„Vorbim acum despre energia termonucleară a viitorului și despre un nou tip ecologic de combustibil care nu poate fi produs pe Pământ. Vorbim despre dezvoltarea industrială a lunii pentru extracția heliului-3. Această declarație a șefului rachetei Energia și corporației spațiale Nikolai Sevastyanov, dacă nu a șocat imaginația rușilor care respectă legea (aceștia acum, chiar în ajunul noului sezon de încălzire, se ocupă doar de heliu-3), atunci imaginația specialiștilor și a oamenilor interesați nu a lăsat indiferentă.

Acest lucru este de înțeles: având în vedere situația, ca să spunem ușor, nu genială în industria aerospațială internă (bugetul spațial al Rusiei este de 30 de ori mai mic decât în ​​Statele Unite și de 2 ori mai mic decât în ​​India; din 1989 până în 2004, am lansat doar 3 nave spațiale de cercetare), brusc, așa, nici mai mult, nici mai puțin - rușii vor produce heliu-3 pe Lună! Permiteți-mi să vă reamintesc că, teoretic, acest izotop ușor al heliului este capabil să intre într-o reacție termonucleară cu deuteriul. În consecință, fuziunea este considerată de mulți oameni de știință o sursă potențial nelimitată de energie ieftină. Cu toate acestea, există o problemă: heliul-3 este mai puțin de o milioneme din total heliu pe pământ. Dar în solul lunar, acest izotop ușor se găsește din abundență: potrivit academicianului Eric Galimov, aproximativ 500 de milioane de tone ...

Ei spun că la un moment dat în Statele Unite, în fața intrării în Disneyland, a atârnat un afiș uriaș: „Noi și țara noastră putem face totul, singurul lucru care ne limitează sunt granițele imaginației noastre”. Toate acestea nu erau departe de adevăr: un proiect nuclear rapid și eficient, un program lunar fantastic de succes, o inițiativă strategică de apărare (SDI), care a terminat complet economia sovietică. ...

În esență, una dintre principalele funcții ale statului, mai ales în secolul al XX-lea, a fost tocmai formularea de sarcini pentru comunitatea științifică aflată în pragul imaginației. Acest lucru este valabil și pentru statul sovietic: electrificare, industrializare, creație bombă atomică, primul satelit, cotitura râurilor... Apropo, aveam propriul nostru „afiș” în fața Disneylandului – „Ne-am născut să facem un basm să devină realitate!”

„Cred doar că există o lipsă într-o problemă tehnologică majoră”, a spus Alexander Zakharov, doctor în științe fizice și matematice, secretar științific al Institutului de Cercetare Spațială al Academiei Ruse de Științe, într-un interviu cu mine. - Poate, din cauza asta, au fost timpuri recente toate acestea vorbesc despre producția de heliu-3 pe Lună pentru energie termonucleară. Dacă Luna este o sursă de minerale, și de acolo pentru a transporta acest heliu-3, dar nu există suficientă energie pe Pământ... Toate acestea sunt de înțeles, sună foarte frumos. Și pentru aceasta este ușor, poate, să convingi oamenii influenți să aloce bani. Așa cred".

Dar treaba este că nu există nicio tehnologie pe Pământ în acest moment - și în următorii 50 de ani cel puțin nu se așteaptă să apară - arzând heliu-3 într-o reacție termonucleară. Nu există nici măcar un proiect de proiect al unui astfel de reactor. Reactorul termonuclear internațional ITER, care este în prezent în construcție în Franța, este proiectat să „arde” izotopii de hidrogen – deuteriu și tritiu. Temperatura calculată de „aprindere” a unei reacții termonucleare este de 100-200 de milioane de grade. Pentru a utiliza heliu-3, temperatura trebuie să fie cu un ordin de mărime sau două mai mare.

Deci, șeful celei mai mari corporații spațiale și de rachete din Rusia, Nikolai Sevastyanov, scuze pentru expresie, ne pudrează creierul cu heliu-3? Nu seamănă. De ce!?

„Industria spațială este în mod natural interesată de un proiect atât de mare și costisitor”, spune Alexander Zakharov. „Dar în ceea ce privește utilizarea sa practică, este absolut clar că acest lucru este prematur.”

Pentru a implementa proiectul heliu-3, este necesar să se creeze un program special pentru explorarea suplimentară a lunii, să lanseze o întreagă escadrilă de nave spațiale, să se rezolve problemele legate de producția de heliu-3, procesarea acestuia ... Acest lucru va ruina țara. mai rău decât orice SDI.

„Nu vreau să spun că Luna este complet închisă din punct de vedere științific - au mai rămas și sarcini științifice”, subliniază Alexander Zakharov. - Dar, după cum se spune, acest lucru ar trebui făcut pas cu pas, nu uit de alte sarcini științifice. Și atunci ne-am ferit cumva: de îndată ce americanii au anunțat programul unui zbor cu echipaj către Marte, declarăm imediat că suntem și noi pregătiți să facem acest lucru. Am auzit de programe lunare - hai să facem și asta... Nu avem o sarcină națională deliberată, echilibrată, strategică.

Iată-ne din nou înapoi de unde am început, la sarcina strategică națională. Problema este că, spre deosebire de americani, suntem limitați nu atât de imaginația noastră - cu aceasta, așa cum arată declarația lui Nikolai Sevastyanov, totul este în ordine la noi. Dar, conform celor mai modeste estimări, programul heliu-3 (să-i spunem așa), conform celor mai conservatoare estimări, va necesita 5 miliarde de dolari pentru cinci ani de cercetare.

Din punct de vedere pur științific, în problema fuziunii bazate pe TOKAMAKS, chiar dacă decizie despre construcția reactorului experimental internațional ITER, a existat o anumită stagnare. (Totuși, acesta este un subiect pentru o discuție separată.) Mi se pare că problema heliului-3 pentru o parte a influentului lobby termonuclear este o nouă nișă pentru resuscitare și realizarea ambițiilor profesionale.

Nu numai atât - și acesta este un lucru destul de senzațional și singurul motiv pentru care nu mi-am început articolul cu el - așa cum ne-a spus un expert din industria aerospațială, proiectul rusesc pentru extracția izotopului ușor de heliu pe Luna a fost alocată ┘ 1 miliard de dolari! Acești bani, se presupune, sunt de origine americană.

În ciuda complexității unei astfel de combinații, capetele se întâlnesc în ea cu destul de mult succes. Pentru a asigura 104 miliarde de dolari pentru programul de bază lunară anunțat recent, Agenția Națională de Aeronautică a SUA și cercetare spatiala a fost necesar să se arate că „concurenții strategici” sunt și ei în alertă. Adică miliardul „rus” este, într-un fel, capul general al NASA... De aici și creșterea interesului pentru producția de heliu-3 în Rusia, inexplicabilă din motive raționale.

Dacă acest lucru este adevărat, atunci încă o dată va trebui să verificăm cu toții validitatea formulei publicate acum zece ani în revista Physics Today. Iată-l: „Oamenii de știință nu sunt căutători dezinteresați ai adevărului, ci mai degrabă participanți la o competiție acerbă pentru influența științifică, ai cărei câștigători sparg banca”.

În ultimele luni în mijloace mass media Se vorbește multe despre prezența unui număr de state (în primul rând Statele Unite, Rusia și China) de proiecte pentru extracția heliului-3 pentru reacții termonucleare controlate. Aceste proiecte sunt văzute de mulți drept soluția la toate problemele umanității. Deci, ce este heliul-3?

Dintre toți atomii de heliu care există pe Pământ, 99,999862% dintre atomi au o masă de 4 ori mai mare decât a unui atom de hidrogen. Acesta este heliu-4. Nucleele sale atomice sunt particule alfa care se formează în timpul dezintegrarii radioactive. Iar restul de 0,000138% din atomii de heliu sunt doar de 3 ori mai grei decât un atom de hidrogen. Acesta este heliu-3.

Raportul dintre heliu-3 și heliu-4 la scara Universului este semnificativ diferit - acolo numărul acestor izotopi diferă cu aproximativ un ordin de mărime. În materia meteoriților și în rocile lunare, conținutul de heliu-3 variază de la 17 la 32% din cantitatea totală de heliu. Cu miliarde de ani în urmă, raportul dintre heliu-4 și heliu-3 pe Pământ era același ca în întregul univers. Cu toate acestea, de-a lungul timpului care a trecut de atunci, heliul format în timpul nucleosintezei primare s-a evaporat complet din atmosfera pământului. Și tot heliul care se află astăzi pe Pământ s-a format ca urmare a descompunerii radioactive. Adică, pe Pământ există practic doar heliu-4. Iar heliul-3 se formează numai pe Soare ca urmare a reacțiilor termonucleare care au loc acolo (în principal heliu-4 se formează pe Soare, dar și acolo se formează și mult heliu-3). De la Soare, aceste elemente se împrăștie în spațiu sub forma așa-numitului „vânt solar” (un tip special de raze cosmice). „Vântul solar” nu lovește Pământul și alte planete: atmosfera și câmpul magnetic interferează. Dar, să zicem, pe Lună, lipsită de atmosferă, particulele „vântului solar” cad și „se blochează” în stratul de suprafață al solului.

