AT nedávne časy, najmä po tom, čo Spojené štáty zrýchlili tempo prác na svojom lunárny program, je téma hélia-3 ako základu jadrovej energie budúcnosti čoraz zveličená. O tomto prvku sa dokonca natáčajú fantasy filmy. Čo je hélium-3, kde ho získať a aké výhody sľubuje ľudstvu!

REAKTOR BEZ ŽIARENIA

Hélium-3 (³He) je jedným z izotopov hélia, ktorý má vo svojom jadre jeden neutrón, nie dva. Na Zemi sú zásoby hélia-3 0,000137 %. Celkom prvkov a odhadujú sa na 35 tisíc ton. Takmer všetko dostupné hélium-3 sa zachovalo od vzniku našej planéty.

Záujem o tento izotop hélia zosilnel po tom, čo sa ukázalo, že ľudstvo je veľmi blízko vážnej energetickej kríze. Zásoby uhľovodíkov sa končia a o pár desaťročí ich úplne vyčerpáme. Alternatívne zdroje energie ako vietor, slnko, príliv a odliv, geotermálna aktivita nedokážu pokryť všetky potreby ľudstva. Stále sú zásoby uhlia, ktoré vydržia asi 200-300 rokov. S rastúcim podielom uhlia v modernej energetike sa však toto obdobie môže výrazne skrátiť. Okrem toho procesy spaľovania a ťažby uhlia vážne ovplyvňujú ekosystém planéty.

Jediným zdrojom energie, ktorý dlho vydrží, je teda energia založená na štiepení jadier uránu. Už dnes tvorí jadrová energia takmer 7 % celosvetovej energetickej bilancie. A každým rokom sa podiel jeho účasti zvyšuje. Ale spolu s tým je stále vážnejšia otázka hlavného problému všetkých jadrových elektrární - likvidácie a skladovania rádioaktívneho odpadu, ktorý sa každým rokom zvyšuje. A tu by bolo ideálnym riešením použiť palivo založené na termonukleárnych fúznych reakciách s héliom-3.

Ide o to, že jadrové reakcie zahŕňajúce hélium-3, na rozdiel od iných jadrových reakcií, neuvoľňujú neutróny, ale protóny. Neutróny sú mimoriadne aktívne častice, sú schopné preniknúť hlboko do konštrukčných materiálov jadrového reaktora, ničiť ich štruktúru a robiť ich rádioaktívnymi. To vedie k tomu, že jednotlivé časti a zostavy sa musia každých niekoľko rokov meniť, aby reaktor mohol normálne fungovať. Okrem toho je tu problém likvidácie a likvidácie jadrového odpadu.

Protóny, na rozdiel od neutrónov, neindukujú rádioaktivitu a nie sú schopné prenikať do štruktúr. Tok protónov je v skutočnosti tok vodíka. A materiály, z ktorých sú vyrobené komponenty reaktora hélium-3, môžu slúžiť desaťročia. Vo všeobecnosti je reakcia zahŕňajúca ³He 50-krát menej rádioaktívna ako bežná reakcia interakcie deutéria s tríciom (D + T).

Hlavná výhoda hélia-3 teda nespočíva ani tak v jeho energetickej hodnote, ale v jeho takmer úplnej environmentálnej bezpečnosti.

MESAČNÉ VKLADY

Kde sa dá ťažiť hélium-3 v požadovanom rozsahu? Na Zemi je tento izotop obsiahnutý v tak zanedbateľných množstvách, že o jeho priemyselnej ťažbe nemôže byť ani reči. Odpoveď na túto otázku je známa už dávno – na Mesiaci.

Skutočnosť, že Mesiac má obrovské zásoby hélia-3, sa stala známou, keď prvé vzorky lunárnej pôdy priviezli na Zem sovietske automatické vozidlá Luna a americkí astronauti počas programu Apollo.

Relatívna koncentrácia izotopu v lunárnej pôde sa ukázala byť 1000-krát vyššia ako v zemskom vnútrozemí. Príčina tohto javu spočíva v pravidelnom ožarovaní povrchu Mesiaca korpuskulárnym žiarením Slnka. Faktom je, že bez ochrany vo forme silného magnetické pole, povrchová prachová vrstva (regolit) Mesiaca pravidelne dostáva obrovskú dávku žiarenia. Počas tohto procesu sa do nej vnáša veľké množstvo prvkov, predovšetkým izotopy vodíka a hélia.

Podľa predbežných odhadov sú celkové zásoby hélia-3 na Mesiaci asi milión ton. Toto množstvo izotopu by ľudstvu stačilo na tisíc rokov. Jeho energetická účinnosť je taká, že 1 tona hélia-3 môže nahradiť 20 miliónov ton ropy, čo umožní poskytnúť výstupný výkon jadrových elektrární počas roka 10 GW. Jedna tona lunárnej pôdy obsahuje 10 mg hélia-3, čo zodpovedá uvoľneniu energie 1 m³ ropy. Môžeme povedať, že povrch Mesiaca je súvislý oceán ropy. Ľudstvo potrebuje 200 ton He ročne, dopyt ruského energetického priemyslu sa odhaduje na 20-30 ton hélia-3 ročne.

Avšak bez ohľadu na to, aké veľké sú celkové zásoby ³He, obsah izotopu v lunárnej pôde je stále veľmi malý (asi 10 mg na tonu horniny). Na uspokojenie potrieb ľudstva je teda potrebné otvoriť 20 miliárd ton regolitu ročne. Pri priemernej hrúbke vrstvy regolitu 3 m bude celková dobývacia plocha 30 na 100 km.

Dnes, keď sa za veľký úspech považuje preprava aj niekoľko stoviek kilogramov nákladu na Mesiac, je spracovanie miliárd ton mesačnej pôdy vnímané ako absolútne fantastický projekt. Správnym rozhodnutím by teda bolo nedopraviť mesačnú pôdu na Zem, ale zorganizovať na samotnom Mesiaci kompletný cyklus získania hotového izotopu hélia-3 – od ťažby hornín až po jeho obohatenie.

