«Ми говоримо зараз про термоядерну енергетику майбутнього та новий екологічний тип палива, яке не можна видобути на Землі. Йдеться про промислове освоєння Місяця для видобутку гелію-3». Ця заява голови ракетно-космічної корпорації «Енергія» Миколи Севастьянова, якщо й не вразила уяву законослухняних росіян (їм зараз, якраз, напередодні нового опалювального сезону лише з гелієм-3 розбиратися), то вже уяву фахівців та людей зацікавлених не залишило.
Воно і зрозуміло: при, м'яко кажучи, не блискучому стані справ у вітчизняній аерокосмічній галузі (космічний бюджет Росії в 30 разів менше, ніж у США і в 2 рази менше, ніж в Індії; з 1989 по 2004 роки ми запустили всього 3 дослідних КА), раптом, ось так, ні більше, ні менше – росіяни видобуватимуть гелій-3 на Місяці! Нагадаю, що теоретично цей легкий ізотоп гелію здатний вступати в термоядерну реакцію з дейтерієм. Відповідно, отрута багато вчених вважають потенційно безмежним джерелом дешевої енергії. Однак проблема є: гелій-3 становить менше однієї мільйонної частки від загальної кількостігелію на землі. А ось у місячному ґрунті цей легкий ізотоп міститься удосталь: за оцінкою академіка Еріка Галімова – близько 500 млн. тонн...
Кажуть, свого часу в США перед входом до Діснейленду висів величезний плакат: «Ми і наша країна можемо все, єдине, що нас лімітує, це межі нашої уяви». Все це було недалеко від істини: швидкий і ефективний атомний проект, фантастично успішна місячна програма, стратегічна оборонна ініціатива (СОІ), яка до кінця закінчила радянську економіку. ...
Фактично, однією з головних функцій держави, особливо у XX столітті, було саме формулювання перед науковим співтовариством завдань на межі уяви. Це стосується й радянської держави: електрифікація, індустріалізація, створення атомної бомби, перший супутник, поворот річок До речі, і в нас був свій «плакат» перед Діснейлендом – «Ми народжені, щоб казку зробити буллю!»
«Я просто думаю, що є дефіцит у якомусь великому технологічному завданні, – наголосив у розмові зі мною доктор фізико-математичних наук, вчений секретар Інституту космічних досліджень РАН Олександр Захаров. - Можливо, через це й виникли останніми роками всі ці розмови про видобуток на Місяці гелію-3 для термоядерної енергетики. Якщо Місяць – джерело з корисними копалинами, і звідти везти цей гелій-3, а Землі бракує енергії┘ Все це зрозуміло, звучить дуже красиво. І під це легко, можливо, умовити впливових людей виділити гроші. Я гадаю, що це так».
Але вся справа в тому, що зараз на Землі немає технології – і в найближчі, як мінімум, 50 років не передбачається її появи, – спалювання гелію-3 у термоядерній реакції. Немає навіть ескізного проекту такого реактора. Міжнародний термоядерний реактор ITER, що будується зараз у Франції, проектується на «спалювання» ізотопів водню – дейтерію і тритію. Розрахункова температура «запалювання» термоядерної реакції – 100–200 млн. градусів. Для використання гелію-3 температура має бути на порядок-два вищою.
Значить, керівник найбільшої в Росії ракетно-космічної корпорації Микола Севастьянов, вибачте за вираз, пудрить нам мозок своїм гелієм-3? Не схоже. Навіщо?
«Космічна галузь, природно, зацікавлена у такому великому та дорогому проекті, – вважає Олександр Захаров. – Але з погляду його практичного використання абсолютно очевидно, що це передчасно».
Щоб реалізувати проект «гелій-3» потрібно створювати спеціальну програму додаткових досліджень Місяця, запускати цілу ескадру космічних апаратів, вирішувати питання зі здобиччю гелію-3, його переробкою».