Până la un timp, aceste fapte au avut un interes pur teoretic. La nivel practic, au început să vorbească despre heliu-3 când a devenit clar că petrolul se va epuiza în următoarele decenii. Cărbunele și gazul vor dura puțin mai mult, dar nici pentru mult timp. Evident, singura modalitate de a rezolva problema energetică este utilizarea energiei nucleului atomic. Cu toate acestea, rezervele de uraniu nu sunt, de asemenea, infinite ... Prin urmare, ideea utilizării fuziunii termonucleare a fost invariabil populară timp de o jumătate de secol.

În reacțiile termonucleare care au loc pe Soare, patru atomi ai izotopului de lumină al hidrogenului sunt combinați într-un atom de heliu cu eliberare de energie. Cu toate acestea, pentru reacțiile termonucleare produse pe Pământ, un izotop ușor de hidrogen (constituind 99,985% din tot hidrogenul) nu va funcționa, deoarece reacția de fuziune a izotopilor de hidrogen ușor are o secțiune transversală extrem de mică (probabilitatea de reacție). Această secțiune transversală scăzută a reacției este cea care asigură stabilitatea Soarelui - altfel nu ar fi o reacție termonucleară stabilă, ci o explozie termonucleară.

Pentru reacțiile termonucleare produse pe Pământ este nevoie de „hidrogen greu” – deuteriu. Din hidrogenul care există pe Pământ (mai ales sub formă de apă), deuteriul reprezintă 0,015%. Se poate obține prin electroliză apă plată, în care deuteriul este de 0,0017% din masă. Cu toate acestea, pe lângă deuteriu, o reacție termonucleară necesită o a doua componentă, atomul căruia trebuie să fie de 3 ori mai greu decât hidrogenul. Poate fi fie „hidrogen supergreu”, care se numește tritiu, fie același heliu-3. Tritiul nu există pe Pământ, în plus, este foarte radioactiv și instabil. Tritiul este potrivit pentru bombe cu hidrogen și instalații experimentale, dar nu pentru reactoare „industriale” (în bombele cu hidrogen, tritiul se formează atunci când litiul este iradiat cu neutroni ca urmare a reacției: 6 Li + n -> 3 H + 4 He) . O reacție termonucleară care implică tritiu este descrisă prin următoarea ecuație: 2 H + 3 H -> 4 He + n + 17,6 MeV. Această reacție este considerată principală în proiectele planificate, în special în proiectul internațional ITER în curs de creare.

Cu toate acestea, dezavantajul unei astfel de reacții este, în primul rând, nevoia de tritiu foarte radioactiv pentru aceasta și, în al doilea rând, faptul că în timpul unei astfel de reacții apar radiații puternice de neutroni. Prin urmare, au fost create recent proiecte ale unei reacții termonucleare „fără neutroni”, pentru care heliul-3, un izotop ușor al heliului, servește drept combustibil. Ecuațiile pentru reacțiile „fără neutroni” sunt următoarele:

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

Avantajul reacțiilor pe heliu-3 în comparație cu reacția deuteriu-tritiu este că, în primul rând, nu necesită izotopi radioactivi ca combustibil și, în al doilea rând, energia rezultată este transportată nu cu neutroni, ci cu protoni, din care va fi mai ușor să extragi energie.

Singura problemă este absența virtuală a heliului-3 pe Pământ. Dar, așa cum am menționat mai sus, heliul-3 se află în solul lunar. Deci, pentru a avea surse de energie după ce se epuizează combustibilii fosili, agențiile spațiale tari diferite dezvoltă planuri pentru a construi o bază pe Lună care va procesa solul lunar (numit regolit), va extrage heliu-3 din acesta și îl va livra în formă lichefiată centralelor termonucleare de pe Pământ. O tonă de heliu-3 este suficientă pentru a asigura nevoile de energie ale întregii omeniri timp de câțiva ani, ceea ce va plăti toate costurile creării unei baze lunare. Bush și-a stabilit deja un obiectiv: să creeze o bază lunară americană în 2015-2020.

Și ce se face astăzi în Rusia? Iată o selecție de reportaje de la agențiile de presă

„Rusia se poate relua program lunar de cativa ani
15 ianuarie 2004

Rusia discută problema reluării programelor de explorare a Lunii și Marte, a declarat pentru ITAR-TASS Nikolai Moiseev, prim-adjunct al șefului Rosaviakosmos. „Până la sfârșitul anului va fi dezvoltat Programul Spațial Federal până în 2015, care poate include aceste proiecte”, a spus el. Potrivit lui Moiseev, „oamenii de știință vin cu multe inițiative pentru a organiza expediții pe Lună și Marte, dar încă nu se știe care dintre ele va fi inclusă în programul federal”.

Rusia poate reînvia programul lunar în câțiva ani, spune Roald Kremnev, prim-director general adjunct al Asociației de cercetare și producție Lavochkin.
„După restrângerea programului sovietic de explorare a satelitului Pământului la sfârșitul anilor ’70 ai secolului trecut, de mai bine de trei decenii susținem dezvoltări științifice și tehnice pe această temă la nivel modern”, spune Kremnev. Potrivit lui, în prezent, la întreprinderea în care a fost creat legendarul „Lunokhod”, „există un întârziere serios pe automatele lunare”. Crearea și lansarea unui astfel de dispozitiv, conform lui Kremnev, va costa 600 de milioane de ruble.

Sursele de energie lunară pot salva Pământul de la o criză energetică globală, consideră academicianul Eric Galimov, membru al Biroului Consiliului Spațial al Academiei Ruse de Științe. Tritiul extras pe Lună și livrat pe Pământ poate fi folosit pentru fuziunea termonucleară, susține omul de știință.
Sursa: NEWSru.com

Un om de știință rus propune să scoată combustibil miraculos de pe Lună cu buldozere
23 ianuarie 2004

Academician Academia Rusă Sci., membru al Biroului Consiliului Spațial al Academiei Ruse de Științe Eric Galimov consideră că este necesar să se înceapă imediat pregătirile pentru extracția combustibilului lunar, transmite ITAR-TASS. Producția de heliu-3 pe Lună și îndepărtarea lui de acolo de către nave spațiale, în opinia sa, poate fi începută în 30-40 de ani.

„Pentru a furniza energie întregii omeniri timp de un an, sunt necesare doar două sau trei zboruri. nave spațiale cu o capacitate de transport de 10 tone, care va livra heliu-3 de pe Lună... Costul livrării interplanetare va fi de zece ori mai mic decât costul energiei electrice generate în prezent la centralele nucleare”, a spus Galimov.

Potrivit omului de știință, livrarea substanței poate începe în 30-40 de ani, dar este necesar să se înceapă acum lucrările în acest domeniu. Potrivit acestuia, dezvoltarea proiectului „va necesita doar 25-30 de milioane de dolari”. Omul de știință își propune să colecteze heliu-3 de pe suprafața lunară cu buldozere speciale.
Sursa: Lenta.Ru

Pe săptămâna trecutăÎn discursul său despre noul program spațial al SUA, președintele Bush a anunțat că ar trebui stabilită o bază permanentă pe Lună, care ar fi primul pas către continuarea explorării spațiale umane. El a mai spus că solul lunar ar putea fi reciclat pentru a produce combustibil pentru rachete și aer respirabil.

Bush a citat ca exemple două moduri de reciclare a solului lunar, dar lista mineralelor lunare este de fapt destul de lungă... Siliciul găsit în solul lunar poate fi folosit pentru a face panouri solare, fier - pentru diferite structuri metalice, aluminiu, titan și magneziu - pentru a crea o navă care va merge în spațiu departe de Pământ.
Și, desigur, vor extrage izotopul de heliu-3 de pe Lună, care este foarte rar pe Pământ, iar producția lui în condiții terestre este foarte costisitoare.

(adaptat de pe SiliconValley.com)

În martie 2003, conducerea programului spațial chinez a anunțat oficial începutul lucrărilor privind trimiterea unei sonde de cercetare pe Lună. Recent director științificÎn cadrul acestui proiect, Ouyang Ziyuan, academician al Academiei Chineze de Științe, a anunțat că deja în această primă etapă a explorării lunare, China se așteaptă să aducă o mare contribuție la știință și la dezvoltarea tehnologiilor spațiale. Așa că proiectul lunar chinezesc promite să se achite rapid.