ŤAŽKOSTI S KORPOU

Avšak 20 miliárd ton nadmerného zaťaženia mesačnej pôdy sa zdá byť len fantastickým počinom. Na Zemi sa teraz vyťaží asi 5 miliárd ton uhlia ročne. Objem nadložia zemskej pôdy je asi 50 miliárd ton. To znamená, že súčasné tempo rozvoja zemského vnútra je v mierke celkom porovnateľné s tým, čo môžeme očakávať na Mesiaci. Zároveň sa na Mesiaci nevyskytnú problémy spojené s environmentálnymi dôsledkami stripovania, takže celková efektivita ťažby lunárnej pôdy môže byť niekoľkonásobne vyššia ako na Zemi. Nezabudnite, že gravitačná sila na Mesiaci je šesťkrát menšia ako na Zemi. To zase výrazne zvýši rýchlosť vývoja pôdy.

Čo sa týka technickej stránky problému, veda a technika o Zemi sú dostatočne rozvinuté na to, aby sa začal organizovať proces presunu časti ťažobného, ​​spracovateľského a ťažobného priemyslu na Mesiac. Samozrejme, tento proces bude trvať viac ako tucet rokov, takže čím skôr s ním začneme, tým skôr sa dočkáme požadovaného výsledku.

Musíme začať hneď prípravná fáza, obsahujúci geologické prieskumné a skúšobné práce, ktoré by sa mali vykonávať v rámci generel výskumná práca na Mesiaci. Jednou z prvých by mala byť práca na štúdii vnútorná štruktúra Mesiace plánované v programe Luna-Globe. Počas realizácie tohto programu sa plánuje získať údaje o chemická štruktúra spodný plášť Mesiaca, ako aj na určenie veľkosti mesačného jadra.

Ďalšou etapou prác bude dodanie libry z Mesiaca na Zem. Hlavný dôraz by sa tu mal klásť na bezpilotné prostriedky, ktoré budú zbierať vzorky lunárnej pôdy a dopravovať ich do pristávacích modulov. Lunárne rovery by navyše mohli dostať za úlohu vytvoriť dlhodobú sieť seizmických senzorov, ktorých impulzy poskytnú komplexný obraz o dianí v útrobách Mesiaca. Zároveň bude potrebné zmapovať mesačný povrch na obsah hélia-3.

HÉLIUM-3 REAKTOR

A nakoniec zostáva posledná otázka - vytvorenie termonukleárneho reaktora, ktorý využíva palivo na báze hélia-3. Dnes takýto reaktor existuje len teoreticky. Aj keď práce na riadenej termonukleárnej fúzii sa už presúvajú do praxe. Vo Francúzsku je v plnom prúde výstavba experimentálneho termonukleárneho reaktora ITER, ktorý bude využívať reakciu fúzie deutéria s tríciom. Náklady na výstavbu sa pôvodne odhadovali na 5 miliárd eur a spustenie prvej etapy reaktora sa plánovalo do roku 2016. Neskôr sa však náklady zdvojnásobili a dátum začiatku sa posunul na rok 2020. ITER bude stavba vysoká 60 metrov a vážiť asi 23 000 ton. Osobitná pozornosť pri jeho tvorbe bola venovaná problému radiačnej bezpečnosti. Reaktor typu ITER však nie je vhodný na prácu s héliom-3. Faktom je, že pre takúto reakciu bude potrebné vytvoriť teplotu, ktorá je trikrát vyššia ako teplota v jadre ITER.

Vzhľadom na to, že od objavenia jadrových reakcií po vytvorenie termonukleárneho reaktora typu ITER prešlo ľudstvo dlhých 50 rokov, možno predpokladať, že vytvorenie reaktora hélia-3 bude trvať asi 20-30 rokov. rokov.

Zloženie a štruktúra

Fyzikálne vlastnosti

Použitie

Čítače neutrónov

Na detekciu neutrónov sa používajú plynové počítadlá naplnené héliom-3. Toto je najbežnejšia metóda merania toku neutrónov. Reagujú

n+ 3 He → 3 H + 1 H + 0,764 MeV.

Nabité reakčné produkty - tritón a protón - registruje plynový počítač pracujúci v režime proporcionálneho čítača alebo Geiger-Mullerovho čítača.

Získanie ultra nízkych teplôt

Rozpustením tekutého hélia-3 v héliu-4 sa dosiahnu milikelvinové teploty.

Liek

Polarizované hélium-3 (je možné ho dlhodobo skladovať) sa v poslednej dobe používa pri zobrazovaní magnetickou rezonanciou na zobrazenie pľúc pomocou nukleárnej magnetickej rezonancie.

cena

Priemerná cena hélia-3 v roku 2009 bola 930 dolárov za liter.

Hélium-3 ako jadrové palivo

Reakcia 3 He + D → 4 He + p má množstvo výhod oproti najviac dosiahnuteľnej reakcii deutérium-trícium T + D → 4 He + n v pozemských podmienkach. Tieto výhody zahŕňajú:

K nevýhodám reakcie hélium-deutérium patrí výrazne vyšší teplotný prah. Pred začiatkom musí byť dosiahnutá teplota okolo miliardy stupňov.

V súčasnosti sa hélium-3 neťaží z prírodných zdrojov, ale vytvára sa umelo počas rozpadu trícia. Ten bol vyrobený pre termonukleárne zbrane ožarovaním bórom-10 a lítiom-6 v jadrových reaktoroch.

Plány ťažby hélia-3 na Mesiaci

Hélium-3 je vedľajším produktom reakcií prebiehajúcich na Slnku. Na Zemi sa ťaží vo veľmi malom množstve, odhaduje sa na niekoľko desiatok gramov ročne.