«Я не хочу сказати, що Місяць із наукового погляду повністю закритий – там залишилися й наукові завдання, – наголошує Олександр Захаров. – Але, як кажуть, цим треба займатись step by step, не забуваю про інші наукові завдання. А то ми якось сахаємося: як тільки американці оголосили про програму пілотованого польоту на Марс – і одразу ми заявляємо, що теж готові цим займатися. Почули про місячні програми – давайте теж цим займатися». У нас немає обдуманого, виваженого, стратегічного національного завдання».
Ось знову повернулися до того, з чого почали, – до стратегічного національного завдання. Біда в тому, що на відміну від американців ми лімітовані не так своєю уявою – з цим, як показує заява Миколи Севастьянова, у нас все гаразд. Але на програму «гелій-3» (умовно назвемо її так), за найскромнішими розрахунками, потрібно 5 млрд. дол. на п'ять років досліджень.
З суто наукової точки зору, у проблемі термоотрути на основі ТОКАМАКів, навіть незважаючи на прийняте рішенняпро будівництво міжнародного експериментального реактора ITER намітився якийсь застій. (Втім, це тема для окремої розмови.) Як на мене, проблема гелію-3 для певної частини впливового термоядерного лобі – нова ніша для реанімації та реалізації професійних амбіцій.
Мало того - і це вже зовсім сенсаційна річ, і тільки тому я не почав з неї свою статтю, - як нам повідомив експерт з аерокосмічної галузі, на російський проект видобутку легкого ізотопу гелію на Місяці виділено 1 млрд доларів! Гроші ці нібито мають американське походження.
Незважаючи на всю хитромудрість подібної комбінації, кінці з кінцями в ній сходяться цілком успішно. Щоб домогтися виділення 104-х млрд. дол. на оголошену нещодавно програму створення місячної бази, Національному агентству США з аеронавтики та космічним дослідженнямтреба було показати, що «стратегічні конкуренти» теж дрімають. Тобто, «російський» мільярд – це, свого роду, накладні витрати NASA... Звідси й незрозумілий раціональними мотивами сплеск інтересу до видобутку гелію-3 у Росії.
Якщо це дійсно так, то зайвий раз нам усім доведеться переконатися у справедливості формули, надрукованої десять років тому в журналі Physics Today. Ось вона: «Вчені – це не безкорисливі шукачі істини, а скоріше учасники гострої конкурентної боротьби за науковий вплив, переможці якої зривають банк».
В останні місяці в засобах масової інформації багато говориться про наявність у ряду держав (насамперед США, Росії та Китаю) проектів з видобутку гелію-3 для керованих термоядерних реакцій. Ці проекти розглядаються багатьма буквально як вирішення всіх проблем людства. То що таке гелій-3?З усіх атомів гелію, які існують на Землі, 99,999862% атомів мають масу, що в 4 рази перевищує масу атома водню. Це "гелій-4". Його атомні ядра – це альфа-частинки, що утворюються при радіоактивному розпаді. А решта 0,000-138% атомів гелію важче атома водню лише в 3 рази. Це є гелій-3.
Співвідношення гелію-3 і гелію-4 в масштабах Всесвіту суттєво інше - там кількість цих ізотопів відрізняється приблизно на один порядок. У метеоритній речовині та в місячних породах вміст гелію-3 коливається від 17 до 32% від усієї кількості гелію. Мільярди років тому на Землі співвідношення гелію-4 і гелію-3 було таке саме, як і у всьому Всесвіті. Однак за час гелій, що пройшов у той час, утворився при первинному нуклеосинтезі, повністю випарувався з земної атмосфери. І весь гелій, який сьогодні є на Землі, утворився внаслідок радіоактивного розпаду. Тобто Землі існує практично лише гелій-4. А гелій-3 утворюється тільки на Сонці в результаті термоядерних реакцій, що відбуваються там (в основному на Сонці утворюється гелій-4, але і гелію-3 там утворюється теж чимало). З Сонця ці елементи розлітаються у простір як так званого " сонячного вітру " (особливий вид космічних променів). На Землю та інші планети "сонячний вітер" не потрапляє: заважає атмосфера та магнітне поле. А ось, скажімо, на Місяць, позбавлений атмосфери, частки "сонячного вітру" потрапляють і "застрягають" у поверхневому шарі ґрунту.