Prima fază a programului de explorare lunară al Chinei va măsura, printre altele, grosimea solului lunar, va estima vârsta suprafeței și va determina cantitatea de heliu-3 disponibilă acolo (un izotop de heliu foarte rar găsit pe Pământ care poate fi folosit ca combustibil pentru un reactor de fuziune)
(pe baza materialelor SpaceDaily)

Gânduri interesante despre programe spațiale, necesare obținerii rezervelor de heliu-3, sunt date în articolul candidatului la științe tehnice, membru corespondent al Academiei de Cosmonautică. K. E. Tsiolkovsky Yuri Eskov "Pentru combustibil curat - pentru Uranus, publicat în" ziar rusesc„, 11 aprilie 2002. Autorul scrie că este chiar mai eficient decât pe Lună să caute heliu-3 în atmosferele unor planete gigantice îndepărtate, de exemplu, Uranus, unde heliul-3 este 1:3000 (care este de o mie de ori mai mult decât în ​​luna lunară La sugestia autorului, „Producția de heliu-3 și livrarea lui pe Pământ ar trebui să fie efectuate de vehicule spațiale de unică folosință fără pilot („tancuri”), al căror motor electronuclear cu o putere de 100.000 kW funcționează pe parcursul întregului zbor dus-întors.În 10 ani, dispozitivul va depăși dificilă o distanță imaginabilă de 6 miliarde de km Rețineți că un motor capabil să parcurgă o distanță atât de gigantică într-un timp acceptabil (10 ani) poate funcționa doar pe energie nucleară folosind același combustibil ca și centralele nucleare actuale (în principiu, puteți zbura cu baterii solare, dar atunci aparatul va cântări sute de mii de tone); în plus, motorul în cauză este foarte „murdar” din punct de vedere al mediului. uh, deci nu probleme de mediu pentru populația Pământului nu creează.

Sistemul de alimentare neîntreruptibilă pentru TNPP-urile terestre cu o capacitate totală de 3 miliarde kW va consta din „tancuri” lansate periodic (de patru ori pe an) de pe orbita apropiată a Pământului. Vehiculul va avea suficient combustibil doar pentru un singur sens: va zbura către țintă cu rezervoarele goale. După ce a zburat către Uranus și a intrat pe o orbită în atmosfera planetei, „cisternul” va începe să funcționeze în modul de fabricare pentru a împărți atmosfera înconjurătoare în componente: va separa heliul-3 și hidrogenul comercial de gazul lichefiat, care este folosit ca combustibil. pentru zborul de întoarcere; cea mai mare parte a hidrogenului și tot heliul obișnuit vor fi aruncate peste bord. Astfel, alimentarea cu retur (fără de care sarcina de întoarcere este irealizabilă) se dovedește a fi de fapt gratuită. Ca urmare a zborului, 70 de tone de heliu lichid-3 vor fi livrate pe orbita aproape de Pământ; vor exista aproximativ 40 de „tancuri” pe ruta Pământ-Uranus la un moment dat.

Se ridică o întrebare firească: în ce măsură tehnologiile existente astăzi pot asigura funcționarea unui astfel de sistem? Răspuns: majoritatea acestor elemente sunt disponibile, după cum se spune, „în hardware”, restul sunt la nivelul unor dezvoltări de design mult avansate, parțial aduse la stadiul experimental. Principala problemă aici este centrala electrică de la bord. Până în prezent, s-a acumulat o experiență pozitivă uriașă în crearea și exploatarea reactoarelor de centrale nucleare la sol cu ​​o capacitate de 4 milioane kW cu o resursă de până la 30 de ani; puterea reactoarelor nucleare submarine ajunge la 100.000 kW cu o resursă de zeci de ani; Reactoarele de înaltă temperatură pentru motoarele nucleare spațiale au fost testate atât în ​​SUA, cât și în URSS. În ceea ce privește dimensiunea vehiculului fără pilot lansat (450 de tone, inclusiv 200 de tone de combustibil), aceasta corespunde în ordinea mărimii masei ISS (și în proiectul final, masa ISS este planificată să fie și mai mare. ); fluxul total anual de marfă pe orbită (1900 tone) este mai mic decât cel planificat pentru programele standard (comunicații spațiale, transmisii de televiziune etc.). Marea majoritate a elementelor unei astfel de fabrici orbitale de heliu-hidrogen există deja astăzi și funcționează cu succes în industria criogenică.” Autorul spune că, chiar și cu nivelul actual de dezvoltare tehnologică, un astfel de proiect ar fi destul de viabil din punct de vedere economic: „Prețul de vânzare al energiei electrice în lume este de la 5 la 10 cenți pe kW. h. Din cea mai simplă aritmetică este clar că livrarea de heliu-3 de la Uranus va rămâne profitabilă chiar și la un preț de 1 tonă de 10 miliarde de dolari. Costul lansării pe orbită a unei astfel de fabrici este de 10 milioane de dolari pe tonă (apropo, acesta este prețul actual al aurului), iar pe termen scurt, transportatorii reutilizabili vor reduce acest preț la 1 milion de dolari pe tonă de marfă.

A devenit ceva obișnuit să spunem că industriile intensive în cunoaștere (nuclear, spațial etc.) sunt locomotiva economiei. Cazul cu heliu-3 este același caz. Această metodă, care va rezolva problema energetica pentru o perioadă suficient de lungă, dacă există oportunități de a găsi fonduri pentru implementarea sa, poate deveni o șansă pentru progresul industriilor rusești intensive în știință: atât astronautică (care face obiectul unei discuții separate), cât și tehnologia termonucleară.
În acest moment, există două direcții principale în fuziunea termonucleară: tokamak-urile și fuziunea cu laser. Prima dintre aceste opțiuni este în prezent implementată în proiectul reactorului termonuclear experimental internațional ITER. Acest reactor este proiectat conform schemei „tokamak” (care înseamnă o abreviere pentru expresia „Cameră toroidală cu bobine magnetice”). Principiul de funcționare al unui tokamak este următorul: un curent electric este creat într-un grup de plasmă și, în același timp, ca orice curent, are propriul său câmp magnetic - mănunchiul de plasmă, așa cum ar fi, devine un magnet în sine. . Și apoi, cu ajutorul unui câmp magnetic extern de o anumită configurație, un nor de plasmă a fost suspendat în centrul camerei, nepermițându-i să intre în contact cu pereții. Există întotdeauna ioni și electroni liberi în gaz, care încep să se miște într-un cerc în cameră. Acest curent încălzește gazul, numărul de atomi ionizați crește, puterea curentului crește și temperatura plasmei crește simultan. Aceasta înseamnă că numărul de nuclee de hidrogen care au fuzionat într-un nucleu de heliu și au eliberat energie este în creștere. Cu toate acestea, experimentele începute cu aproape cincizeci de ani în urmă la Institutul de Energie Atomică din Moscova au arătat că plasma suspendată într-un câmp magnetic s-a dovedit a fi instabilă - cheagul de plasmă s-a „desintegrat” foarte repede și a căzut pe pereții camerei. S-a dovedit că o combinație a unui număr de procese fizice complexe duce la instabilitate. În plus, s-a dovedit că timpul de izolare stabilă a plasmei crește odată cu dimensiunea configurației. Cea mai mare mașină de uz casnic TOKAMAK-15 are deja o cameră de vid toroidală cu un diametru exterior „gogoșă” de peste cinci metri. Tokamak-uri mari de cercetare au fost construite în Rusia, Japonia, SUA, Franța și Anglia. Și în urmă cu câțiva ani, experții au ajuns la concluzia că problemele rămase nerezolvate ar trebui investigate la o instalație cât mai aproape de un reactor termonuclear de putere reală. Această înțelegere a dus la crearea ITER. Această variantă de desfășurare a unei reacții termonucleare controlate diferă de toate celelalte instalații și metode, în primul rând prin faptul că, practic, a depășit domeniul îndoielilor și căutărilor. Datorită vastei baze de date de date fizice și inginerești acumulate în cincizeci de ani de cercetare, el s-a apropiat de stadiul unui reactor experimental. Acest lucru, aparent, a inspirat comunitatea internațională să creeze ITER - oamenii de știință au decis că nici măcar o țară bogată nu are sens să construiască singură un reactor termonuclear - rezultatul va fi cunoștințe și experiență care vor deveni în continuare proprietate comună și nu vor contribui imediat cu nimic. la economia naţională. În același timp, unind forțele, puteți accelera dramatic progresul către fuziunea dvs. de lucru și puteți reduce propriile costuri. Prin urmare, în 1992, a fost semnat un acord privind proiectarea tehnică comună a reactorului ITER sub auspiciile AIEA. Iar proiectarea sa conceptuală la inițiativa țării noastre a început cu patru ani mai devreme. Echipa de proiectare ITER a inclus specialiști din Uniunea Europeană, Rusia, SUA și Japonia.
O altă direcție pe drumul către o reacție termonucleară controlată este fuziunea termonucleară cu laser (LTF). Constă în faptul că ținta din „materiile prime” pentru o reacție termonucleară este iradiată din toate părțile de raze laser și, astfel, acolo se creează condiții care sunt suficiente pentru implementarea unei reacții termonucleare. Dificultatea este modul de implementare tehnic. Lucrarea mea de disertație constă în realizarea simulării pe computer a fenomenului de rezonanță optică în ținte sferice sub iradiere cu laser. Calculele arată că, în anumite condiții, într-o țintă optică are loc o concentrație de energie, la care pot apărea condițiile necesare unei reacții termonucleare.