Nestabilný (menej ako deň): 5 On: Hélium-5, 6 On: Hélium-6, 7 On: Hélium-7, 8 On: Hélium-8, 9 On: Hélium-9, 10 On: Hélium-10

Nadácia Wikimedia. 2010.

Pozrite sa, čo je „Helium-3“ v iných slovníkoch:

- (lat. Hélium) He, chemický prvok skupiny VIII periodický systém, atómové číslo 2, atómová hmotnosť 4.002602, označuje vzácne plyny; bezfarebný a bez zápachu, hustota 0,178 g/l. Je ťažšie skvapalniť ako všetky známe plyny (pri 268,93 ° C); ... ... Veľký encyklopedický slovník

- (grécky, z helyos slnko). Elementárne teleso objavené v slnečnom spektre a prítomné na Zemi v niektorých vzácnych mineráloch; je prítomný vo vzduchu v stopových množstvách. Slovník cudzie slová zahrnuté v ruskom jazyku. Chudinov A.N ... Slovník cudzích slov ruského jazyka

- (symbol He), plynný nekovový prvok, ušľachtilý plyn, objavený v roku 1868. Prvýkrát získaný z minerálu clevit (odroda uranitu) v roku 1895. V súčasnosti je jeho hlavným zdrojom zemný plyn. Tiež obsiahnuté v... Vedecko-technický encyklopedický slovník

Ja, manžel. , starý Eliy, I. Otec: Gelievich, Gelievna Deriváty: Gelya (Gela); Elya.Pôvod: (Z gréc. hēlios sun.) Meniny: 27. júl Slovník osobných mien. Hélium Pozri Ellius. Denný anjel. Referenčné… Slovník osobných mien

HÉLIUM- chem. prvok, symbol He (lat. Hélium), at. n. 2, o. m, 4,002, označuje inertné (ušľachtilé) plyny; bezfarebný a bez zápachu, hustota 0,178 kg/m3. Za normálnych podmienok je plyn monatomický plyn, ktorého atóm pozostáva z jadra a dvoch elektrónov; tvorené... Veľká polytechnická encyklopédia

Podľa životných štandardov to zaberie dosť času ľudská civilizácia keďže fosílne prírodné bohatstvo bude vyčerpané. Medzi možných kandidátov na nahradenie ropy a plynu patrí buď solárna energia, veterná energia alebo vodík. AT posledné rokyčoraz častejšie počuť o novej spáse pre planétu tzv hélium-3. Že sa táto látka dá využiť ako surovina pre elektrárne, sa myslelo pomerne nedávno.

Všeobecné údaje o látke: vlastnosti

V roku 1934 prišiel austrálsky fyzik Mark Oliphant pri práci v Cavendish Laboratory na University of Cambridge v Anglicku k pozoruhodnému objavu. Počas prvej demonštrácie jadrovej fúzie bombardovaním deuterónového cieľa vyslovil hypotézu o existencii nového izotopu chemický prvok pri čísle 2. Dnes je známe aj ako hélium-3.

Má nasledovné vlastnosti:

• Obsahuje dva protóny, jeden neutrón a dva elektróny;
• Spomedzi všetkých známych prvkov je to jediný stabilný izotop, ktorý má viac protónov ako neutrónov;
• Teplota varu je 3,19 Kelvina (-269,96 stupňov Celzia). Počas varu látka stráca polovicu svojej hustoty;
• Moment hybnosti je ½, čo z neho robí fermion;
• Latentné teplo vyparovania je 0,026 kJ/mol;

Päť rokov po objavení Marka Oliphanta získali jeho teoretické konštrukcie experimentálne potvrdenie. A po 9 rokoch sa vedcom podarilo získať zlúčeninu v tekutá forma . Ako sa ukázalo, v takom stav agregácie hélium-3 má supratekuté vlastnosti.

Inými slovami, pri teplotách blízkych absolútna nula je schopný prenikať cez kapiláry a úzke štrbiny s malým alebo žiadnym odporom voči treniu.

Extrakcia hélia-3 na Mesiaci

Slnečný vietor za miliardy rokov uložil do povrchovej vrstvy regolitu obrovské množstvo hélia-3. Podľa odhadov môže jeho množstvo na zemskom satelite dosiahnuť 10 miliónov ton.

Mnohé vesmírne mocnosti majú program na extrakciu tejto látky na účely následnej termonukleárnej fúzie:

• V januári 2006 oznámila ruská spoločnosť Energia plány začať s geologickými prácami na Mesiaci do roku 2020. Budúcnosť projektu je dnes v neistote kvôli zložitej ekonomickej situácii krajiny;
• V roku 2008 indická organizácia vesmírny výskum vyslal na povrch zemského satelitu sondu, ktorej jedným z cieľov bolo štúdium minerálov obsahujúcich hélium;
• Aj Čína má svoj názor na ložiská vzácnych surovín. Podľa plánov má vyslať na satelit ročne tri raketoplány. Energia vyrobená z tohto paliva viac než pokryje potreby celého ľudstva.

Zatiaľ zostáva snom, ktorý možno vidieť len v sci-fi filmoch. Medzi nimi sú "Moon" (2009) a "Iron Sky" (2012).

