į orbitą planetos atmosferoje, „tanklaivis“ pradės veikti gamykliniu režimu supančią atmosferą padalinti į komponentus: atskirs komercinį helią-3 ir vandenilį nuo suskystintųjų dujų, kurios naudojamos kaip kuras. už skrydį atgal; didžioji dalis vandenilio ir viso paprasto helio bus išmesti už borto. Taigi grįžtamasis degalų papildymas (be kurio grąžinimo užduotis neįgyvendinama) iš tikrųjų yra nemokamas. Dėl skrydžio į artimą Žemės orbitą bus atgabenta 70 tonų skysto helio-3; maršrute Žemė-Uranas bet kuriuo metu bus apie 40 „tanlaivių“.

Kyla natūralus klausimas: kiek šiandien egzistuojančios technologijos gali užtikrinti tokios sistemos funkcionavimą? Atsakymas: dauguma šių elementų yra prieinami, kaip sakoma, „aparatinėje įrangoje“, likusieji yra toli pažengusio dizaino tobulinimo lygyje, iš dalies perkeliami į eksperimentinį etapą. Pagrindinė problema čia yra laive esanti elektrinė. Iki šiol sukaupta didžiulė teigiama patirtis kuriant ir eksploatuojant antžeminius 4 mln. kW galios atominių elektrinių reaktorius, kurių ištekliai yra iki 30 metų; branduolinių povandeninių laivų reaktorių galia siekia 100 000 kW su dešimčių metų ištekliais, taip pat yra vidaus patirties kuriant ir eksploatuojant unikalius mažo dydžio branduolinius įrenginius erdvėlaiviams, kurių galia iki 100 kW kosminių branduolinių variklių aukštos temperatūros reaktoriai buvo išbandyti tiek JAV, tiek SSRS. Kalbant apie paleistos nepilotuojamos transporto priemonės dydį (450 tonų, įskaitant 200 tonų kuro), jis pagal dydį atitinka TKS masę (ir galutiniame projekte TKS masė planuojama dar didesnė ); bendras metinis krovinių srautas į orbitą (1900 tonų) yra mažesnis nei numatyta standartinėms programoms (kosminiai ryšiai, televizijos transliacijos ir kt.). Didžioji dauguma tokios orbitinės helio-vandenilio gamyklos elementų jau egzistuoja ir sėkmingai veikia kriogeninėje pramonėje. Autorius teigia, kad net ir esant dabartiniam technologijų išsivystymo lygiui toks projektas būtų gana ekonomiškai perspektyvus: „Elektros pardavimo kaina pasaulyje yra nuo 5 iki 10 centų už kW. h.Iš paprasčiausios aritmetikos aišku, kad helio-3 pristatymas iš Urano išliks pelningas net už 1 toną 10 milijardų dolerių. Vienos tokios gamyklos paleidimas į orbitą kainuoja 10 milijonų dolerių už toną (beje, tokia yra dabartinė aukso kaina), o trumpuoju laikotarpiu daugkartinio naudojimo vežėjai sumažins šią kainą iki 1 milijono dolerių už toną išleidžiamų krovinių.

Jau tapo įprasta sakyti, kad žinioms imlios pramonės šakos (branduolinė, kosmoso ir kt.) yra ekonomikos lokomotyvas. Tas pats atvejis su heliu-3. Šis metodas, kuris išspręs energijos problema pakankamai ilgam laikui, jei yra galimybių rasti lėšų jai įgyvendinti, tai gali tapti šansu Rusijos mokslui imlių industrijų pažangai: tiek astronautikai (tai atskiros diskusijos tema), tiek termobranduolinėms technologijoms.
Šiuo metu yra dvi pagrindinės termobranduolinės sintezės kryptys: tokamakai ir lazerinė sintezė. Pirmasis iš šių variantų šiuo metu įgyvendinamas tarptautinio eksperimentinio termobranduolinio reaktoriaus ITER projekte. Šis reaktorius sukurtas pagal „tokamako“ schemą (tai reiškia frazės „Toroidinė kamera su magnetinėmis ritėmis“ santrumpa). Tokamako veikimo principas yra toks: plazmos krūvoje sukuriama elektros srovė ir tuo pačiu, kaip ir bet kuri srovė, ji turi savo magnetinį lauką - plazmos krūva tarsi tampa magnetu. . Ir tada, naudojant tam tikros konfigūracijos išorinį magnetinį lauką, kameros centre buvo pakabintas plazmos debesis, neleidžiantis jam liestis su sienomis. Dujose visada yra laisvųjų jonų ir elektronų, kurie kameroje pradeda judėti ratu. Ši srovė šildo dujas, didėja jonizuotų atomų skaičius, didėja srovės stiprumas ir vienu metu kyla plazmos temperatūra. Tai reiškia, kad daugėja vandenilio branduolių, kurie susiliejo į helio branduolį ir išleido energiją. Tačiau beveik prieš penkiasdešimt metų Maskvos atominės energetikos institute pradėti eksperimentai parodė, kad magnetiniame lauke pakibusi plazma pasirodė esanti nestabili – plazmos krešulys labai greitai „suirdavo“ ir iškrito ant kameros sienelių. Paaiškėjo, kad daugelio sudėtingų fizinių procesų derinys sukelia nestabilumą. Be to, paaiškėjo, kad stabilaus plazmos uždarymo laikas didėja didėjant sąrankos dydžiui. Didžiausia buitinė mašina TOKAMAK-15 jau turi toroidinę vakuuminę kamerą, kurios išorinis „spurgos“ skersmuo yra didesnis nei penki metrai. Dideli moksliniai tokamakai buvo statomi Rusijoje, Japonijoje, JAV, Prancūzijoje, Anglijoje. O prieš kelerius metus ekspertai priėjo prie išvados, kad likusias neišspręstas problemas reikėtų tirti objekte, esančiame kuo arčiau tikros galios termobranduolinio reaktoriaus. Šis supratimas paskatino sukurti ITER. Šis valdomos termobranduolinės reakcijos vykdymo variantas nuo visų kitų įrenginių ir metodų skiriasi pirmiausia tuo, kad iš esmės peržengė abejonių ir ieškojimų sritį. Dėl didžiulės fizinių ir inžinerinių duomenų bazės, sukauptos per penkiasdešimt tyrimų metų, jis priartėjo prie eksperimentinio reaktoriaus stadijos. Tai, matyt, įkvėpė tarptautinę bendruomenę sukurti ITER – mokslininkai nusprendė, kad net ir turtingai šaliai nėra prasmės vienai statyti termobranduolinį reaktorių – rezultatas bus žinios ir patirtis, kurios vis tiek taps bendra nuosavybe ir iš karto nieko neprisidės. į šalies ekonomiką. Tuo pačiu metu, sujungę jėgas, galite žymiai paspartinti pažangą kuriant darbinę sintezę ir sumažinti savo išlaidas. Todėl 1992 metais buvo pasirašyta sutartis dėl bendro ITER reaktoriaus techninio projekto, globojamo TATENA. O jo koncepcinis projektavimas mūsų šalies iniciatyva prasidėjo ketveriais metais anksčiau. ITER projektuotojų komandoje dirbo specialistai iš Europos Sąjungos, Rusijos, JAV ir Japonijos.
Kita kryptis pakeliui į kontroliuojamą termobranduolinę reakciją yra lazerinė termobranduolinė sintezė (LTF). Tai slypi tame, kad taikinys iš termobranduolinės reakcijos „žaliavų“ iš visų pusių yra apšvitinamas lazerio spinduliais ir taip ten susidaro sąlygos, kurių pakanka termobranduolinės reakcijos įgyvendinimui. Sunkumas yra tai, kaip tai įgyvendinti techniškai. Mano disertacinis darbas – kompiuterinis optinio rezonanso reiškinio sferiniuose taikiniuose, apšvitintuose lazeriu, modeliavimas. Skaičiavimai rodo, kad tam tikromis sąlygomis optiniame taikinyje susidaro energijos koncentracija, kuriai esant gali susidaryti sąlygos, būtinos termobranduolinei reakcijai.