Досі ці факти представляли суто теоретичний інтерес. У практичній площині про гелію-3 заговорили, коли стало зрозуміло, що нафта закінчиться у найближчі десятиліття. Вугілля та газу вистачить трохи довше, але теж не надовго. Очевидно, що єдиний спосіб вирішення енергетичної проблеми – використання енергії атомного ядра. Однак і запаси урану теж не нескінченні... Тому вже півстоліття незмінно популярна ідея використання термоядерного синтезу.
У термоядерних реакціях, що відбуваються на Сонці, чотири атоми легкого ізотопу водню з'єднуються до одного атома гелію з виділенням енергії. Однак для термоядерних реакцій, що виробляються на Землі, легкий ізотоп водню (що становить 99,985% всього водню) не підійде, тому що у реакції злиття легких ізотопів водню надзвичайно малий переріз (імовірність реакції). Саме цей низький переріз реакції забезпечує стійкість Сонця – інакше на ньому йшла б не стійка термоядерна реакція, а термоядерний вибух.
Для термоядерних реакцій, вироблених Землі, потрібен " важкий водень " - дейтерій. З водню, що існує на Землі (переважно у вигляді води) дейтерій становить 0,015%. Видобувати його можна електролізом звичайної води, В якій дейтерій становить 0,0017% за масою. Однак, крім дейтерію, для термоядерної реакції потрібен другий компонент, атом якого повинен бути в 3 рази важчим за водень. Це може бути "надважкий водень", який називається тритій, або той самий гелій-3. Тритій на Землі не існує, крім того, він дуже радіоактивний і нестійкий. Для водневих бомб та експериментальних установок тритій годиться, а для "промислових" реакторів - немає (у водневих бомбах тритій утворюється при опроміненні літію нейтронами в результаті реакції: 6 Li + n -> 3 H + 4 He). Термоядерна реакція, що відбувається за участю тритію, описується наступним рівнянням: 2 H + 3 H -> 4 He + n + 17,6 МеВ. Саме така реакція розглядається як основна в проектах, що плануються, зокрема, у створюваному міжнародному проекті ІТЕР.
Однак недоліком такої реакції є, по-перше, необхідність для неї радіоактивного тритію, а, по-друге, те, що в ході такої реакції виникає сильне нейтронне випромінювання. Тому останнім часом створюються проекти безнейтронної термоядерної реакції, паливом для якої служить гелій-3 - легкий ізотоп гелію. Рівняння «безнейтронних» реакцій такі:
3 He + 3 He -> 4 He + 2p + 12,8 МеВ,
3 He + D -> 4 He + p + 8,35 МеВ.
Перевага реакцій на гелії-3 в порівнянні з дейтерієво-тритієвою реакцією в тому, що, по-перше, для неї не потрібно радіоактивних ізотопів як паливо, а, по-друге, енергія, що отримується, уноситься не з нейтронами, а з протонами, з яких отримати енергію буде легше.
Єдина проблема – практична відсутність гелію-3 Землі. Але, як сказано вище, гелій-3 є у місячному ґрунті. Тому для того, щоб мати джерела енергії після того, як добігти кінця викопні види палива, космічні агентства різних країнрозробляють плани будівництва бази на Місяці, який перероблятиме місячний ґрунт (який називається реголіт), видобуватиме з нього гелій-3 і в зрідженому вигляді доставлятиме його на термоядерні електростанції на Землі. Однієї тонни гелію-3 вистачить, щоб забезпечити енергетичні потреби всього людства на кілька років, що окупить усі витрати на створення місячної бази. Буш уже поставив завдання: створити американську місячну базу у 2015-2020 роках.