V tomto videu vám fyzik Boris Romanov povie, v akej forme je hélium-3 na Mesiaci a či je možné ho odtiaľ importovať:

Geochemické údaje

Izotop je prítomný aj na planéte Zem, aj keď v menšom množstve:

• Toto je hlavná zložka zemského plášťa, ktorá bola syntetizovaná počas formovania planét. Jeho celková hmotnosť v tejto časti planéty je podľa rôznych odhadov od 0,1 do 1 milióna ton;
• Na povrch sa dostáva v dôsledku činnosti sopiek. Kopce Havajských ostrovov teda emitujú asi 300 gramov tejto látky ročne. Stredooceánske hrebene - asi 3 kilogramy;
• Na miestach, kde jeden litosférická platňa druhý môže obsahovať státisíce ton izotopu hélia. Extrahujte toto bohatstvo priemyselným spôsobom na súčasné štádium technologický rozvoj nie je možný;
• Príroda pokračuje vo výrobe tejto zlúčeniny až doteraz, v dôsledku rozkladu rádioaktívne prvky v kôre a plášti;
• V niektorých zdrojoch zemného plynu ho možno nájsť v pomerne malom množstve (do 0,5 %). Podľa odborníkov sa v procese prepravy zemného plynu ročne vyseparuje 26 m 3 hélia-3;
• Nachádza sa aj v zemskej atmosfére. Jeho špecifický podiel je približne 7,2 dielov na bilión atómov iných atmosférických plynov. Podľa najnovších odhadov celková hmotnosť atmosféry 3 2 dosahuje najmenej 37 tisíc ton.

Moderné využitie látky

Takmer všetok izotop používaný v národnom hospodárstve sa získava o rádioaktívny rozpad trícium bombardované neutrónmi lítium-6 v jadrovom reaktore.

Už celé desaťročia hélium-3 bolo len vedľajším produktom pri výrobe hlavíc atómových zbraní . Po podpise zmluvy START-1 v roku 1991 však veľmoci produkciu rakiet znížili, preto upadali aj produkty výroby.

Dnes je rozsah výroby izotopu na vzostupe, pretože našiel nové využitie:

1. Vďaka pomerne vysokému gyromagnetickému pomeru sa častice tejto látky používajú v lekárskej tomografii pľúc. Pacient sa nadýchne zmes plynov obsahujúce hyperpolarizované atómy hélia-3. Potom pod vplyvom infračerveného laserového žiarenia počítač nakreslí anatomické a funkčné snímky orgánov;
2. Vo vedeckých laboratóriách sa táto zlúčenina používa na kryogénne účely. Jeho odparovaním z povrchu chladničky je možné dosiahnuť hodnoty blízke 0,2 kelvinu;
3. V posledných rokoch získava na popularite myšlienka použiť látku ako surovinu pre elektrárne. Prvá takáto inštalácia bola postavená v roku 2010 v Tennessee Valley (USA).

Hélium-3 ako palivo

Druhý, revidovaný prístup k využívaniu riadenej termonukleárnej energie zahŕňa použitie 3 2 he a deutéria ako surovín. Výsledkom takejto reakcie bude ión hélia-4 a vysokoenergetické protóny.

Teoreticky má táto technológia nasledujúce výhody:

1. Vysoká účinnosť, pretože na riadenie fúzie iónov sa používa elektrostatické pole. Kinetická energia protónov sa priamo premieňa na elektrickú energiu prostredníctvom premeny v tuhom stave. Nie je potrebné stavať turbíny, ktoré sa používajú v jadrových elektrárňach na premenu protónovej energie na teplo;
2. Nižšie, v porovnaní s inými typmi elektrární, kapitálové a prevádzkové náklady;
3. Vzduch ani voda nie sú znečistené;
4. Relatívne malé rozmery vďaka použitiu moderných kompaktných jednotiek;
5. Neexistuje žiadne rádioaktívne palivo.

Kritici však upozorňujú na výraznú „vlhkosť“ takéhoto rozhodnutia. V tom najlepšom komerčné využitie termonukleárnej fúzie sa nezačne skôr ako v roku 2050.

Medzi všetkými izotopmi chemického prvku s poradovým číslom 2 je hélium-3 oddelené. Čo to je, možno stručne opísať nasledujúcimi vlastnosťami: je stabilný (to znamená, že nepodlieha premenám v dôsledku žiarenia), má supratekuté vlastnosti v kvapalnej forme a má relatívne malú hmotnosť.

Video o vzniku hélia-3 vo vesmíre

V tomto videu vám fyzik Daniil Potapov povie, ako vzniklo hélium-3 vo vesmíre, akú úlohu zohral pri formovaní vesmíru:

Má dva protóny a dva neutróny.

Encyklopedický YouTube

1 / 5

✪ Hélium – SUPERTEKUTINY A NAJCHLADŠEJŠÍ PRVOK!

✪ Supratekuté hélium. Univerzita v Stuttgarte

✪ Vyhliadky na termonukleárnu energiu (hovorí fyzik Anton Tyulusov)

✪ Operácia "Hélium"