Statul care stăpânește tehnologia fuziunii termonucleare, această tehnologie înaintea altora, va primi avantaje uriașe față de altele. Pentru ca Rusia să nu rămână la periferia civilizației și să participe la dezvoltarea acestor proiecte, este nevoie de voința politică a conducerii statului, la fel ca în cazul nuclearului și al sovieticilor. proiecte spațiale la mijlocul secolului al XX-lea.

Candidat la Științe Fizice și Matematice A. PETRUKOVYCH.

Cu mâna ușoară a președintelui american, la sfârșitul anului 2003, problema noilor obiective pentru omenire în spațiu a fost pusă pe ordinea de zi. Scopul construirii unei stații cu echipaj pe Lună, printre alte propuneri, se bazează parțial pe ideea tentantă de a folosi rezervele lunare unice de heliu-3 pentru a genera energie pe Pământ. Indiferent dacă heliul lunar este util sau nu, viitorul va arăta, dar povestea despre acesta este destul de fascinantă și ne permite să comparăm cunoștințele noastre despre structura nucleului atomic și a sistemului solar cu aspectele practice ale energiei și mineritului.

Știință și viață // Ilustrații

Știință și viață // Ilustrații

Știință și viață // Ilustrații

Știință și viață // Ilustrații

Știință și viață // Ilustrații

Știință și viață // Ilustrații

Știință și viață // Ilustrații

DE CE? SAU FUZIUNEA NUCLEARĂ - ALCHIMIA ÎN REALITATE

Transformarea plumbului în aur a fost un vis al alchimiștilor medievali. Ca întotdeauna, natura s-a dovedit a fi mai bogată decât fanteziile umane. Reacțiile de fuziune nucleară au creat toată diversitatea elemente chimice punând bazele materiale ale lumii noastre. Cu toate acestea, fuziunea poate oferi și ceva mult mai valoros decât aurul - energie. Reacțiile nucleare în acest sens sunt similare cu reacțiile chimice (adică, reacțiile de transformare moleculară): fiecare substanță compusă, fie că este o moleculă sau un nucleu atomic, este caracterizată de energia de legare care trebuie cheltuită pentru a distruge compusul și care este eliberat când se formează. Când energia de legare a produselor de reacție este mai mare decât cea a materiilor prime, reacția continuă cu eliberarea de energie, iar dacă înveți cum să o luați într-o formă sau alta, materiile prime pot fi folosite ca combustibil. Din procese chimice cea mai eficientă în acest sens, după cum se știe, este reacția de interacțiune cu oxigenul - ardere, care astăzi servește drept sursă principală și de neînlocuit de energie la centralele electrice, în transport și în viața de zi cu zi (și mai multă energie este eliberată în timpul reacția fluorului, în special a fluorului molecular, cu hidrogenul; totuși, fluorul însuși și fluorura de hidrogen sunt substanțe extrem de corozive).

Energia de legare a protonilor și neutronilor din nucleu este mult mai mare decât cea care leagă atomii în molecule și poate fi cântărită literal folosind formula minunată a lui Einstein. E = mc 2: masa nucleului atomic este vizibil mai mică decât masele protonilor și neutronilor individuali care îl alcătuiesc. Prin urmare, o tonă de combustibil nuclear înlocuiește multe milioane de tone de petrol. Cu toate acestea, fuziunea se numește fuziune termonucleară dintr-un motiv: pentru a depăși repulsia electrostatică atunci când două încărcări pozitive. nuclee atomice, trebuie să le dispersați corespunzător, adică să încălziți combustibilul nuclear la sute de milioane de grade (reamintim că temperatura este o măsură a energiei cinetice a particulelor). De fapt, la asemenea temperaturi nu mai avem de-a face cu gaze sau lichide, ci cu cea de-a patra stare a materiei - plasma, în care nu există atomi neutri, ci doar electroni și ioni.

În natură, astfel de condiții potrivite pentru fuziune există doar în interiorul stelelor. Soarele își datorează energia așa-numitului ciclu de reacții al heliului: sinteza unui nucleu de heliu-4 din protoni. În stelele gigantice și în exploziile de supernove se nasc și elemente mai grele, formând astfel întreaga varietate de elemente din Univers. (Adevărat, se crede că o parte din heliu s-ar fi putut forma direct la nașterea Universului, în timpul Big Bang-ului.) Soarele în acest sens nu este cel mai eficient generator, deoarece arde mult timp și încet. : procesul este încetinit de prima și cea mai lentă reacție de fuziune a deuteriului din doi protoni. Toate reacțiile următoare sunt mult mai rapide și devorează imediat deuteriul disponibil, procesându-l în nuclee de heliu în mai multe etape. Ca rezultat, chiar dacă presupunem că doar o sutime din materia solară din miezul său participă la fuziune, eliberarea de energie este de numai 0,02 wați pe kilogram. Cu toate acestea, tocmai această lentoare, explicată în primul rând prin masa mică, după standardele stelare, a luminii (Soarele aparține categoriei de subpitici) și care asigură constanta fluxului de energie solară pentru multe miliarde de ani, datorăm însăşi existenţa vieţii pe Pământ. În stelele gigantice, transformarea materiei în energie este mult mai rapidă, dar, ca urmare, ele se ard complet de-a lungul a zeci de milioane de ani, fără să aibă timp măcar să dobândească sisteme planetare în mod corespunzător.

După ce a decis să realizeze fuziunea termonucleară în laborator, omul va depăși natura în acest fel, creând un generator de energie mai eficient și mai compact decât Soarele. Cu toate acestea, putem alege o reacție mult mai ușor de implementat - sinteza heliului dintr-un amestec de deuteriu-tritiu. Este planificat ca proiectatul reactor termonuclear internațional - tokamak-ul ITER să poată atinge pragul de aprindere, de la care, însă, este încă foarte, foarte departe de utilizare comercială. energie de fuziune(vezi „Știința și viața” nr. ,, 2001). Problema principală, după cum știți, este să mențineți plasma încălzită la temperatura dorită. Deoarece niciun zid la o asemenea temperatură nu poate scăpa de distrugere, ei încearcă să păstreze norul de plasmă camp magnetic. LA bombă cu hidrogen problema se rezolvă prin explozia unei mici sarcini atomice, care comprimă și încălzește amestecul la condiția necesară, dar această metodă este de puțin folos pentru producerea pașnică a energiei. (Despre perspectivele așa-numitei energii explozive, vezi „Știința și viața” nr. 7, 2002)

Principalul dezavantaj al reacției deuteriu-tritiu este radioactivitatea ridicată a tritiului, al cărui timp de înjumătățire este de numai 12,5 ani. Aceasta este cea mai murdară reacție disponibilă, atât de mult încât, într-un reactor industrial, pereții interiori ai camerei de ardere vor trebui înlocuiți la fiecare câțiva ani din cauza distrugerii prin radiații a materialului. Adevărat, cele mai dăunătoare deșeuri radioactive, care necesită îngropare pe termen nedefinit la adâncimea subteranului din cauza timpului lung de degradare, nu se formează deloc în timpul sintezei. O altă problemă este că energia eliberată este transportată în principal de neutroni. Aceste particule neîncărcate electric nu observă câmp electromagneticși, în general, nu interacționează bine cu materia, așa că nu este ușor să iei energie de la ele.