А що ж сьогодні робиться в Росії? Наведемо добірку повідомлень інформаційних агентств
"Росія може відновити місячну програму протягом кількох років.
15 січня 2004 р.
У Росії обговорюється питання про відновлення програм дослідження Місяця та Марса, заявив ІТАР-ТАРС перший заступник голови Росавіакосмосу Микола Моїсеєв. "До кінця року буде розроблено Федеральну космічну програму до 2015 року, до якої, можливо, увійдуть і ці проекти", - сказав він. За словами Моїсеєва, "з боку вчених надходить багато ініціатив з організації експедицій на Місяць і Марс, проте поки невідомо, яку з них буде включено до федеральної програми".
Місячну програму Росія може реанімувати протягом кількох років, вважає перший заступник генерального директора Науково-виробничого об'єднання ім. Лавочкіна Роальд Кремньов.
"Після згортання радянської програми дослідження супутника Землі наприкінці 70-х років минулого століття ми понад три десятиліття підтримуємо науково-технічні розробки з цієї тематики на сучасному рівні", - стверджує Кремньов. За його словами, нині на підприємстві, де було створено легендарний "місяцехід", "є серйозний доробок з місячних автоматів". Створення та запуск такого апарату, за оцінкою Кремнєва, коштуватиме 600 млн рублів.
Місячні джерела енергії можуть урятувати Землю від глобальної енергетичної кризи, вважає член бюро Ради з космосу РАН, академік Ерік Галімов. Добутий на Місяці та доставлений на Землю тритій може бути використаний для термоядерного синтезу, стверджує вчений.
Джерело: NEWSru.com
Російський вчений пропонує бульдозерами згрібати з Місяця чудо-паливо
23 січня 2004 р.
Академік Російської академіїнаук, член бюро Ради з космосу РАН Ерік Галімов вважає, що потрібно негайно розпочати підготовку до видобутку місячного палива, повідомляє ИТАР-ТАСС. Видобуток гелію-3 на Місяці та вивезення його звідти космічними кораблями, на його думку, можна буде розпочати за 30-40 років.
"Щоб забезпечити на рік все людство енергією, необхідно лише два-три польоти космічних корабліввантажопідйомністю в 10 тонн, які доставлять гелій-3 з Місяця... Витрати на міжпланетну доставку будуть у десятки разів меншими, ніж вартість електроенергії, що виробляється зараз, на атомних електростанціях", - сказав Галімов.
За підрахунками вченого, доставка речовини може розпочатися вже через 30-40 років, але розпочинати роботи в цій галузі потрібно вже зараз. За його словами, на розробку проекту "потрібно лише 25-30 мільйонів доларів". Збирати гелій-3 із місячної поверхні вчений пропонує спеціальними бульдозерами.
Джерело: Lenta.Ru
на минулого тижняу своїй промові, присвяченій новій космічній програмі США, президент Буш оголосив, що на Місяці потрібно створити постійну базу, яка стане першим кроком на шляху до подальшого освоєння космосу людиною. Він також сказав, що місячний ґрунт можна переробляти для отримання ракетного палива та придатного для дихання повітря.
Буш навів як приклад два способи переробки місячного ґрунту, але, взагалі-то, список місячних корисних копалин досить довгий... Наявний у місячному ґрунті кремній можна використовувати для виготовлення сонячних панелей, залізо - для різних металевих конструкцій, алюміній, титан та магній - для створення корабля, який вирушить у космос подалі від Землі.
Ну і, звичайно, на Місяці збираються добувати ізотоп гелій-3, який дуже рідкісний на Землі, а виробництво його в земних умовах дуже дороге.