✪ Operácia "Hélium". 3. séria

titulky

Chcem vám odporučiť kanál Andreyho, na ktorom natáča video kurz organická chémia pre stupeň 10 je teraz na jeho kanáli k dispozícii viac ako 40 videí na 12 tém, prihláste sa na odber andreyho kanála, aby ste ich mohli publikovať a hrať za 100 bodov, a tak vám dnes poviem o najbežnejšom vzácnom plyne v dohľadnom vesmíre, ktorý navyše , môže tiež získať jedinečné supratekuté vlastnosti pri extrémne nízkych teplotách a stretnúť sa s héliom v periodická tabuľka tento prvok je v pravom hornom rohu, je veľmi ľahké ho nájsť pri čísle 2, myslím, že dnes sa ľudia s týmto inertným plynom oboznamujú už od detstva, pretože vďaka svojej ľahkosti voči vzduchu je hélium skvelé na nafukovanie dovolenkových balónov, ktoré deťom sa to veľmi páči, je to všetko preto, že molárna hmotnosť hélia je asi sedemkrát menšia ako molárna hmotnosť vzduchu, no napriek tomu, pokiaľ ide o rozšírenosť hélia na Zemi, je vo vzduchu mimoriadne vzácne; je to len jedna časť na milión; dosahuje až sedem percent hmotnosti, a to všetko preto, že v dôsledku rádioaktívneho rozpadu uránu alebo tória na zemská kôra hélium sa môže hromadiť v podzemných dutinách so zemným plynom a neunikať do atmosféry, ak to však vezmeme vo väčšom meradle, tak v celom pozorovateľnom vesmíre, alebo zaujme čestné druhé miesto v hojnosti medzi všetkými prvkami, druhé na vodík a zároveň tvorí asi štvrtinu všetkých atómov, len si predstavte, že všetky atómy ťažšie ako gél tvoria len dve percentá hmotnosti celkovej hmoty hmoty tu môžete cítiť, akí sme malí na stupnici vesmír, hlavná časť hmoty je v zložení hviezd alebo v atmosfére plynných obrov, v ktorých je podobne ako v celom vesmíre asi 20 percent hmoty hmoty, podľa dnešných údajov hlavná časť gél nachádzajúci sa v priestore vznikol počas veľký tresk asi pred 14 miliardami rokov, vráťme sa teraz z neba na zem a uvažujme o vlastnostiach tohto plynu v hmatateľnejšom experimente.Mám malú ampulku s héliom, ktoré je pri veľmi nízkom tlaku, asi stotine atmosférického tlaku, je vidieť, že gél nemá farbu, nemá chuť ani vôňu, mohli by ste vedieť, či ste sa niekedy pokúšali dýchať tento plyn, ale takéto experimenty sú extrémne nebezpečné, keďže naše bunky nedýchajú hélium, potrebujú na to kyslík , dokonca prinútila súčasných predajcov balónových gélových balónov pridať do nich až 20 percent kyslíka, ktorý ste vešali na večierkoch, sa stal bezpečnejším, ak vysokofrekvenčný výboj prechádza cez okulus s gélom vysoké napätie potom začne slabo svietiť oranžová ktorého jas bude závisieť od napätia a od priemeru ampulky, ktorú som použil ako zdroj napätia pre generátor, o ktorom dpla vedel a ktorý mi dal možnosť držať ampulku priamo v ruke a kvôli prítomnosti elektrickej kapacity v mojom tele v zásade ako v každom inom, na rozdiel od neho na alebo xenónové hélium sa zapáli už vo vzdialenosti od drôtu generátora, keďže má menšiu ionizačnú energiu, bohužiaľ, z chemického hľadiska naozaj nesvieti zaujímavo vlastnosti vôbec, nereaguje takmer so žiadnou látkou, aj keď vo forme plazmy to vyzerá tak, že to, čo vidíte v gélovej ampulke, môže vytvárať extrémne nestabilnú zlúčeninu s vodíkom, deutériom, prípadne niektorými kovmi a pri vysokých tlakoch napr. tisícky atmosfér, špeciálne látky sa dokonca tvoria z klartu a hélia dusíka, ktoré vo forme kryštálov možno pestovať na diamantových substrátoch, len škoda, že všetky tieto látky sú veľmi nestabilné a za normálnych podmienok je takmer nemožné ich vidieť, ale netreba sa rozčuľovať Koniec koncov, gél má najzaujímavejšie a jedinečné fyzikálne vlastnosti zo všetkých plynov je fakt, že pri ochladení na teplotu 42 kelvinov sa v skutočnosti stáva najľahšou a zároveň aj najchladnejšou kvapalinou, ktorej hustota je takmer 10-krát menšia ako hustota vody v stupňoch Celzia, tekuté hélium sa získava pri šialených mínus dvestošesťdesiatosem stupňov, čo je taká zima, že niektoré kovy sa pri tejto teplote stávajú supravodičmi, napríklad ortuť alebo niób, aby sa udržala taká nízka teplota, je tekuté hélium umiestnené v dvojitej Dewarovej nádobe , ktorý je ešte zvonku chladený tekutým dusíkom.Rovnaká technológia chladenia tekutého hélia sa používa v moderných zariadeniach na vytváranie nukleárnej magnetickej rezonancie v nich supravodiče spojenie niób je chladený tekutým héliom, ktoré je vzhľadom na vysokú cenu v ochladzujte lacnejším tekutým dusíkom, takže tekutý gél slúži medicíne a aj na výskum vedcov, ale to najzaujímavejšie nás ešte len čaká, hovoril som vám o prvej forme tekutého g hélium, takzvané hélium 1, ak ho začnete ochladzovať znížením tlaku v nádobe, tak tekuté hélium nakoniec prejde cez takzvanú lindu. totiž ochladzuje sa pod teplotu dvakrát sedemnásť stotín kelvinu a stáva sa druhou formou tekutého hélia, potom sa varenie kvapaliny okamžite zastaví a tekuté hélium pri tejto teplote radikálne zmení svoje vlastnosti, teplovodivé tekuté hélium zväčší milióny krát a stáva sa vyššou ako u medi alebo striebra, preto kvapalina nevrie, pretože teplo sa prenáša okamžite a rovnomerne v celom objeme, navyše, keď sa dosiahne bod lambda, hélium sa stáva supratekutou kvapalinou, to znamená, že stráca absolútne všetku viskozitu, konkrétne odpor jednej časti kvapaliny voči pohybu vzhľadom na druhú, existuje vynikajúci experiment, ktorý to dokazuje, ak sa naleje do malého zaveseného pohára nad prúdom hélia, ktorý potom môže stúpať pozdĺž stien nádoby v vo forme tenkého filmu a vyteká z pohára, navyše ľahko prechádza vrstvou keramiky s veľkosťou pórov asi jeden mikrón a čím nižšia je teplota tekutého hélia, tým ľahšie táto kvapalina prejde bariérou prekvapivo aj to, že tekuté hélium v ​​takto ochladenej forme má stále viskozitu, ktorú možno vidieť 2 spôsobmi transformáciu valca, vrstvy kvapaliny stále prenášajú rotáciu na lopatky zhora, ako to môže byť, ale tu iné kvantové mechanizmy už zohrávajú úlohu, ktorých správanie sa zásadne líši od zákonitostí klasickej mechaniky je to ako keby tam bola viskozita, ale ja zaroven nie, tak sa to v principe da charakterizovat a mimochodom prvy krat javy supratekutosti tekuteho helia objavil sovietsky vedec Peter Kapica. v roku 1938 a už v roku 1962 Lev Landau vypracoval teóriu tohto efektu, myslím, že to je všetko, ale tu opäť čakáme na tému hviezd a vesmírne lety predtým som vám hovoril o najbežnejšom izotope hélia a héliu 4, ktoré má dva protóny a dva neutróny, stále však existujú extrémne zriedkavé izotopy hélia-3, ktoré majú dva protóny a jeden neutrón, faktom je, že tento izotop je skvelý na vykonávanie termonukleárnych fúznych reakcií s deutériom a teoreticky môže tento proces pomôcť ľudstvu opustiť fosílne palivá, ale problém je v tom, že na Zemi je tento izotop neuveriteľne vzácny, pretože sa okamžite vyparí z atmosféry, ale na Mesiaci, čo nie je majú atmosféru, tento izotop je hypoteticky oveľa lepšie zachovaný, ľudia by mohli extrahovať hélium-3 z regolitového mesačného prachu a použiť ho ako zdroj energie na Zemi, ale zatiaľ to vyzerá len ako fantázia na túto tému, dokonca výborná film bol natočený mesiac 2112, odporúčam na zhliadnutie a na záver môžeme povedať, že plyn hélium je taký bežný jav, že má úžasné vlastnosti pri nízkych teplotách, jeho vlastnosti sa dnes využívajú všade, napríklad v medicíne resp. pre vedecký výskum v ktorej sa napríklad pri chromatografii používa plynné hélium ako nosný plyn, ale ak sa vám toto video páčilo, nezabudnite sa prihlásiť na odber kanála a kliknúť na zvonček a dať radi sa dozviete viac nových a zaujímavých vecí v budúcnosti