Reacțiile de fuziune fără tritiu, cum ar fi cele care implică deuteriu și heliu-3, sunt practic sigure pentru radiații, deoarece folosesc numai nuclee stabile și nu produc neutroni incomozi. Totuși, pentru a „aprinde” o astfel de reacție, este necesar, pentru a compensa viteza de fuziune mai mică, să se încălzească plasma de zece ori mai mult - până la un miliard de grade (rezolvând simultan problema reținerii acesteia)! Prin urmare, astăzi astfel de opțiuni sunt considerate ca bază pentru viitoarele reactoare termonucleare de a doua generație, după cea de deuteriu-tritiu. Cu toate acestea, ideea acestei energii termonucleare alternative și-a câștigat aliați neaștepți. Susținătorii colonizării spațiului consideră heliul-3 unul dintre principalele obiective economice ale expansiunii lunare, care ar trebui să asigure nevoia umanității de energie termonucleară curată.

UNDE? SAU INSORILET

La prima vedere, nu ar trebui să existe nicio problemă cu unde să obțineți heliu: este al doilea element cel mai abundent din Univers, iar conținutul relativ al izotopului de lumină din el este puțin mai mic de o miime. Cu toate acestea, pentru Pământ, heliul este exotic. Este un gaz foarte volatil. Pământul nu îl poate reține prin gravitație și aproape tot heliul primar care a căzut pe el dintr-un nor protoplanetar în timpul formării sistemului solar s-a întors din atmosferă înapoi în spațiu. Chiar și heliul a fost descoperit pentru prima dată pe Soare, motiv pentru care a fost numit după zeul grec antic Helios. Mai târziu a fost găsit în minerale care conțin elemente radioactiveși în cele din urmă a pescuit în atmosferă printre alte gaze nobile. Heliul terestru nu este în principal de origine cosmică, ci secundară, de radiație: în timpul dezintegrarii elementelor chimice radioactive, particulele alfa zboară - nuclee de heliu-4. Heliul-3 nu se formează în acest fel și, prin urmare, cantitatea sa pe Pământ este neglijabilă și este literalmente calculată în kilograme.

Vă puteți aproviziona cu heliu de origine cosmică (cu un conținut relativ mare de heliu-3) în atmosferele lui Uranus sau Neptun - planete suficient de mari pentru a deține acest gaz ușor, sau în Soare. S-a dovedit că este mai ușor să te apropii de heliul solar: întreg spațiul interplanetar este umplut cu vântul solar, în care 70 de mii de protoni reprezintă 3000 de particule alfa - nuclee de heliu-4 și un nucleu de heliu-3. Acest vânt este extrem de rarefiat, după standardele pământești este un adevărat vid și este imposibil să-l prinzi cu o plasă (vezi Nauka i Zhizn, nr. 7, 2001). corpuri cerești, care nu au magnetosferă și atmosferă, de exemplu, pe Lună și, prin urmare, este posibil să se golească o capcană naturală care a fost umplută în mod regulat în ultimele patru miliarde de ani. Ca urmare a bombardamentului cu plasmă, câteva sute de milioane de tone de heliu-3 au căzut pe Lună în acest timp. Dacă întreg vântul solar ar rămâne pe suprafața Lunii, atunci pe lângă 5 grame de heliu-3, în medie, ar mai fi încă 100 de kilograme de hidrogen și 16 kilograme de heliu-4 pe fiecare metru pătrat de suprafață. Din această cantitate s-ar putea crea o atmosferă destul de decentă, doar puțin mai rarefiată decât cea marțiană, sau un ocean de gaz lichid la doi metri adâncime!

Cu toate acestea, nu există nimic similar pe Lună și doar o mică parte din ionii vântului solar rămân pentru totdeauna în stratul superior al solului lunar - regolitul. Studiile solului lunar adus pe Pământ de stațiile sovietice Luna și americanii Apolo au arătat că heliul-3 din el este de aproximativ 1/100 de milioane, sau 0,01 grame pe 1 tonă. Și în total, există aproximativ un milion de tone de acest izotop pe Lună, o mulțime după standardele pământești. La nivelul actual al consumului mondial de energie, combustibilul lunar ar fi suficient pentru 10 mii de ani, adică de aproximativ zece ori mai mult decât potențialul energetic al tuturor combustibililor chimici recuperabili (gaz, petrol, cărbune) de pe Pământ.

LA FEL DE? SAU „PRODUCȚIE PE GRA, PE AN MUNCĂ”

Din păcate, nu există „lacuri” de heliu pe Lună; acesta este dispersat mai mult sau mai puțin uniform pe întregul strat apropiat de suprafață. Cu toate acestea, din punct de vedere tehnic, procesul de exploatare este destul de simplu și a fost dezvoltat în detaliu de către pasionații colonizării Lunii (vezi, de exemplu, www.asi.org).

Pentru a satisface cererea anuală actuală de energie a Pământului, este necesar să se aducă doar aproximativ 100 de tone de heliu-3 de pe Lună. Acest număr, corespunzător la trei sau patru zboruri de navete spațiale - navete, fascinează prin disponibilitatea sa. Cu toate acestea, mai întâi trebuie să dezgropați aproximativ un miliard de tone de sol lunar - nu o cantitate atât de mare conform standardelor industriei miniere: de exemplu, două miliarde de tone de cărbune sunt extrase pe an în lume (în Rusia - aproximativ 300 de tone). milioane de tone). Desigur, conținutul de heliu-3 din rocă nu este prea mare: de exemplu, dezvoltarea zăcămintelor este considerată rentabilă dacă acestea conțin cel puțin câteva grame de aur și cel puțin două carate (0,4 g) de diamante. pe tonă. În acest sens, heliul-3 poate fi comparat doar cu radiul, din care de la începutul secolului XX s-au obținut doar câteva kilograme: după prelucrarea unei tone de uraniu pur se obțin doar 0,4 grame de radiu, ca să nu mai vorbim. problemele extragerii în sine a uraniului. La începutul secolului trecut, în perioada unei atitudini romantice față de radioactivitate, radiul era destul de popular și cunoscut nu numai fizicienilor, ci și textiștilor: să ne amintim fraza lui V.V. . Dar heliul-3 este mai scump decât aproape orice substanță folosită de om - o tonă ar costa cel puțin un miliard de dolari, dacă transformi potențialul energetic al heliului în echivalent petrol la un preț de chilipir de 7 dolari pe baril.

Gazul este ușor eliberat din regolitul încălzit la câteva sute de grade, să zicem, cu ajutorul unei oglinzi care concentrează razele soarelui. Să nu uităm că mai trebuie să separăm heliul-3 de un număr mult mai mare de alte gaze, în principal de heliu-4. Acest lucru se realizează prin răcirea gazelor în stare lichidă și profitând de diferența nesemnificativă a punctelor de fierbere ale izotopilor (4,22 K pentru heliu-4 sau 3,19 K pentru heliu-3). O altă metodă elegantă de separare se bazează pe utilizarea proprietății de superfluiditate a heliului lichid-4, care poate curge independent printr-un perete vertical într-un recipient adiacent, lăsând în urmă numai heliu-3 non-superfluid (vezi „Știința și viața” nr. 2, 2004).

Din păcate, toate acestea vor trebui făcute într-un spațiu fără aer, nu în condițiile „de seră” ale Pământului, ci pe Lună. Acolo vor trebui mutate mai multe orașe miniere, ceea ce înseamnă, în esență, colonizarea lunii. Acum, sute de specialiști monitorizează siguranța mai multor astronauți aflați pe orbită apropiată de Pământ, iar echipajul se poate întoarce în orice moment pe Pământ. Dacă zeci de mii de oameni se găsesc în spațiu, vor trebui să trăiască singuri în vid, fără supraveghere detaliată de pe Pământ, și să se asigure cu apă, aer, combustibil și materiale de construcție de bază. Cu toate acestea, pe Lună există suficient hidrogen, oxigen și metale. Multe dintre ele pot fi obținute ca produs secundar al exploatării heliului. Apoi, poate, heliul-3 poate deveni o marfă profitabilă pentru comerțul cu Pământul. Dar, din moment ce oamenii aflați în condiții atât de dificile vor avea nevoie de mult mai multă energie decât pământenii, rezervele lunare de heliu-3 ar putea să nu pară atât de nelimitate și atractive pentru descendenții noștri.

Apropo, există o soluție alternativă pentru acest caz. Dacă inginerii și fizicienii găsesc o modalitate de a face față reținerii de zece ori mai fierbinte decât este necesar pentru un tokamak modern, plasmă cu heliu (o sarcină care acum pare complet fantastică), atunci prin creșterea temperaturii cu doar un factor de doi, vom " aprinde” sinteza reacției care implică protoni și bor. Atunci toate problemele cu combustibilul vor fi rezolvate și la un preț mult mai mic: există mai mult bor în scoarța terestră decât, de exemplu, argint sau aur, este utilizat pe scară largă ca aditiv în metalurgie, electronică și chimie. Instalațiile miniere și de procesare produc sute de mii de tone de diverse săruri care conțin bor pe an, iar dacă nu avem suficiente rezerve pe uscat, atunci în fiecare tonă apa de mare conţine câteva grame de bor. Iar cel care are o fiolă cu acid boric în trusa de prim ajutor poate presupune că are propria sa rezervă de energie pentru viitor.