Valstybė, kuri įsisavins termobranduolinės sintezės technologiją, šią technologiją prieš kitas, gaus didžiulių pranašumų prieš kitas. Kad Rusija neliktų civilizacijos pakraščiuose ir nedalyvautų plėtojant šiuos projektus, reikalinga valstybės vadovybės politinė valia, panašiai kaip buvo su sovietų branduoline ir kosmoso projektai viduryje.

Fizinių ir matematikos mokslų kandidatas A. PETRUKOVYCHAS.

Lengva Amerikos prezidento ranka 2003 metų pabaigoje į darbotvarkę buvo įtrauktas naujų žmonijos tikslų kosmose klausimas. Tikslas Mėnulyje pastatyti pilotuojamą stotį, be kitų pasiūlymų, iš dalies grindžiamas viliojančia idėja panaudoti unikalius Mėnulio helio-3 rezervus energijai Žemėje generuoti. Ar Mėnulio helis yra naudingas, ar ne, parodys ateitis, tačiau istorija apie jį gana žavi ir leidžia palyginti savo žinias apie atomo branduolio sandarą ir Saulės sistemą su praktiniais energetikos ir kasybos aspektais.

Mokslas ir gyvenimas // Iliustracijos

KODĖL? ARBA Branduolinė sintezė – ALCHEMIJA TIKROVĖJE

Paversti šviną auksu buvo viduramžių alchemikų svajonė. Kaip visada, gamta pasirodė turtingesnė už žmonių fantazijas. Branduolinės sintezės reakcijos sukūrė visą įvairovę cheminiai elementai klodamas materialius mūsų pasaulio pamatus. Tačiau sintezė gali suteikti ir daug vertingesnio už auksą – energijos. Branduolinės reakcijos šia prasme yra panašios į chemines reakcijas (t. y. molekulinės transformacijos reakcijas): kiekvienai sudėtinei medžiagai, nesvarbu, ar tai būtų molekulė, ar atomo branduolys, būdinga surišimo energija, kurią reikia sunaudoti junginiui sunaikinti ir kuri yra išleidžiamas jam susidarius. Kai reakcijos produktų rišimosi energija yra didesnė nei pradinių medžiagų, reakcija vyksta išskiriant energiją, o jei išmoksite ją paimti viena ar kita forma, pradines medžiagas galima panaudoti kaip kurą. Iš cheminių procesų efektyviausia šia prasme, kaip žinote, sąveikos su deguonimi reakcija – degimas, kuris šiandien yra pagrindinis ir nepakeičiamas energijos šaltinis elektrinėse, transporte ir kasdieniame gyvenime (dar daugiau Fluorui, ypač molekuliniam fluorui reaguojant su vandeniliu, išsiskiria energija, tačiau ir pats fluoras, ir vandenilio fluoridas yra itin agresyvios medžiagos).

Protonų ir neutronų surišimo energija branduolyje yra daug didesnė nei ta, kuri sujungia atomus į molekules, ir ją galima tiesiogine prasme pasverti naudojant puikią Einšteino formulę. E = mc 2: atomo branduolio masė yra pastebimai mažesnė už jį sudarančių atskirų protonų ir neutronų masę. Todėl tona branduolinio kuro pakeičia daugybę milijonų tonų naftos. Tačiau sintezė vadinama termobranduoline sinteze dėl priežasties: siekiant įveikti elektrostatinį atstūmimą, kai du teigiamai įkrauti atomų branduoliai, reikia juos tinkamai išsklaidyti, tai yra pašildyti branduolinį kurą iki šimtų milijonų laipsnių (prisiminkime, kad temperatūra yra dalelių kinetinės energijos matas). Tiesą sakant, esant tokiai temperatūrai, turime reikalą jau ne su dujomis ar skysčiais, o su ketvirtąja materijos būsena – plazma, kurioje nėra neutralių atomų, o tik elektronai ir jonai.

Gamtoje tokios sąlygos, tinkamos sintezei, egzistuoja tik žvaigždžių viduje. Saulė savo energiją skolinga vadinamajam helio reakcijų ciklui: helio-4 branduolio sintezei iš protonų. Milžiniškose žvaigždėse ir supernovų sprogimuose gimsta ir sunkesni elementai, taip formuodami visą Visatos elementų įvairovę. (Tiesa, manoma, kad dalis helio galėjo susidaryti tiesiai Visatai gimus, per Didįjį sprogimą.) Saulė šia prasme nėra pats efektyviausias generatorius, nes dega ilgai ir lėtai. : procesą sulėtina pirmoji ir lėčiausia deuterio sintezės reakcija iš dviejų protonų. Visos toliau nurodytos reakcijos yra daug greitesnės ir iš karto suryja turimą deuterį, perdirbdamos jį į helio branduolius keliais etapais. Dėl to, net jei darytume prielaidą, kad sintezėje dalyvauja tik viena šimtoji saulės medžiagos jos šerdyje, energijos išsiskyrimas yra tik 0,02 vatai kilogramui. Tačiau būtent dėl šio lėtumo, pirmiausia paaiškinamo maža, pagal žvaigždžių standartus, šviestuvo mase (Saulė priklauso žemaūgių kategorijai) ir užtikriname saulės energijos srauto pastovumą daugelį milijardų metų. paties gyvybės egzistavimo Žemėje. Milžiniškose žvaigždėse materija virsta energija daug greičiau, tačiau dėl to jos visiškai sudegina save per dešimtis milijonų metų, net nespėdamos tinkamai įgyti planetų sistemų.