Prevalencia

Otvorenie

Existenciu hélia-3 navrhol austrálsky vedec Mark Oliphant počas práce na univerzite v Cambridge at. Tento izotop nakoniec objavili Luis Alvarez a Robert Kornog v r.

Fyzikálne vlastnosti

Potvrdenie

V súčasnosti sa hélium-3 neťaží z prírodných zdrojov (na Zemi sú dostupné malé množstvá hélia-3, ktoré sa ťažia mimoriadne ťažko), ale vzniká rozpadom umelo získaného trícia.

cena

Priemerná cena hélia-3 v roku 2009 bola podľa niektorých odhadov asi 930 USD za liter.

Plány ťažby hélia-3 na Mesiaci

Hélium-3 je vedľajším produktom reakcií prebiehajúcich na Slnku a je v určitom množstve prítomné v slnečnom vetre a medziplanetárnom prostredí. Hélium-3 vstupujúce do zemskej atmosféry z medziplanetárneho priestoru sa rýchlo rozptýli späť, jeho koncentrácia v atmosfére je extrémne nízka

Hypoteticky sa pri termonukleárnej fúzii, keď 1 tona hélia-3 zreaguje s 0,67 tonami deutéria, uvoľní energia, ktorá zodpovedá spáleniu 15 miliónov ton ropy (technická uskutočniteľnosť tejto reakcie však nebola študovaná. moment). V dôsledku toho by populácia lunárneho zdroja hélia-3 na našej planéte (podľa maximálnych odhadov) mohla stačiť asi na päť tisícročí. Hlavným problémom zostáva realita získavania hélia z lunárneho regolitu. Ako už bolo spomenuté vyššie, obsah hélia-3 v regolite je ~1 g na 100 ton.Preto na extrakciu tony tohto izotopu by sa malo na mieste spracovať aspoň 100 miliónov ton pôdy.

Použitie

Čítače neutrónov

Na detekciu neutrónov sa používajú plynové počítadlá naplnené héliom-3. Toto je najbežnejšia metóda merania toku neutrónov. Reagujú

n+ 3 He → 3 H + 1 H + 0,764 MeV.

Nabité reakčné produkty - tritón a protón - registruje plynový počítač pracujúci v režime proporcionálneho čítača alebo Geiger-Mullerovho čítača.

Získanie ultra nízkych teplôt

Rozpustením tekutého hélia-3 v héliu-4 sa dosiahnu milikelvinové teploty.

Liek

Hélium-3 ako jadrové palivo

Reakcia 3 He + D → 4 He + p má množstvo výhod oproti najviac dosiahnuteľnej reakcii deutérium-trícium T + D → 4 He + n v pozemských podmienkach. Tieto výhody zahŕňajú:

1. Desaťkrát nižší tok neutrónov z reakčnej zóny, čo dramaticky znižuje indukovanú rádioaktivitu a degradáciu konštrukčných materiálov reaktora;
2. Výsledné protóny sa na rozdiel od neutrónov ľahko zachytávajú a môžu sa použiť na výrobu dodatočnej elektriny, napríklad v generátore MHD;
3. Východiskové materiály syntézy sú neaktívne a ich skladovanie si nevyžaduje špeciálne opatrenia;
4. Pri havárii reaktora s odtlakovaním aktívnej zóny je rádioaktivita úniku blízka nule.

K nevýhodám reakcie hélium-deutérium patrí výrazne vyšší teplotný prah. Na spustenie je potrebné dosiahnuť teplotu približne 10 9 K kvôli Coulomb bariére. A pri nižšej teplote termonukleárna reakcia fúzie jadier deutéria medzi sebou prebieha oveľa ľahšie a nedochádza k reakcii medzi deutériom a héliom-3.

V umení

V sci-fi dielach (hry, filmy, anime) niekedy hélium-3 pôsobí ako hlavné palivo a ako cenný zdroj, vrátane toho, ktorý sa ťaží na Mesiaci.

Dej britského sci-fi filmu z roku 2009 Luna 2112 je založený na prevádzke lunárneho banského komplexu. Komplex zabezpečuje extrakciu izotopu hélia-3, pomocou ktorého sa podarilo zastaviť katastrofickú energetickú krízu na Zemi.