Literatură

Bronstein M. P. Substanță solară. - Clubul de carte Terra, 2002.

Sol lunar dintr-o mare a abundenței. - M.: Nauka, 1974.

Legende pentru ilustrații

bolnav. 1. Ciclul heliului al reacțiilor de fuziune nucleară începe cu fuziunea a doi protoni într-un nucleu de deuteriu. În etapele următoare, se formează nuclee mai complexe. Să le scriem pe primele reacții simple, de care vom avea nevoie în cele ce urmează.
p + p → D + e - + n
D + D → T + p sau
D + D → 3 El + n
D + T → 4 El + n
D + 3 El → 4 El +2p
p + 11 Fii → 3 4 El
Viteza de reacție este determinată de probabilitatea depășirii barierei electrostatice atunci când doi ioni încărcați pozitiv se apropie și de probabilitatea fuziunii efective a nucleelor ​​(așa-numita secțiune transversală de interacțiune). În special, cu cât energia cinetică a nucleului este mai mare și cu atât este mai mică incarcare electrica, cu atât este mai probabil să treacă de bariera electrostatică și cu atât viteza de reacție este mai rapidă (vezi graficul). Parametrul cheie al teoriei energiei termonucleare - criteriul de aprindere a reacției - determină la ce densitate și temperatură a combustibilului plasmatic energia eliberată în timpul fuziunii (proporțională cu viteza de reacție înmulțită cu densitatea plasmei și timpul de ardere) va depăși costurile de încălzirea cu plasmă, ținând cont de pierderi și eficiență. Reacția deuteriului și tritiului are cea mai mare viteză, iar pentru a obține aprinderea, o plasmă cu o concentrație de aproximativ 10 14 cm -3 trebuie încălzită la o sută și jumătate de milioane de grade și ținută timp de 1-2 secunde. Pentru a obține un echilibru energetic pozitiv în reacțiile asupra altor componente - heliu-3 sau bor, rata mai scăzută trebuie compensată prin creșterea temperaturii și densității plasmei de zece ori. Dar cu o coliziune reușită a două nuclee, se eliberează energie, de o mie de ori mai mare decât energia cheltuită pentru încălzirea lor. Reacțiile inițiale ale ciclului heliului, care formează deuteriu și tritiu în miezul solar, decurg atât de încet încât curbele corespunzătoare nu intră în câmpul acestui grafic.

bolnav. 2. Vântul solar este un flux de plasmă rarefiată care iese constant din suprafata solaraîn spațiul interplanetar. Vântul transportă doar aproximativ 3x10 -14 mase solare pe an, dar tocmai acest vânt se dovedește a fi componenta principală a mediului interplanetar, deplasând plasma interstelară din vecinătatea Soarelui. Așa se creează heliosfera - un fel de bulă cu o rază de aproximativ o sută de unități astronomice, care se deplasează împreună cu Soarele prin gazul interstelar. După cum speră astronomii, sateliții americani Voyager 1 și Voyager 2 se apropie acum de granița sa, care va deveni în curând prima navă spațială care va părăsi sistemul solar. Vântul solar a fost descoperit pentru prima dată de stația interplanetară sovietică „Luna-2” în 1959, cu toate acestea, dovezi indirecte ale prezenței unui flux corpuscular provenit de la Soare au fost cunoscute mai devreme. Este vântul solar pe care îl datorează locuitorii Pământului furtuni magnetice(vezi „Știința și viața” nr. 7, 2001). Pe orbita Pământului, vântul conține în medie doar șase ioni pe centimetru cub, mișcându-se cu o viteză uluitoare de 450 km/s, care, totuși, nu este atât de rapidă după scara sistemului solar: este nevoie de trei zile pentru a călători pe Pământ. Vântul solar este format în proporție de 96% protoni și 4% nuclee de heliu. Amestecul altor elemente este nesemnificativ.

bolnav. 3. regolitul lunar este un strat destul de liber pe suprafața Lunii grosime de câțiva metri. Constă în principal din fragmente mici, cu o dimensiune medie mai mică de un milimetru, acumulate de-a lungul a miliarde de ani ca urmare a distrugerii rocilor lunare în timpul schimbărilor de temperatură și impactului meteoritilor. Studiile asupra solului lunar au arătat că cu cât sunt mai mulți oxizi de titan în regolit, cu atât mai mulți atomi de heliu.

bolnav. 4. Prezența titanului în stratul apropiat de suprafață este destul de ușor de detectat prin analiză spectroscopică de la distanță (culoare roșie în imaginea din dreapta a figurii obținute de satelitul Clementine), și astfel se obține o hartă a „depozitelor” de heliu, care , în general, coincid cu locația mărilor lunare.

bolnav. 5. Pentru a extrage o tonă de heliu-3, este necesar să procesați stratul de suprafață de regolit pe o suprafață de cel puțin 100 de kilometri pătrați. Pe parcurs, se va putea obține o cantitate semnificativă de alte gaze care vor fi utile pentru aranjarea vieții pe Lună. Poze luate de pe site

Are doi protoni și doi neutroni.

YouTube enciclopedic

1 / 5

✪ Heliu - SUPERFLUID ȘI CEL MAI RECE ELEMENT!

✪ Heliu superfluid. Universitatea din Stuttgart

✪ Perspectivele energiei termonucleare (spune fizicianul Anton Tyulusov)

✪ Operațiunea „Heliu”