Laboratorijoje nusprendęs atlikti termobranduolinę sintezę, žmogus taip ketina pergudrauti gamtą, sukurdamas efektyvesnį ir kompaktiškesnį nei Saulė energijos generatorių. Tačiau galime pasirinkti daug lengviau įgyvendinamą reakciją – helio sintezę iš deuterio-tričio mišinio. Planuojama, kad planuojamas tarptautinis termobranduolinis reaktorius – ITER tokamakas galės pasiekti užsidegimo slenkstį, nuo kurio iki komercinio naudojimo vis dar labai labai toli. sintezės energija(žr. „Mokslas ir gyvenimas“ Nr. ,, 2001). Pagrindinė problema, kaip žinote, yra išlaikyti plazmą įkaitintą iki norimos temperatūros. Kadangi jokia siena tokioje temperatūroje negali išvengti sunaikinimo, jie stengiasi išlaikyti plazmos debesį magnetinis laukas. AT vandenilio bomba problema išspręsta sprogus nedideliam atominiam krūviui, kuris suspaudžia ir įkaitina mišinį iki reikiamos būklės, tačiau taikiai energijos gamybai šis būdas mažai naudingas. (Apie vadinamosios sprogstamosios energijos perspektyvas žr. „Mokslas ir gyvenimas“ Nr. 7, 2002)

Pagrindinis deuterio ir tričio reakcijos trūkumas yra didelis tričio radioaktyvumas, kurio pusinės eliminacijos laikas yra tik 12,5 metų. Tai pati radiacijos nešvariausia reakcija, todėl pramoniniame reaktoriuje degimo kameros vidines sieneles reikės keisti kas kelerius metus dėl medžiagos sunaikinimo spinduliuote. Tiesa, pačios kenksmingiausios radioaktyviosios atliekos, kurias dėl ilgo irimo laiko reikia neribotą laiką laidoti giliai po žeme, sintezės metu visiškai nesusidaro. Kita problema yra ta, kad išsiskiriančią energiją daugiausia nuneša neutronai. Šios elektriškai neįkrautos dalelės nepastebi elektromagnetinis laukas ir apskritai blogai sąveikauja su medžiaga, todėl nelengva iš jų pasisemti energijos.

Branduolinės sintezės reakcijos be tričio, tokios kaip deuteris ir helis-3, yra praktiškai saugios spinduliuotei, nes jose naudojami tik stabilūs branduoliai ir nepatogių neutronų negamina. Tačiau norint „uždegti“ tokią reakciją, reikia kompensuoti mažesnį sintezės greitį plazmą kaitinant dešimt kartų daugiau – iki milijardo laipsnių (tuo pačiu išsprendžiant jos sulaikymo problemą)! Todėl šiandien tokios galimybės laikomos pagrindu būsimiems antrosios kartos termobranduoliniams reaktoriams, po deuterio-tričio. Tačiau šios alternatyvios termobranduolinės energijos idėja sulaukė netikėtų sąjungininkų. Kosmoso kolonizacijos šalininkai helią-3 laiko vienu iš pagrindinių ekonominių Mėnulio ekspansijos tikslų, kurie turėtų užtikrinti žmonijai švarios termobranduolinės energijos poreikį.

KUR? ARBA SAULĖTAS SVEČIAS

Iš pirmo žvilgsnio neturėtų kilti problemų, iš kur gauti helio: tai antras pagal gausumą elementas Visatoje, o santykinis šviesos izotopo kiekis jame – kiek mažiau nei viena tūkstantoji. Tačiau Žemei helis yra egzotika. Tai labai lakios dujos. Žemė negali jos išlaikyti savo gravitacijos dėka, ir beveik visas pirminis helis, nukritęs ant jos iš protoplanetinio debesies formuojantis Saulės sistemai, grįžo iš atmosferos atgal į kosmosą. Net helis pirmą kartą buvo aptiktas Saulėje, todėl jis buvo pavadintas senovės graikų dievo Helijo vardu. Vėliau buvo rasta mineralų, kuriuose yra radioaktyvieji elementai, ir galiausiai atmosferoje tarp kitų tauriųjų dujų. Antžeminis helis daugiausia yra ne kosminės, o antrinės radiacinės kilmės: irstant radioaktyviems cheminiams elementams išskrenda alfa dalelės – helio-4 branduoliai. Helis-3 nesusidaro tokiu būdu, todėl jo kiekis Žemėje yra nereikšmingas ir tiesiogine prasme skaičiuojamas kilogramais.

Kosminės kilmės helio (su santykinai dideliu helio-3 kiekiu) galite kaupti Urano ar Neptūno atmosferoje – planetose, kurios yra pakankamai didelės, kad išlaikytų šias šviesias dujas, arba Saulėje. Paaiškėjo, kad prie saulės helio priartėti lengviau: visa tarpplanetinė erdvė užpildyta saulės vėjo, kuriame 70 tūkstančių protonų sudaro 3000 alfa dalelių – helio-4 branduolių ir vieną helio-3 branduolį. Šis vėjas itin retas, pagal žemiškus standartus – tikras vakuumas, o tinklu jo pagauti neįmanoma (žr. Nauka i Zhizn, Nr. 7, 2001). dangaus kūnai, kurie neturi magnetosferos ir atmosferos, pavyzdžiui, Mėnulyje, todėl galima ištuštinti kai kurias natūralias spąstus, kurios buvo reguliariai pildomos pastaruosius keturis milijardus metų. Dėl plazmos bombardavimo per tą laiką į Mėnulį nukrito keli šimtai milijonų tonų helio-3. Jei visas saulės vėjas liktų Mėnulio paviršiuje, tai be 5 gramų helio-3, vidutiniškai kiekviename paviršiaus kvadratiniame metre būtų dar 100 kilogramų vandenilio ir 16 kilogramų helio-4. Iš tokio kiekio būtų galima sukurti visai padorią atmosferą, tik kiek retesnę nei Marso, arba dviejų metrų gylio suskystintų dujų vandenyną!