(за матеріалами SiliconValley.com)
У березні 2003 р. керівництво китайської космічної програми офіційно оголосило про початок робіт із відправлення дослідницького зонду до Місяця. Нещодавно науковий керівникцього проекту академік китайської АН Оуянг Зіюань оголосив про те, що вже на цьому першому етапі дослідження Місяця Китай розраховує зробити великий внесок у науку та розвиток космічних технологій. Отже, китайський місячний проект обіцяє швидко окупити себе.
У ході першого етапу китайської програми дослідження Місяця планується, крім іншого, виміряти товщину місячного грунту, оцінити вік поверхні і визначити кількість наявного там гелію-3 (ізотопа гелію, що дуже рідко зустрічається на Землі, який можна використовувати як паливо для термоядерного реактора)
(За матеріалами SpaceDaily)
Цікаві міркування про космічних програмах, необхідні отримання запасів гелію-3, дані у статті кандидата технічних наук, члена-кореспондента Академії космонавтики ім. К. Е. Ціолковського Юрія Єськова «За чистим паливом – на Уран, опублікованій у Російській газетіАвтор пише, що ще ефективніше, ніж на Місяці, шукати гелій-3 в атмосферах далеких планет гігантів, наприклад, Урана, де гелій-3 становить 1:3000 (що в тисячу разів більше, ніж у місячному. грунті).За пропозицією автора, "Видобуток гелію-3 і доставка його до Землі повинна вестися безпілотними одноразовими космічними апаратами ("танкерами"), електроядерний двигун яких з потужністю 100 000 кВт працює протягом всього двостороннього польоту. За 10 років апарат подолає важко уявну дистанцію в 6 млрд. км.. Зауважимо, що двигун, здатний подолати таку гігантську відстань за прийнятний час (10 років), може працювати тільки на ядерній енергії, використовуючи те ж паливо, що й нинішні АЕС (в принципі можна летіти і на сонячних батареях). батареях, але тоді апарат буде важити сотні тисяч тонн), більше того, зазначений двигун є екологічно дуже "брудним". е, так що ніяких екологічних проблемдля населення Землі не створює.
Система безперебійного постачання наземних ТЯЕС із сумарною потужністю 3 млрд. кВт складатиметься з періодично (чотири разів на рік) “танкерів”, що запускаються з навколоземної орбіти. Запасу палива апарату вистачить лише один кінець: до мети він долетить з порожніми баками. Долетівши до Урану і вийшовши на орбіту, що знаходиться в межах атмосфери планети, "танкер" почне працювати в режимі заводу по розділенню атмосфери, що оточує його на компоненти: зі зрідженого газу виділить товарний гелій-3 і водень, який використовується як паливо для зворотного польоту; Більшість водню і весь традиційний гелій скинуться за борт. Таким чином, зворотна заправка (без якої задача повернення нереалізована) виявляється фактично даровою. Внаслідок польоту на навколоземну орбіту буде доставлено 70 тонн рідкого гелію-3; у кожний момент часу на трасі Земля - Уран буде близько 40 "танкерів".
Виникає природне питання: якою мірою існуючі на сьогодні технології можуть забезпечити функціонування такої системи? Відповідь: більшість цих елементів є, як то кажуть, “у залізі”, інші – лише на рівні далеко просунутих проектно-конструкторських розробок, частково доведених до дослідної стадії. Головна проблема тут – бортова енергоустановка. Наразі накопичено величезний позитивний досвід створення та експлуатації реакторів наземних АЕС з потужністю 4 млн. кВт при ресурсі до 30 років; потужності реакторів атомних підводних човнів досягають 100 000 кВт при ресурсі у десятки років, є й вітчизняний досвід створення та експлуатації унікальних малорозмірних ядерних установок для космічних апаратів із потужностями до 100 кВт; високотемпературні реактори для космічних ядерних двигунів пройшли випробування й у США, й у СРСР. Що стосується розмірів безпілотного апарату, що запускається (450 тонн, у тому числі 200 тонн палива), то він по порядку величини відповідає масі МКС (а в остаточному проекті маса МКС планується ще більшою); сумарний річний вантажопотік на орбіту (1900 тонн) менше, ніж планований для стандартних програм (космічний зв'язок, телемовлення тощо). Переважна більшість елементів такого орбітального гелієво-водневого заводу існує вже сьогодні і діє в кріогенній промисловості». Автор каже, що навіть за сьогоднішнього рівня розвитку техніки такий проект був би цілком економічно рентабельним: «Відпускна ціна електроенергії у світі становить від 5 до 10 центів за кВт. ч. З найпростішої арифметики видно, що доставка з Урану гелію-3 залишатиметься рентабельною навіть за ціною 1 тонни 10 млрд. доларів. Ціна ж виведення на орбіту одного подібного заводу становить 10 млн. доларів за тонну (до речі, така сьогоднішня ціна золота), а в найближчій перспективі багаторазові носії знизять цю ціну до 1 млн. доларів за тонну вантажу, що виводиться.».