✪ Operațiunea „Heliu”. a 3-a serie

Subtitrări

Vreau să vă recomand canalul lui Andrey de gradul despre el filmează un curs video Chimie organica pentru nota 10, peste 40 de videoclipuri pe 12 subiecte sunt acum disponibile pe canalul lui abonați-vă la canalul lui andrey pentru a publica și juca pentru 100 de puncte, așa că astăzi vă voi povesti despre cel mai comun gaz nobil din universul previzibil, care, de altfel, , poate dobândi, de asemenea, proprietăți unice de superfluid la temperaturi extrem de scăzute întâlnesc heliul în tabelul periodic acest element este situat în colțul din dreapta sus, este foarte ușor de găsit la numărul 2, cred că astăzi oamenii se familiarizează cu acest gaz inert încă din copilărie, deoarece datorită ușurinței sale în raport cu aerul, heliul este excelent pentru umflarea baloanelor de sărbători că copiilor le plac atât de mult, asta se datorează faptului că masa molară a heliului este de aproximativ șapte ori mai mică mase molare aer, dar totuși, în ceea ce privește prevalența, helii pe pământ sunt extrem de rari în aer, este doar o parte la milion; descompunerea uraniului sau a toriului în scoarța terestră, heliul se poate acumula în golurile subterane cu gaze naturale și nu scăpare în atmosferă, totuși, dacă luăm o scară mai mare, atunci în întregul univers observabil sau va ocupa un loc al doilea onorabil în abundență între toate elementele, cedând doar hidrogenului și formând aproximativ un sfert din toți atomii, doar imaginați-vă că toți atomii sunt mai grei decât gelul formează doar două procente din masa masei totale a materiei aici puteți simți cât de mici suntem la scara universului, partea principală a cazului este în compoziția stelelor sau în atmosferă de giganți gazosi în care, ca în întregul univers, există aproximativ 20 la sută Conform datelor de astăzi, partea principală a gelului situat în spațiu s-a format în timpul Marea explozie acum aproximativ 14 miliarde de ani, să ne întoarcem acum din cer pe pământ și să luăm în considerare proprietățile acestui gaz într-un experiment mai tangibil.Am o fiolă mică cu heliu, care este la o presiune foarte scăzută, aproximativ o sutime din presiunea atmosferică, se vede ca gelul nu are culoare, nu are gust sau miros, ai putea sa stii daca ai incercat vreodata sa respiri acest gaz, totusi astfel de experimente sunt extrem de periculoase deoarece celulele noastre nu respira heliu, au nevoie de oxigen pentru asta. , chiar i-a forțat pe actualii vânzători de baloane cu gel pentru baloane să adauge până la 20 la sută oxigenul pe care l-ați atârnat la petreceri a devenit mai sigur dacă o descărcare de înaltă frecvență este trecută prin ocul cu gel. tensiune înaltă apoi va începe să strălucească slab portocale a cărei luminozitate va depinde de tensiune și de diametrul fiolei pe care am folosit-o ca sursă de tensiune pentru generatorul de care știa dpla și care mi-a dat posibilitatea să țin fiola chiar în mână și pentru prezența unei capacități electrice în corpul meu, în principiu, ca oricare altul, spre deosebire de el sau xenon, heliul se aprinde deja la distanță de firul generatorului, deoarece are mai puțină energie de ionizare, din păcate, din punct de vedere chimic, nu prea strălucește cu proprietăți interesante deloc, nu reacționează cu aproape nicio substanță, deși sub formă de plasmă se pare că ceea ce vezi într-o fiolă de gel poate forma un compus extrem de instabil cu hidrogen, deuteriu sau unele metale și la presiuni ridicate. din mii de atmosfere se formează chiar și substanțe speciale din klar și helios de azot, care sub formă de cristale pot fi cultivate pe substraturi de diamant, păcat că toate aceste substanțe sunt foarte instabile și este aproape imposibil să le vezi în condiții normale. dar nu e nevoie să te superi La urma urmei, gelul are cel mai interesant și unic proprietăți fizice dintre toate gazele, adevărul este că, atunci când este răcit la o temperatură de 42 kelvin, devine de fapt cel mai ușor și, de asemenea, cel mai rece lichid, a cărui densitate este de aproape 10 ori mai mică decât densitatea apei în grade Celsius, heliul lichid se obține la nebun minus două sute șaizeci și opt de grade, care este foarte rece atât de rece încât unele metale la această temperatură devin supraconductoare, de exemplu, mercur sau niobiu, pentru a menține o temperatură atât de scăzută, heliul lichid este situat într-un vas dublu Dewar , care este încă răcit din exterior cu azot lichid.Aceeași tehnologie de răcire a heliului lichid este folosită în dispozitivele moderne pentru a crea rezonanță magnetică nucleară în ele supraconductoare conexiune niobiul este răcit cu heliu lichid, care, datorită costului său ridicat, este în se răcește cu azot lichid mai ieftin, astfel încât gelul lichid servește la medicină și, de asemenea, pentru cercetarea oamenilor de știință, dar cel mai interesant lucru urmează să vină înainte de asta, v-am povestit despre prima formă de g lichid heliu, așa-numitul heliu 1, dacă începi să-l răcești prin scăderea presiunii din vas, atunci heliul lichid va trece în cele din urmă peste așa-numita linda. și anume, se răcește sub o temperatură de două ori șaptesprezece sutimi de kelvin și devine a doua formă de heliu lichid, după aceasta fierberea lichidului se oprește instantaneu și heliul lichid își schimbă radical proprietățile la această temperatură, heliul lichid conducător de căldură crește milioane. de ori și devine mai mare decât cea a cuprului sau argintului, prin urmare lichidul nu fierbe deoarece căldura este transferată instantaneu și uniform pe tot volumul, în plus, când este atins punctul lambda, heliul devine un lichid superfluid, adică pierde absolut toată vâscozitatea, și anume, rezistența unei părți a lichidului la mișcare față de cealaltă, există un experiment excelent care demonstrează acest lucru dacă este turnat într-o cană mică suspendată peste curentul de heliu se poate ridica apoi de-a lungul pereților recipientului în forma unui film subțire și curge din cupă, în plus, trece cu ușurință printr-un strat de ceramică cu o dimensiune a porilor de aproximativ un micron, iar cu cât temperatura heliului lichid este mai scăzută, cu atât acest lichid trece mai ușor prin barieră. în mod surprinzător de asemenea, faptul că heliul lichid într-o formă atât de răcită are încă o vâscozitate care se vede în 2 moduri transformarea cilindrului, straturile de lichid încă transferă rotația lamelor de sus, așa cum se poate, dar aici altele. mecanismele cuantice joacă deja un rol al cărui comportament este fundamental diferit de legile mecanica clasica parca ar exista vascozitate, dar eu nu in acelasi timp, asa poate fi caracterizata in principiu, si apropo, pentru prima data, fenomenele de superfluiditate a heliului lichid au fost descoperite de omul de stiinta sovietic Peter Kapitsa. în 1938 și deja în 1962, Lev Landau a dezvoltat o teorie a acestui efect, cred că asta e tot, dar aici așteptăm din nou tema stelelor și zboruri spatialeînainte de asta, v-am povestit despre cel mai comun izotop heliu și heliu 4, care are doi protoni și doi neutroni, totuși, există încă extrem de rari izotopi de heliu-3, care au doi protoni și un neutron, adevărul este că acest izotop este grozav pentru desfășurarea reacțiilor de fuziune termonucleară cu deuteriu și, teoretic, acest proces poate ajuta omenirea să abandoneze combustibilii fosili, dar problema este că pe pământ acest izotop este incredibil de rar deoarece se evaporă imediat din atmosferă, dar pe Lună, care nu au o atmosferă, acest izotop este mult mai bine conservat ipotetic, oamenii ar putea să extragă heliu-3 din praful lunar de regolit și să-l folosească ca sursă de energie pe pământ, dar până acum pare doar o fantezie pe această temă, chiar o excelentă filmul a fost filmat luna 2112, recomand vizionarea lui si in final putem spune ca un gaz heliu atat de obisnuit are proprietati uimitoare cand temperaturile scazute, proprietatile sale sunt acum folosite peste tot, de exemplu in medicina sau pentru cercetare științificăîn care, de exemplu, heliul gazos este folosit ca gaz purtător în cromatografie, dar dacă v-a plăcut acest videoclip, nu uitați să vă abonați la canal și să dați clic pe clopoțel și să puneți like pentru a afla mai multe lucruri noi și interesante pe viitor

Prevalența

Deschidere

Existența heliului-3 a fost sugerată de omul de știință australian Mark Oliphant în timp ce lucra la Universitatea din Cambridge în . Acest izotop a fost descoperit în cele din urmă de Luis Alvarez și Robert Kornog în .

Proprietăți fizice

Chitanță

În prezent, heliul-3 nu este extras din surse naturale (pe Pământ sunt disponibile cantități nesemnificative de heliu-3, care sunt extrem de greu de extras), ci este creat prin degradarea tritiului obținut artificial.

Preț

Prețul mediu al heliului-3 în 2009 a fost, conform unor estimări, de aproximativ 930 USD pe litru.

Planuri de exploatare a heliului-3 pe Lună

Heliul-3 este un produs secundar al reacțiilor care au loc la Soare și se găsește într-o anumită cantitate în vântul solar și în mediul interplanetar. Heliul-3 care intră în atmosfera Pământului din spațiul interplanetar se disipează rapid înapoi, concentrația sa în atmosferă este extrem de scăzută

Ipotetic, în timpul fuziunii termonucleare, când 1 tonă de heliu-3 reacţionează cu 0,67 tone de deuteriu, se eliberează energie care este echivalentă cu arderea a 15 milioane de tone de petrol (cu toate acestea, fezabilitatea tehnică a acestei reacţii nu a fost studiată la moment). În consecință, populația planetei noastre din resursa lunară de heliu-3 (conform estimărilor maxime) ar putea fi suficientă pentru aproximativ cinci milenii. Problema principală rămâne realitatea extragerii heliului din regolitul lunar. După cum sa menționat mai sus, conținutul de heliu-3 în regolit este de ~ 1 g la 100 de tone. Prin urmare, pentru a extrage o tonă din acest izotop, cel puțin 100 de milioane de tone de sol ar trebui prelucrate la fața locului.

Utilizare

Contoare de neutroni

Contoarele de gaz umplute cu heliu-3 sunt folosite pentru detectarea neutronilor. Aceasta este cea mai comună metodă de măsurare a fluxului de neutroni. Ei reactioneaza

n+ 3 He → 3 H + 1 H + 0,764 MeV.

Produșii de reacție încărcați - triton și proton - sunt înregistrate de un contor de gaz care funcționează în modul unui contor proporțional sau al unui contor Geiger-Muller.

Obținerea temperaturilor ultra-scăzute

Prin dizolvarea heliului-3 lichid în heliu-4, se atinge temperaturile millikelvin.

Medicamentul

Heliu-3 ca combustibil nuclear

Reacția 3 He + D → 4 He + p are o serie de avantaje față de cea mai realizabilă reacție deuteriu-tritiu T + D → 4 He + n în condiții terestre. Aceste beneficii includ:

1. Fluxul de neutroni din zona de reacție scade de zeci de ori, ceea ce reduce dramatic radioactivitatea indusă și degradarea materialelor structurale ale reactorului;
2. Protonii rezultați, spre deosebire de neutroni, sunt ușor de captat și pot fi utilizați pentru a genera electricitate suplimentară, de exemplu, într-un generator MHD;
3. Materiile prime de sinteză sunt inactive și depozitarea lor nu necesită precauții speciale;
4. Într-un accident de reactor cu depresurizarea miezului, radioactivitatea degajării este aproape de zero.