Tačiau Mėnulyje nieko panašaus nėra ir tik labai maža dalis saulės vėjo jonų amžinai lieka viršutiniame Mėnulio dirvožemio sluoksnyje – regolite. Mėnulio dirvožemio, kurį į Žemę atnešė sovietinės Luna stotys ir Amerikos Apollos, tyrimai parodė, kad helio-3 jame yra maždaug 1/100 milijono dalis arba 0,01 gramo 1 tonoje. Ir iš viso Mėnulyje yra apie milijonas tonų šio izotopo, žemiškais standartais yra daug. Esant dabartiniam pasaulio energijos suvartojimo lygiui, Mėnulio kuro pakaktų 10 tūkstančių metų, o tai yra maždaug dešimt kartų daugiau nei viso Žemėje atgaunamo cheminio kuro (dujų, naftos, anglies) energetinis potencialas.

AS? ARBA "VIENAM GRAMUI GAMYBOS, PER METUS DARBO DARBAS"

Deja, Mėnulyje helio „ežerų“ nėra, jis daugiau ar mažiau tolygiai pasiskirstęs visame paviršiniame sluoksnyje. Nepaisant to, techniniu požiūriu kasybos procesas yra gana paprastas ir jį išsamiai išplėtojo Mėnulio kolonizacijos entuziastai (žr., pavyzdžiui, www.asi.org).

Norint patenkinti dabartinį metinį Žemės energijos poreikį, iš Mėnulio reikia atgabenti tik apie 100 tonų helio-3. Būtent šis skaičius, atitinkantis tris ar keturis erdvėlaivių – šaudyklių skrydžius, žavi savo prieinamumu. Tačiau pirmiausia reikia iškasti apie milijardą tonų mėnulio dirvožemio – tai nėra toks didelis kiekis pagal kalnakasybos pramonės standartus: pavyzdžiui, per metus pasaulyje išgaunama du milijardai tonų anglies (Rusijoje – apie 300). milijonai tonų). Žinoma, helio-3 kiekis uolienoje nėra per didelis: pavyzdžiui, telkinių kūrimas laikomas ekonomišku, jei juose yra bent keli gramai aukso ir bent du karatai (0,4 g) deimantų. už toną. Šia prasme helis-3 gali būti lyginamas tik su radiu, kurio nuo XX amžiaus pradžios buvo gauti vos keli kilogramai: apdirbus toną gryno urano gaunama tik 0,4 gramo radžio, jau nekalbant paties urano gavybos problemos. Praėjusio amžiaus pradžioje, romantiško požiūrio į radioaktyvumą laikotarpiu, radis buvo gana populiarus ir žinomas ne tik fizikams, bet ir lyrikams: prisiminkime V. V. frazę. Tačiau helis-3 yra brangesnis už beveik bet kurią žmogaus naudojamą medžiagą – viena tona kainuotų mažiausiai milijardą dolerių, jei helio energijos potencialą paverstumėte naftos ekvivalentu už 7 USD už barelį pigią kainą.

Iš iki kelių šimtų laipsnių įkaitinto regolito dujos lengvai išsiskiria, tarkime, saulės spindulius koncentruojančio veidrodžio pagalba. Nepamirškime, kad helis-3 dar reikia atskirti nuo daug didesnio skaičiaus kitų dujų, daugiausia nuo helio-4. Tai daroma atšaldant dujas iki skystos būsenos ir pasinaudojant nežymiu izotopų virimo taškų skirtumu (4,22 K helio-4 arba 3,19 K helio-3). Kitas elegantiškas atskyrimo būdas yra pagrįstas skysto helio-4, kuris gali savarankiškai tekėti per vertikalią sieną į gretimą talpyklą, superskysčių savybių panaudojimu, palikdamas tik ne superskystį helią-3 (žr. „Mokslas ir gyvenimas“ Nr. 2, 2004).

Deja, visa tai teks daryti beorėje erdvėje, ne Žemės „šiltnamio“ sąlygomis, o Mėnulyje. Ten turės būti perkelti keli kalnakasių miesteliai, o tai iš esmės reiškia Mėnulio kolonizaciją. Dabar šimtai specialistų stebi kelių netoli Žemės skriejančių astronautų saugumą ir bet kurią akimirką įgula gali grįžti į Žemę. Jei dešimtys tūkstančių žmonių atsidurs kosmose, jie patys, be išsamios Žemės priežiūros, turės gyventi vakuume ir aprūpinti save vandeniu, oru, kuru ir pagrindinėmis statybinėmis medžiagomis. Tačiau Mėnulyje yra pakankamai vandenilio, deguonies ir metalų. Daugelį jų galima gauti kaip šalutinį helio kasybos produktą. Tada galbūt helis-3 gali tapti pelninga preke prekybai su Žeme. Tačiau kadangi tokiomis sunkiomis sąlygomis esantiems žmonėms energijos prireiks daug daugiau nei žemiečiams, helio-3 atsargos Mėnulio mūsų palikuonims gali atrodyti ne tokios neribotos ir patrauklios.

Beje, šiuo atveju yra alternatyvus sprendimas. Jei inžinieriai ir fizikai ras būdą, kaip susidoroti su dešimt kartų karščiau nei būtina šiuolaikiniam tokamakui, helio plazmai (užduotis, kuri dabar atrodo visiškai fantastiška), tada padidinę temperatūrą tik du kartus, mes padarysime. uždegti" reakcijos sintezę, kurioje dalyvauja protonai ir boras. Tada bus išspręstos visos kuro problemos, ir už daug mažesnę kainą: boro žemės plutoje daugiau nei, pavyzdžiui, sidabro ar aukso, jis plačiai naudojamas kaip priedas metalurgijoje, elektronikoje, chemijoje. Kasybos ir perdirbimo įmonės per metus pagamina šimtus tūkstančių tonų įvairių boro turinčių druskų, o jei neturime pakankamai atsargų sausumoje, tai kiekvienoje tonoje. jūros vandens yra keli gramai boro. O tas, kurio vaistinėlėje yra buteliukas su boro rūgštimi, gali manyti, kad turi savo energijos rezervą ateičiai.

Literatūra

Bronšteinas M. P. Saulės medžiaga. – knygų klubas „Terra“, 2002 m.

Mėnulio dirvožemis iš gausybės jūros. - M.: Nauka, 1974 m.