V politickej komédii Iron Sky je lunárne hélium-3 príčinou medzinárodného jadrového konfliktu o práva na ťažbu.

V anime" planetes» Hélium-3 sa používa ako palivo pre raketové motory atď.

Literatúra

• Dobbs E.R. Helium Tri. - Oxford University Press, 2000. ISBN 0-19-850640-6
• Galimov E.M. Ak máte energiu, môžete získať všetko - Vzácne zeminy. 2014. Číslo 2. S. 6-12.
•  Hélium-3 Nedostatok: Ponuka, Dopyt a Možnosti pre Kongres // FAS, 22. decembra 2010 (anglicky)

Poznámky

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

Hélium-tri. Zvláštna a nezrozumiteľná fráza. Čím ďalej, tým viac to však budeme počuť. Pretože podľa odborníkov je to hélium-tri, ktoré zachráni náš svet pred hroziacou energetickou krízou. A v tomto podniku má najaktívnejšiu úlohu Rusko.

Mesiac

Sľubná termonukleárna energia, ktorá ako základ využíva deutériovo-tríciovú fúznu reakciu, hoci je bezpečnejšia ako energia jadrového štiepenia, ktorá sa využíva v moderných jadrových elektrárňach, má stále množstvo významných nedostatkov.

• Po prvé, táto reakcia uvoľňuje oveľa väčší (rádovo!) počet vysokoenergetických neutrónov. Žiadny zo známych materiálov nevydrží taký intenzívny tok neutrónov viac ako šesť rokov – napriek tomu, že má zmysel vyrábať reaktor so zdrojom aspoň na 30 rokov. V dôsledku toho bude potrebné vymeniť prvú stenu tríciového fúzneho reaktora – a to je veľmi komplikovaný a nákladný postup, ktorý je spojený aj s odstavením reaktora na pomerne dlhú dobu.
• Po druhé, je potrebné chrániť magnetický systém reaktora pred silným neutrónovým žiarením, čo komplikuje, a teda zvyšuje náklady na projekt.
• Po tretie, mnohé prvky konštrukcie tríciového reaktora po ukončení prevádzky budú vysoko aktívne a budú si vyžadovať dlhodobé zakopanie v skladovacích zariadeniach špeciálne vytvorených na tento účel.

V prípade použitia deutéria s izotopom hélia-3 namiesto trícia v termonukleárnom reaktore možno väčšinu problémov vyriešiť. Intenzita toku neutrónov klesne 30-násobne - podľa toho je možné jednoducho zabezpečiť životnosť 30-40 rokov. Po ukončení prevádzky héliového reaktora nevzniká vysokoaktívny odpad a rádioaktivita konštrukčných prvkov bude taká nízka, že ich možno pochovať doslova na mestskom smetisku jemne posypanom zeminou.

Aký je problém? Prečo stále nepoužívame také ziskové jadrové palivo?

V prvom rade preto, že tento izotop je na našej planéte extrémne malý. Rodí sa na Slnku, preto sa mu niekedy hovorí „slnečný izotop“. Jeho celková hmotnosť tam prevyšuje hmotnosť našej planéty. Hélium-3 je prenášané do okolitého priestoru slnečným vetrom. Magnetické pole Zeme odkláňa značnú časť tohto vetra, a preto je hélium-3 len jedna biliónina vetra. zemskú atmosféru- asi 4000 ton.Na samotnej Zemi je to ešte menej - asi 500 kg.

Tohto izotopu je na Mesiaci oveľa viac. Tam je rozptýlený v mesačnej pôde „regolit“, ktorý zložením pripomína obyčajnú trosku. Hovoríme o obrovských – takmer nevyčerpateľných zásobách!

Analýza šiestich vzoriek pôdy privezených expedíciami Apollo a dvoch vzoriek dodaných sovietskymi automatickými stanicami. Mesiac“, ukázali, že regolit pokrývajúci všetky moria a náhorné plošiny Mesiaca obsahuje až 106 ton hélia-3, čo by pokrylo potreby zemskej energie, dokonca niekoľkonásobne zvýšenej v porovnaní s modernými, na tisícročie! Podľa moderných odhadov sú zásoby hélia-3 na Mesiaci o tri rády väčšie - 109 ton.

Okrem Mesiaca sa hélium-3 nachádza aj v hustých atmosférach obrích planét a podľa teoretických odhadov sú jeho zásoby len na Jupiteri 1020 ton, čo by stačilo na napájanie Zeme až do konca vekov. .

Projekty výroby hélia-3

Regolit pokrýva Mesiac vrstvou hrubou niekoľko metrov. Regolit mesačných morí je bohatší na hélium ako regolit náhorných plošín. 1 kg hélia-3 obsahuje približne 100 000 ton regolitu.

Preto na extrakciu vzácneho izotopu je potrebné spracovať obrovské množstvo drobivej lunárnej pôdy.

Ak vezmeme do úvahy všetky vlastnosti, technológia výroby hélia-3 by mala zahŕňať nasledujúce procesy:

1. Ťažba regolitu.

Špeciálne „kombajny“ odoberú regolit z povrchovej vrstvy o hrúbke cca 2 m a doručia ho na spracovateľské miesta alebo spracujú priamo v procese ťažby.

2. Uvoľňovanie hélia z regolitu.

Pri zahriatí regolitu na 600°C sa uvoľní (desorbuje) 75% hélia obsiahnutého v regolitu, pri zahriatí na 800°C sa uvoľní takmer všetko hélium. Ohrievanie prachu sa navrhuje vykonávať v špeciálnych peciach so zameraním slnečné svetlo buď plastové šošovky alebo zrkadlá.

3. Doručenie na Zem vesmírne lode opakovane použiteľné.

Pri extrakcii hélia-3 sa z regolitu extrahujú aj mnohé látky: vodík, voda, dusík, oxid uhličitý, dusík, metán, oxid uhoľnatý, - čo môže byť užitočné pre údržbu lunárneho priemyselného komplexu.