Dezavantajele reacției heliu-deuteriu includ un prag de temperatură semnificativ mai ridicat. Este necesar să se atingă o temperatură de aproximativ 10 9 K datorită barierei Coulomb  pentru ca aceasta să pornească. Și la o temperatură mai scăzută, reacția termonucleară de fuziune a nucleelor ​​de deuteriu între ele are loc mult mai ușor, iar reacția dintre deuteriu și heliu-3 nu are loc.

În art

În lucrările science fiction (jocuri, filme, anime), heliul-3 acționează uneori ca principal combustibil și ca o resursă valoroasă, inclusiv cea extrasă pe Lună.

Intriga filmului științifico-fantastic britanic din 2009 Luna 2112 se bazează pe funcționarea complexului minier Lunar. Complexul asigură producerea izotopului de heliu-3, cu ajutorul căruia s-a putut opri criza energetică catastrofală de pe Pământ.

În comedia politică Iron Sky, heliul lunar-3 este cauza unui conflict nuclear internațional privind drepturile miniere.

În anime " planetele» Heliul-3 este folosit ca combustibil pentru motoarele de rachete etc.

Literatură

• Dobbs E.R. Helium Tree. - Oxford University Press, 2000. ISBN 0-19-850640-6
• Galimov E.M. Dacă ai energie, poți extrage totul - Pământuri rare. 2014. Nr 2. S. 6-12.
• Insuficiența Heliu-3 : Ofertă, Cerere, și Opțiuni pentru Congres // FAS, 22 decembrie 2010 (engleză)

Note

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

Probabil că puține lucruri din domeniul energiei termonucleare sunt înconjurate de mituri precum Heliul 3. În anii 80-90 a fost popularizat în mod activ ca combustibil care ar rezolva toate problemele fuziunii termonucleare controlate, precum și unul dintre motivele pentru a ieși. a Pământului (pentru că pe pământul său are literalmente câteva sute de kilograme, iar pe Lună un miliard de tone) și în sfârșit începe să se dezvolte sistem solar. Toate acestea se bazează pe idei foarte ciudate despre posibilitățile, problemele și nevoile energiei termonucleare care nu există astăzi, despre care vom vorbi.

Mașina pentru extragerea heliului3 pe Lună este deja gata, singurul lucru care mai rămâne de făcut este să-i găsiți o utilizare.

Când se vorbește despre heliu3, se referă la reacții de fuziune termonucleară He3 + D -> He4 + H sau He3 + He3 -> 2He4 + 2H. Comparativ cu clasicul D + T -> He4 +n nu există neutroni în produșii de reacție, ceea ce înseamnă că nu există nicio activare a proiectării unui reactor termonuclear de către neutroni superenergetici. În plus, faptul că neutronii din „clasici” transportă 80% din energia din plasmă este considerat o problemă, astfel încât echilibrul de autoîncălzire are loc la o temperatură mai mare. Un alt avantaj demn de remarcat al versiunii cu heliu este că electricitatea poate fi îndepărtată direct din particulele încărcate ale reacției, și nu prin încălzirea apei cu neutroni - ca în vechile centrale electrice pe cărbune.

Deci, toate acestea nu sunt adevărate, sau mai degrabă o parte foarte mică din adevăr.

Să începem cu faptul că la aceeași densitate a plasmei și temperatură optimă, reacția He3 + D va ceda de 40 de ori mai puțin eliberare de energie pe metru cub de plasmă de lucru. În acest caz, temperatura necesară pentru o ruptură de cel puțin 40 de ori va fi de 10 ori mai mare - 100 keV (sau un miliard de grade) față de 10 pentru D +T. În sine, o astfel de temperatură este destul de realizabilă (recordul actual pentru tokamak-uri este de 50 keV, doar de două ori mai rău), dar pentru a stabili un echilibru energetic (viteza de răcire VS rata de încălzire, inclusiv autoîncălzirea), trebuie să creștem eliberarea de energie de 50 de ori din metri cubi de reacție He3 + D, care se poate face doar prin creșterea densității de aceeași 50 de ori. În combinație cu o creștere de zece ori a temperaturii, aceasta dă creșterea presiunii plasmatice de 500 de ori- de la 3-5 atm la 1500-2500 atm, si aceeasi crestere a contrapresiunii pentru a mentine aceasta plasma.

Dar pozele sunt inspirate.

Ține minte, am scris că magneții câmpului toroidal ITER, care creează contrapresiune plasmei, sunt produse absolut record, singurele din lume ca parametri? Deci, fanii He3 sugerează să facă magneți de 500 de ori mai puternici.

Ok, uitați de dificultăți, poate avantajele acestei reacții le plătesc?

Diverse reacții termonucleare care sunt aplicabile pentru CTS. He3 + D oferă ceva mai multă energie decât D + T, dar se cheltuiește multă energie pentru a depăși repulsia Coulomb (sarcina 3 și nu 2), deci reacția este lentă.

Să începem cu neutroni. Neutronii dintr-un reactor industrial vor fi problema serioasa, deteriora materialele corpului, încălzește atât de mult toate elementele care se confruntă cu plasmă încât trebuie să fie răcite cu un debit decent de apă. Și cel mai important, activarea materialelor de către neutroni va duce la faptul că, chiar și la 10 ani de la oprirea unui reactor termonuclear, acesta va avea mii de tone de structuri radioactive care nu pot fi dezasamblate manual și care vor fi îmbătrânite în depozit. de sute si mii de ani. Eliminarea neutronilor ar facilita, evident, crearea unei centrale termonucleare.

Fracțiune de energie transportată de neutroni. Dacă adăugați mai mult He3 în reactor, îl puteți reduce la 1%, dar acest lucru va înăspri și mai mult condițiile de aprindere.

OK, dar cum rămâne cu conversia directă a energiei particulelor încărcate în electricitate? Experimentele arată că fluxul de ioni cu o energie de 100 keV poate fi transformat în energie electrică cu o eficiență de 80%. Nu avem neutroni aici... Adică nu iau toată energia pe care o putem obține doar sub formă de căldură - să scăpăm de turbinele cu abur și să punem colectoare de ioni?

Da, există tehnologii pentru conversia directă a energiei plasmei în energie electrică, acestea au fost studiate în mod activ în anii 60-70 și au arătat o eficiență de aproximativ 50-60% (nu 80, trebuie menționat). Cu toate acestea, această idee este slab aplicabilă atât în ​​reactoarele D + T, cât și în He3 + D. De ce este așa, această imagine vă ajută să înțelegeți.

Acesta arată pierderea de căldură a plasmei prin diferite canale. Comparați D+T și D + He3. Transportul este ceea ce poate fi folosit pentru a transforma direct energia plasmei în electricitate. Dacă în varianta D + T, totul ne este luat de neutroni urâți, atunci în cazul He3 + D, totul este luat de radiația electromagnetică a plasmei, în principal sincrotron și bremsstrahlung cu raze X (în imagine Bremsstrahlung). Situația este aproape simetrică, totuși, este necesar să eliminați căldura de pe pereți și totuși prin conversie directă nu putem scoate mai mult de 10-15% energia arderii termonucleare, iar restul - modul de modă veche, printr-un motor cu abur.

Ilustrație într-un studiu privind conversia directă a energiei plasmatice la cea mai mare capcană deschisă Gamma-10 din Japonia.

Pe lângă limitările teoretice, există și cele de inginerie - în lume (inclusiv în URSS) au fost depuse eforturi gigantice pentru crearea de instalații pentru conversia directă a energiei plasmei în energie electrică pentru centralele electrice convenționale, ceea ce a făcut posibilă creșterea eficienței. de la 35% la 55%. Bazat în principal pe generatoare MHD. 30 de ani de muncă a unor echipe mari s-au încheiat cu nimic - resursa instalației a fost de sute de ore, când inginerii energetici au nevoie de mii și zeci de mii. Cantitatea gigantică de resurse cheltuite pentru această tehnologie a dus, în special, la faptul că țara noastră a rămas în urmă în producția de turbine cu gaz electrice și centrale cu ciclu turbină cu abur-gaz (care dau exact aceeași creștere a eficienței - de la 35). la 55%!).

Apropo, sunt necesari și magneți supraconductori puternici pentru generatoarele MHD. Aici sunt afișați magneții SP pentru un generator MHD de 30 MW.