Antraštės iliustracijoms

nesveikas. 1. Branduolių sintezės reakcijų helio ciklas prasideda dviejų protonų susiliejimu į deuterio branduolį. Kituose etapuose susidaro sudėtingesni branduoliai. Užrašykime keletą pirmųjų paprastos reakcijos, kurio mums prireiks toliau.
p + p → D + e - + n
D + D → T + p arba
D + D → 3 He + n
D + T → 4 He + n
D + 3 He → 4 He +2p
p + 11 Be → 3 4 He
Reakcijos greitį lemia tikimybė įveikti elektrostatinį barjerą, kai artėja du teigiamo krūvio jonai, ir tikrosios branduolių susiliejimo tikimybė (vadinamasis sąveikos skerspjūvis). Visų pirma, kuo didesnė branduolio kinetinė energija ir tuo mažesnė elektros krūvis, tuo didesnė tikimybė pereiti elektrostatinį barjerą ir greitesnis reakcijos greitis (žr. grafiką). Pagrindinis termobranduolinės energijos teorijos parametras – reakcijos užsidegimo kriterijus – nusako, kokiam plazmos kuro tankiui ir temperatūrai sintezės metu išsiskirianti energija (proporcinga reakcijos greičiui, padaugintam iš plazmos tankio ir degimo trukmės) viršys kaštus. plazminis šildymas, atsižvelgiant į nuostolius ir efektyvumą . Deuterio ir tričio reakcija yra didžiausia, o norint pasiekti užsidegimą, plazmą, kurios koncentracija yra apie 10 14 cm -3, reikia pašildyti iki pusantro šimto milijono laipsnių ir palaikyti 1-2 sekundes. Norint pasiekti teigiamą energijos balansą reakcijose su kitais komponentais – heliu-3 ar boru, mažesnę spartą reikia kompensuoti dešimt kartų padidinus plazmos temperatūrą ir tankį. Tačiau sėkmingai susidūrus dviem branduoliams išsiskiria energija, tūkstantį kartų didesnė už energiją, sunaudojamą jiems šildyti. Pradinės helio ciklo reakcijos, kurių metu saulės šerdyje susidaro deuteris ir tritis, vyksta taip lėtai, kad atitinkamos kreivės nepatenka į šio grafiko lauką.

nesveikas. 2. Saulės vėjas yra išretėjusios plazmos srautas, nuolat ištekantis iš saulės paviršiusį tarpplanetinę erdvę. Vėjas per metus nuneša tik apie 3x10 -14 saulės masių, tačiau būtent šis vėjas pasirodo esąs pagrindinis tarpplanetinės terpės komponentas, išstumiantis tarpžvaigždinę plazmą iš Saulės apylinkių. Taip sukuriama heliosfera – savotiškas burbulas, kurio spindulys siekia apie šimtą astronominių vienetų, judantis kartu su Saule tarpžvaigždinėmis dujomis. Kaip tikisi astronomai, dabar prie savo sienos artėja amerikiečių palydovai „Voyager 1“ ir „Voyager 2“, kurie netrukus taps pirmuoju erdvėlaiviu, palikusiu Saulės sistemą. Saulės vėją pirmą kartą atrado sovietų tarpplanetinė stotis „Luna-2“ 1959 m., tačiau netiesioginiai įrodymai, kad iš Saulės sklinda korpuskulinis srautas, buvo žinomi anksčiau. Tai saulės vėjas, kurį skolingi Žemės gyventojai magnetinės audros(žr. „Mokslas ir gyvenimas“ Nr. 7, 2001). Žemės orbitoje vėjo kubiniame centimetre yra vidutiniškai tik šeši jonai, judantys protu neįtikėtinu 450 km/s greičiu, o tai nėra toks greitas pagal Saulės sistemos mastą: reikia tris dienas keliauti į Žemę. Saulės vėjas sudaro 96% protonų ir 4% helio branduolių. Kitų elementų priemaiša yra nereikšminga.

nesveikas. 3. Mėnulio regolitas yra gana birus, kelių metrų storio sluoksnis Mėnulio paviršiuje. Jį daugiausia sudaro maži fragmentai, kurių vidutinis dydis yra mažesnis nei milimetras, susikaupę per milijardus metų dėl mėnulio uolienų sunaikinimo temperatūros pokyčių ir meteorito smūgių metu. Mėnulio dirvožemio tyrimai parodė, kad kuo daugiau titano oksidų regolite, tuo daugiau helio atomų.

nesveikas. 4. Titano buvimas paviršiniame sluoksnyje gana nesunkiai aptinkamas nuotoline spektroskopine analize (dešiniajame Clementine palydovo gautame figūros vaizde raudona spalva) ir taip gaunamas helio „nuosėdų“ žemėlapis, kuris , apskritai, sutampa su Mėnulio jūrų vieta.

nesveikas. 5. Norint išgauti vieną toną helio-3, reikia apdoroti paviršinį regolito sluoksnį mažiausiai 100 kvadratinių kilometrų plote. Pakeliui bus galima gauti nemažą kiekį kitų dujų, kurios bus naudingos organizuojant gyvenimą Mėnulyje. Nuotraukos paimtos iš svetainės

Jame yra du protonai ir du neutronai.

Enciklopedinis „YouTube“.

1 / 5

✪ Helis – SUPER FLUIDAS IR ŠALČIAUSIAS ELEMENTAS!

✪ Superskystas helis. Štutgarto universitetas

✪ Termobranduolinės energijos perspektyvos (sako fizikas Antonas Tyulusovas)

✪ Operacija "Helium"