Projekt prvého lunárneho kombinátu, určeného na spracovanie regolitu a extrakciu izotopu hélia-3 z neho, navrhla skupina J. Kulchinského. Súkromné ​​americké spoločnosti v súčasnosti vyvíjajú niekoľko prototypov, ktoré budú podľa všetkého predložené do súťaže po tom, čo NASA rozhodne o vlastnostiach budúcej expedície na Mesiac.

Je jasné, že okrem doručovania kombajnov na Mesiac budú musieť vybudovať skladovacie priestory, obývateľnú základňu (na obsluhu celého komplexu zariadení), kozmodróm a mnohé ďalšie. Verí sa však, že vysoké náklady na vybudovanie rozvinutej infraštruktúry na Mesiaci sa bohato vyplatia vzhľadom na skutočnosť, že globálna energetická kríza prichádza, keď tradičné druhy nosičov energie (uhlie, ropa, zemný plyn) sa bude musieť vzdať.

Hlavný technologický problém

Na ceste k vytváraniu energie na báze hélia-3 je jeden dôležitý problém. Faktom je, že reakcia deutérium-hélium-3 sa realizuje oveľa ťažšie ako reakcia deutérium-trícium.

V prvom rade je mimoriadne ťažké zapáliť zmes týchto izotopov. Vypočítaná teplota, pri ktorej bude prebiehať termonukleárna reakcia v zmesi deutérium-trícium, je 100-200 miliónov stupňov. Pri použití hélia-3 je potrebná teplota o dva rády vyššia. V skutočnosti musíme na Zemi zapáliť malé slnko.

História rozvoja jadrovej energetiky (posledné polstoročie) však preukazuje nárast generovaných teplôt rádovo o 10 rokov. V roku 1990 sa už na európskom tokamaku JET spaľovalo hélium-3, pričom výsledný výkon bol 140 kW. Približne v rovnakom čase dosiahol americký tokamak TFTR teplotu potrebnú na spustenie reakcie v zmesi deutérium-hélium.

Zapáliť zmes je však polovica úspechu. Negatívnou stránkou termonukleárnej energie je náročnosť získania praktických výnosov, pretože pracovným telom je plazma zahriata na mnoho miliónov stupňov, ktorá sa musí udržiavať v magnetickom poli.

Experimenty s krotením plazmy sa uskutočňujú už dlhé desaťročia, ale až koncom júna minulého roku v Moskve podpísali zástupcovia viacerých krajín dohodu o výstavbe Medzinárodného termonukleárneho experimentálneho reaktora (ITER) na juhu Francúzska v r. mesto Cadarache, prototyp praktickej termonukleárnej elektrárne. ITER bude využívať ako palivo deutérium a trícium.

Fúzny reaktor s héliom-3 bude štrukturálne zložitejší ako ITER a zatiaľ nie je ani v projektoch. A hoci odborníci dúfajú, že prototyp reaktora hélium-3 sa objaví v najbližších 20-30 rokoch, pričom táto technológia zostáva čistou fantáziou.

Otázku výroby hélia-3 analyzovali odborníci počas vypočutí o budúcom prieskume a prieskume Mesiaca, ktoré sa konalo v apríli 2004 v Podvýbore pre vesmír a letectvo Výboru pre vedu Poslaneckej snemovne Kongresu USA. Ich záver bol jednoznačný: aj v ďalekej budúcnosti je ťažba hélia-3 na Mesiaci úplne nerentabilná.

Ako povedal John Logsdon, riaditeľ Space Policy Institute vo Washingtone: „Americká vesmírna komunita nepovažuje ťažbu hélia-3 za vážnu výhovorku na návrat na Mesiac. Letieť tam pre tento izotop je ako poslať Kolumba do Indie po urán pred päťsto rokmi. Môže to priniesť a aj by to priniesol, len pár stoviek rokov by nikto nevedel, čo s tým.

Ťažba hélia-3 ako národný projekt

„Teraz hovoríme o termonukleárnej energii budúcnosti a novom ekologickom type paliva, ktoré nie je možné vyrobiť na Zemi. Hovoríme o priemyselnom rozvoji mesiaca na ťažbu hélia-3.

Toto vyhlásenie šéfa raketovej a vesmírnej korporácie Energia Nikolaja Sevastjanova vnímali ruskí vedeckí pozorovatelia ako žiadosť o sformovanie nového „národného projektu“.

V skutočnosti jednou z hlavných funkcií štátu, najmä v 20. storočí, bolo práve formulovanie úloh pre spoločnosť na hranici predstavivosti. To platilo aj pre sovietsky štát: elektrifikácia, industrializácia, stvorenie atómová bomba, prvý satelit, obrat riek.

Dnes sa v Ruskej federácii štát snaží, no nie je schopný formulovať úlohy na hranici nemožného. Štát potrebuje niekoho, kto mu ukáže celoštátny projekt a zdôvodní výhody, ktoré z tohto projektu teoreticky plynú. Program vývoja a výroby hélia-3 z Mesiaca na Zem za účelom zásobovania termonukleárnou energiou palivom ideálne spĺňa tieto požiadavky.

„Len si myslím, že je nedostatok v nejakom veľkom technologickom probléme,“ povedal v rozhovore Alexander Zacharov, doktor fyzikálnych a matematických vied, vedecký tajomník Inštitútu pre výskum vesmíru Ruskej akadémie vied. - Možno z tohto dôvodu sa nedávno objavili všetky tieto reči o výrobe hélia-3 na Mesiaci pre termonukleárnu energiu. Ak Mesiac- zdroj minerálov, a odtiaľ niesť toto hélium-3, ale na Zemi nie je dostatok energie ... To všetko je pochopiteľné, znie to veľmi pekne. A na to je možno ľahké presvedčiť vplyvných ľudí, aby pridelili peniaze. Myslím si".