✪ Operacija "Helium". 3 serija

Subtitrai

Norėčiau jums rekomenduoti Andrejaus, turinčio laipsnį, kanalą, kuriame jis filmuoja vaizdo kursą organinė chemija 10 klasei jo kanale dabar yra daugiau nei 40 vaizdo įrašų 12 temų. Prenumeruokite Andrejaus kanalą, kad galėtumėte publikuoti ir žaisti už 100 taškų, todėl šiandien papasakosiu apie labiausiai paplitusias tauriąsias dujas numatomoje visatoje, kurios, be to, , taip pat gali įgyti unikalių superskysčių savybių esant itin žemoms temperatūroms susitinka su heliu Periodinė elementų lentelėšis elementas yra viršutiniame dešiniajame kampe, jį labai lengva rasti 2 numeriu, manau, kad šiandien žmonės su šiomis inertinėmis dujomis susipažįsta nuo vaikystės, nes dėl savo lengvumo oro atžvilgiu helis puikiai tinka šventiniams balionams pripūsti kad vaikams taip patinka, visa tai dėl to, kad helio molinė masė yra maždaug septynis kartus mažesnė molinės masės ore, bet vis tiek, kalbant apie paplitimą, hels žemėje ore yra itin retas, tai tik viena dalis milijono; urano ar torio skilimas žemės plutoje, helis gali kauptis požeminėse tuštumose su gamtinėmis dujomis, o ne pabėgti į atmosferą, tačiau jei imsime didesnį mastelį, tai visoje stebimoje visatoje arba ji užims garbingą antrąją vietą tarp visų elementų, pasiduodanti tik vandeniliui ir sudarydama apie ketvirtadalį iš visų atomų, tik įsivaizduokite, visi atomai yra sunkesni už gelį, sudaro tik du procentus visos materijos masės, čia galite pajusti, kokie mes maži esame visatos mastelyje, pagrindinė korpuso dalis yra žvaigždžių sudėtyje arba atmosferoje dujų milžinų, kuriuose, kaip ir visoje visatoje, yra apie 20 proc Šių dienų duomenimis, pagrindinė erdvėje esanti gelio dalis susidarė per Didysis sprogimas Maždaug prieš 14 milijardų metų, dabar grįžkime iš dangaus į žemę ir apsvarstykime šių dujų savybes labiau apčiuopiamu eksperimentu. Turiu mažą ampulę su heliu, kurio slėgis yra labai žemas, maždaug šimtoji atmosferos slėgio, matosi, kad gelis neturi spalvos, neturi nei skonio, nei kvapo, galetumete zinoti ar kada nors bandėte kvėpuoti šiomis dujomis, tačiau tokie eksperimentai itin pavojingi, nes mūsų ląstelės nekvėpuoja heliu, joms reikia deguonies , tai netgi privertė dabartinius balioninių gelio balionų pardavėjus į juos pridėti iki 20 procentų deguonies, kurį pakabinote vakarėliuose, tapo saugesnis, jei aukšto dažnio iškrova praleidžiama per akis su geliu. aukštos įtampos tada jis pradės blausiai švytėti oranžinė kurio ryškumas priklausys nuo įtampos ir nuo ampulės skersmens, kurią naudojau kaip įtampos šaltinį generatoriui dpla, apie kurį žinojo ir kuris suteikė galimybę laikyti ampulę tiesiai rankoje ir nuo elektros talpos buvimo. mano kūne iš principo, kaip ir bet kuriame kitame, skirtingai nei ant jo ar ksenono, helis užsidega jau per atstumą nuo generatoriaus laido, nes turi mažiau jonizacijos energijos, deja, cheminiu požiūriu, jis tikrai nešviečia išvis įdomios savybės, nereaguoja beveik su jokia medžiaga, nors plazmos pavidalu atrodo, kad tai, ką matai gelio ampulėje, gali sudaryti itin nestabilų junginį su vandeniliu, deuteriu ar kai kuriais metalais ir esant dideliam slėgiui iš tūkstančių atmosferų net susidaro specialios medžiagos iš azoto klartų ir heliojų, kurie kristalų pavidalu gali būti auginami ant deimantinių substratų, gaila, kad visos šios medžiagos yra labai nestabilios ir normaliomis sąlygomis jų pamatyti beveik neįmanoma. bet nereikia nusiminti Galų gale, gelis turi įdomiausias ir unikalus fizines savybes iš visų dujų faktas yra tas, kad atvėsus iki 42 kelvinų temperatūros, jos iš tikrųjų tampa lengviausiu ir kartu šalčiausiu skysčiu, kurio tankis beveik 10 kartų mažesnis už vandens tankį Celsijaus laipsniais, skystas helis gaunamas pašėlusiai minus du šimtai šešiasdešimt aštuoni laipsniai, o tai yra labai šalta, tokia šalta, kad kai kurie metalai šioje temperatūroje tampa superlaidininkais, pavyzdžiui, gyvsidabris ar niobis, kad būtų palaikoma tokia žema temperatūra, skystas helis yra dvigubame Dewar inde. , kuris dar aušinamas iš išorės skystu azotu Ta pati skysto helio aušinimo technologija naudojama šiuolaikiniuose įrenginiuose, sukuriant juose branduolinį magnetinį rezonansą superlaidininkų jungtis niobis aušinamas skystu heliu, kuris dėl savo brangumo yra pasukti aušinamas pigesniu skystu azotu, todėl skystas gelis tarnauja ir medicinai, ir mokslininkų tyrimams, bet įdomiausias dalykas prieš tai dar laukia, pasakojau apie pirmąją skysto g formą helis, vadinamasis helis 1, jei pradėsite jį vėsinti sumažindami slėgį inde, tada skystas helis ilgainiui pereis per vadinamąją lindą. būtent jis atšąla žemiau du kartus septyniolikos šimtųjų kelvinų temperatūros ir tampa antrąja skysto helio forma, po to skysčio virimas akimirksniu sustoja ir skystas helis radikaliai keičia savo savybes esant tokiai temperatūrai, šilumai laidus skystas helis padidina milijonus kartų ir tampa didesnis nei vario ar sidabro, todėl skystis neužverda, nes šiluma akimirksniu ir tolygiai perduodama visame tūryje, be to, pasiekus lambda tašką helis tampa superskysčiu, tai yra praranda absoliučiai visas klampumas, būtent vienos skysčio dalies atsparumas judėjimui kitos atžvilgiu, yra puikus eksperimentas, kuris tai įrodo, jei pilamas į mažą kabantį puodelį virš esamo helio gali pakilti palei talpyklos sieneles. plonos plėvelės forma ir ištekėjimas iš puodelio, be to, jis lengvai praeina per keramikos sluoksnį, kurio porų dydis yra maždaug vienas mikronas, ir kuo žemesnė skysto helio temperatūra, tuo lengviau šis skystis praeina per barjerą stebėtinai taip pat tai, kad skystas helis tokioje atvėsusioje formoje vis dar turi klampumą, kurį galima pamatyti 2 būdais cilindro transformacija, skysčio sluoksniai vis tiek perduoda sukimąsi į ašmenis iš viršaus, kaip gali būti, bet čia kita kvantiniai mechanizmai jau atlieka vaidmenį, kurių elgesys iš esmės skiriasi nuo dėsnių klasikinė mechanika lyg ir klampumo yra, bet aš tuo pačiu ne, taip iš principo galima apibūdinti ir beje pirmą kartą skysto helio supertakumo reiškinius atrado sovietų mokslininkas Petras Kapitsa 1938 m., o jau 1962 m., Levas Landau sukūrė šio efekto teoriją, manau, tai ir viskas, bet čia mes žvaigždžių tema ir vėl laukia skrydžiai į kosmosą, prieš tai aš jums papasakojau apie labiausiai paplitusius izotopus helio ir helio 4, kuris turi du protonai ir du neutronai, tačiau vis dar yra labai retas izotopas helis-3, turintis du protonus ir vieną neutroną, faktas yra tas, kad šis izotopas puikiai tinka termobranduolinės sintezės reakcijoms su deuteriu ir teoriškai šis procesas gali padėti žmonijai atsisakyti iškastinio kuro, bet problema ta, kad žemėje šis izotopas yra neįtikėtinai retas, nes jis iš karto išgaruoja iš atmosferos, tačiau Mėnulyje, kur atmosferoje šio izotopo nėra daug geriau išsilaikęs hipotetiškai, žmonės galėtų išgauti helio-3 iš mėnulio regolito dulkių ir panaudoti jį kaip energijos šaltinis žemėje, bet kol kas tai atrodo tik fantazija šia tema, jie netgi sukūrė puikų filmą mėnulis 2112, rekomenduoju jį pažiūrėti ir galų gale galime pasakyti, kad toks dažnas vaizdas helio dujos turi nuostabių savybių žemoje temperatūroje, jo savybės dabar naudojamos visur, pavyzdžiui, medicinoje ar moksliniai tyrimai kuriame, pavyzdžiui, dujinis helis naudojamas kaip nešančiosios dujos chromatografijoje, tačiau jei patiko šis vaizdo įrašas, nepamirškite užsiprenumeruoti kanalo ir paspausti varpelį bei įdėti like, kad ateityje sužinotumėte daugiau naujų ir įdomių dalykų

Paplitimas

Atidarymas

Helio-3 egzistavimą pasiūlė australų mokslininkas Markas Oliphantas, dirbdamas Kembridžo universitete. Šį izotopą pagaliau atrado Luisas Alvarezas ir Robertas Kornogas m.

Fizinės savybės

Kvitas

Šiuo metu helis-3 nėra išgaunamas iš natūralių šaltinių (Žemėje yra nežymūs helio-3 kiekiai, kuriuos išgauti itin sunku), o susidaro irstant dirbtinai gautam tričiui.

Kaina

Vidutinė helio-3 kaina 2009 m., remiantis kai kuriais skaičiavimais, buvo apie 930 USD už litrą.

Helio-3 gavybos planai Mėnulyje

Helis-3 yra Saulėje vykstančių reakcijų šalutinis produktas ir tam tikru kiekiu yra saulės vėjo ir tarpplanetinėje terpėje. Iš tarpplanetinės erdvės į Žemės atmosferą patekęs helis-3 greitai išsisklaido atgal, jo koncentracija atmosferoje itin maža

Hipotetiškai termobranduolinės sintezės metu, kai 1 tona helio-3 reaguoja su 0,67 tonos deuterio, išsiskiria energija, kuri prilygsta 15 mln. tonų naftos sudeginimui (tačiau šios reakcijos techninės galimybės nebuvo ištirtos momentas). Vadinasi, mūsų planetos Mėnulio išteklių helio-3 populiacijos (pagal maksimalius vertinimus) gali pakakti maždaug penkiems tūkstantmečiams. Pagrindinė problema išlieka helio išgavimas iš Mėnulio regolito. Kaip minėta aukščiau, helio-3 kiekis regolite yra ~1 g 100 tonų, todėl norint išgauti toną šio izotopo, vietoje reikėtų apdoroti ne mažiau kaip 100 mln.

Naudojimas

Neutronų skaitikliai

Dujų skaitikliai, užpildyti heliu-3, naudojami neutronų aptikimui. Tai yra labiausiai paplitęs neutronų srauto matavimo metodas. Jie reaguoja

n+ 3 He → 3 H + 1 H + 0,764 MeV.

Įkrautus reakcijos produktus – tritoną ir protoną – registruoja dujų skaitiklis, veikiantis proporcinio skaitiklio arba Geigerio-Muller skaitiklio režimu.

Itin žemos temperatūros gavimas

Tirpinant skystą helią-3 heliu-4, pasiekiama milikelvino temperatūra.

Vaistas

Helis-3 kaip branduolinis kuras

Reakcija 3 He + D → 4 He + p turi daug pranašumų, palyginti su labiausiai pasiekiama deuterio ir tričio reakcija T + D → 4 He + n antžeminėmis sąlygomis. Šie privalumai:

Dešimtys kartų mažesnis neutronų srautas iš reakcijos zonos, o tai smarkiai sumažina sukeltą radioaktyvumą ir reaktoriaus konstrukcinių medžiagų degradaciją;
Gauti protonai, skirtingai nei neutronai, lengvai pagaunami ir gali būti naudojami papildomai elektros energijai gaminti, pavyzdžiui, MHD generatoriuje;
Sintezės pradinės medžiagos yra neaktyvios ir jų saugojimui nereikia specialių atsargumo priemonių;
Reaktoriaus avarijos atveju, kai aktyviosios zonos slėgis sumažėja, išmetimo radioaktyvumas yra artimas nuliui.

Helio-deuterio reakcijos trūkumai yra žymiai aukštesnė temperatūros riba. Kad jis įsijungtų, dėl Kulono barjero būtina pasiekti maždaug 10 9 K temperatūrą. O žemesnėje temperatūroje termobranduolinė deuterio branduolių susiliejimo tarpusavyje reakcija vyksta daug lengviau, o reakcija tarp deuterio ir helio-3 nevyksta.

Menuose

Mokslinės fantastikos kūriniuose (žaidimuose, filmuose, anime) helis-3 kartais veikia kaip pagrindinis kuras ir kaip vertingas išteklius, įskaitant išgaunamą Mėnulyje.

2009 metų britų mokslinės fantastikos filmo „Luna 2112“ siužetas paremtas Mėnulio kasybos komplekso veikla. Kompleksas užtikrina izotopo helio-3 išgavimą, kurio pagalba pavyko sustabdyti katastrofišką energijos krizę Žemėje.

Politinėje komedijoje „Geležinis dangus“ Mėnulio helis-3 yra tarptautinio branduolinio konflikto dėl kalnakasybos teisių priežastis.

Anime" planetos» Helium-3 naudojamas kaip kuras raketų varikliams ir kt.

Literatūra

Dobbs E.R. Helium – Trys. - Oksfordo universiteto leidykla, 2000. ISBN 0-19-850640-6
Galimovas E.M. Jei turite energijos, galite išgauti viską – retųjų žemių. 2014. Nr. 2. S. 6-12.
Helio-3 trūkumas: pasiūla, paklausa ir kongreso parinktys // FAS, 2010 m. gruodžio 22 d. (anglų k.)

Pastabos

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

Tikriausiai nedaug kas termobranduolinės energetikos srityje yra apipintas tokiais mitais kaip helis 3. 80-90-aisiais jis buvo aktyviai populiarinamas kaip kuras, kuris išspręstų visas valdomos termobranduolinės sintezės problemas, taip pat viena iš priežasčių išeiti iš jos. Žemės (nes jos žemėje pažodžiui yra keli šimtai kilogramų, o Mėnulyje – milijardas tonų) ir pagaliau pradėti vystytis saulės sistema. Visa tai paremta labai keistomis idėjomis apie šiandien neegzistuojančios termobranduolinės energijos galimybes, problemas ir poreikius, apie kurias ir pakalbėsime.

Mašina helio3 gavybai Mėnulyje jau paruošta, belieka rasti jam panaudojimą.

Kai jie kalba apie helią3, jie turi omenyje termobranduolinės sintezės reakcijas He3 + D -> He4 + H arba He3 + He3 -> 2He4 + 2H. Palyginti su klasika D + T -> He4 +n reakcijos produktuose nėra neutronų, vadinasi, superenergetinių neutronų neaktyvuoja termobranduolinio reaktoriaus konstrukcija. Be to, problema, kad „klasikų“ neutronai iš plazmos išneša 80% energijos, yra laikoma problema, todėl savaiminio įkaitimo balansas atsiranda esant aukštesnei temperatūrai. Dar vienas dėmesio vertas helio versijos privalumas yra tas, kad elektrą galima pašalinti tiesiai iš įkrautų reakcijos dalelių, o ne kaitinant vandenį neutronais – kaip senose anglimi kūrenamose elektrinėse.

Taigi, visa tai netiesa, tiksliau, labai maža dalis tiesos.

Pradėkime nuo to, kad esant tokiam pačiam plazmos tankiui ir optimaliai temperatūrai, reakcija He3 + D pasiduos 40 kartų mažiau energijos išsiskyrimas vienam kubiniam metrui darbinės plazmos. Tokiu atveju temperatūra, reikalinga bent 40 kartų plyšimui, bus 10 kartų didesnė – 100 keV (arba vienas milijardas laipsnių), palyginti su 10 D +T. Pati savaime tokia temperatūra yra gana pasiekiama (dabartinis tokamakų rekordas yra 50 keV, tik du kartus blogesnis), tačiau norint nustatyti energijos balansą (aušinimo greitis VS šildymo greitis, įskaitant savaiminį šildymą), reikia padidinti energijos išsiskyrimas 50 kartų iš kubinių metrų He3 + D reakcijos, o tai galima padaryti tik padidinus tankį tiek pat 50 kartų. Kartu su dešimt kartų padidėjusia temperatūra tai suteikia kraujo plazmos slėgio padidėjimas 500 kartų- nuo 3-5 atm iki 1500-2500 atm, ir toks pat priešslėgio padidėjimas, kad ši plazma išlaikytų.

Tačiau nuotraukos įkvepia.

Pamenate, rašiau, kad ITER toroidinio lauko magnetai, sukuriantys priešslėgį plazmai, yra absoliučiai rekordiniai gaminiai, vieninteliai pasaulyje pagal parametrus? Taigi, He3 gerbėjai siūlo magnetus padaryti 500 kartų galingesnius.

Gerai, pamiršk sunkumus, gal šios reakcijos privalumai juos atsiperka?

Įvairios termobranduolinės reakcijos, taikomos CTS. He3 + D suteikia šiek tiek daugiau energijos nei D + T, tačiau daug energijos išeikvojama Kulono atstūmimo įveikimui (3, o ne 2 krūvis), todėl reakcija vyksta lėtai.

Pradėkime nuo neutronų. Neutronai pramoniniame reaktoriuje bus rimta problema, sugadinti kūno medžiagas, įkaitinti visus elementus, nukreiptus prieš plazmą, tiek, kad juos reikia vėsinti tinkamu vandens srautu. O svarbiausia – medžiagų aktyvavimas neutronais lems tai, kad net po 10 metų po termobranduolinio reaktoriaus uždarymo jame bus tūkstančiai tonų radioaktyvių struktūrų, kurių negalima išardyti rankomis ir kurios bus sendintos saugyklose. šimtus ir tūkstančius metų. Atsikračius neutronų, akivaizdu, kad būtų lengviau sukurti termobranduolinę elektrinę.

Energijos dalis, kurią nuneša neutronai. Jei į reaktorių įpilsite daugiau He3, galite jį sumažinti iki 1%, tačiau tai dar labiau sugriežtins uždegimo sąlygas.

Gerai, bet kaip dėl tiesioginio įkrautų dalelių energijos pavertimo elektra? Eksperimentai rodo, kad 100 keV energijos jonų srautą galima paversti elektros energija 80% naudingumo koeficientu. Mes čia neturime neutronų... Noriu pasakyti, kad jie neatima visos energijos, kurią galime gauti tik šilumos pavidalu – atsikratykime garo turbinų ir įdėkime jonų kolektorių?

Taip, yra technologijų, skirtų tiesioginiam plazmos energijos pavertimui elektra, jos buvo aktyviai tiriamos 60-70-aisiais ir parodė 50-60% efektyvumą (ne 80, reikia pažymėti). Tačiau ši idėja prastai pritaikoma tiek D + T reaktoriuose, tiek He3 + D. Kodėl taip yra, šis paveikslėlis padeda suprasti.

Tai rodo plazmos šilumos nuostolius skirtingais kanalais. Palyginkite D+T ir D+He3. Transportas yra tai, kas gali būti naudojama plazmos energijai tiesiogiai paversti elektra. Jei D + T variante viską iš mūsų atima bjaurūs neutronai, tai He3 + D atveju viską atima plazmos elektromagnetinė spinduliuotė, daugiausia sinchrotronas ir rentgeno spinduliai (paveikslėlyje). Bremsstrahlung). Situacija beveik simetriška, vis tiek, būtina pašalinti šilumą nuo sienų ir dar tiesioginiu būdu negalime ištraukti daugiau nei 10-15 proc. termobranduolinio degimo energija, o visa kita – senamadiškai, per garo mašiną.

Iliustracija tyrime apie tiesioginį plazmos energijos konversiją didžiausioje atviroje gaudyklėje Gamma-10 Japonijoje.

Be teorinių apribojimų, yra ir inžinerinių – pasaulyje (taip pat ir SSRS) buvo dedamos milžiniškos pastangos kuriant įrenginius, skirtus tiesioginiam plazmos energijos pavertimui į elektros energiją įprastoms elektrinėms, kurios leido padidinti efektyvumą. nuo 35% iki 55%. Daugiausia pagrįsta MHD generatoriais. 30 didelių komandų darbo metų baigėsi beviltiškai - instaliacijos ištekliai buvo šimtai valandų, kai energetikams reikia tūkstančių ir dešimčių tūkstančių. Gigantiškas išteklių kiekis, išleistas šiai technologijai, lėmė tai, kad mūsų šalis atsiliko dujų turbinų ir garo-dujų turbinų ciklo jėgainių gamyboje (kurių efektyvumas padidėja lygiai tiek pat - nuo 35). iki 55 proc.!).

Beje, galingų superlaidžių magnetų reikia ir MHD generatoriams. Čia rodomi SP magnetai, skirti 30 MW MHD generatoriui.