Стали вже звичними слова, що наукомісткі галузі (ядерна, космічна та інших.) є локомотивом економіки. Випадок з гелієм-3 – той самий випадок. Цей спосіб, який дозволить вирішити енергетичну проблемуна досить тривалий час, якщо знайдуться можливості знайти кошти для його реалізації, зможе стати шансом на прогрес російських наукомістких галузей: як космонавтики (що є предметом для окремої розмови), так і термоядерної техніки.
На даний момент є два магістральні напрями в термоядерному синтезі: токамаки та лазерний синтез. Перший із цих варіантів зараз реалізується у проекті міжнародного експериментального термоядерного реактора ІТЕР. Цей реактор конструюється за схемою «токамак» (що означає скорочення від фрази «Тороїдальна камера з магнітними котушками»). Принцип дії токамака такий: у плазмовому згустку створюється електричний струм, і навіть, як в будь-якого струму, в нього утворюється власне магнітне полі - потік плазми як би сам стає магнітом. І тоді за допомогою зовнішнього магнітного поля певної конфігурації підвішували плазмову хмару в центрі камери, не дозволяючи їй стикатися зі стінками. У газі завжди є вільні іони та електрони, які починають рухатися у камері по колу. Цей струм нагріває газ, кількість іонізованих атомів зростає, одночасно збільшується сила струму та підвищується температура плазми. Отже, кількість водневих ядер, які злилися в ядро гелію і виділили енергію, дедалі більше. Проте експерименти, розпочаті майже п'ятдесят років тому в московському Інституті атомної енергії, показали, що плазма, підвішена в магнітному полі, виявилася нестійкою – потік плазми дуже швидко розпадався і вивалювався на стінки камери. Виявилося, що до нестійкості наводить комбінація цілого ряду складних фізичних процесів. Крім того, виявилось, що час стійкого утримання плазми зростає зі збільшенням розмірів установки. Найбільша вітчизняна машина ТОКАМАК-15 вже має тороїдальну вакуумну камеру із зовнішнім діаметром "бублика" понад п'ять метрів. Великі дослідні токамаки були побудовані у Росії, Японії, США, Франції, Англії. А кілька років тому фахівці дійшли висновку, що невирішені проблеми, що залишилися, потрібно дослідити на установці, максимально наближеній до реального енергетичного термоядерного реактора. Це розуміння і призвело до робіт зі створення Ітера. Від усіх інших установок і методів цей варіант проведення керованої термоядерної реакції відрізняється насамперед тим, що він здебільшого вже вийшов зі сфери сумнівів та пошуків. Завдяки накопиченій за п'ятдесят років досліджень великій базі фізичних та інженерно-технічних даних він впритул підійшов до стадії експериментального реактора. Це, мабуть, і надихнуло міжнародне співтовариство на створення ІТЕРу – вчені вирішили, що навіть багатій країні немає жодного сенсу робити термоядерний реактор поодинці – результатом будуть знання та досвід, які все одно стануть спільним надбанням і до національної економіки відразу нічого не внесуть. У той же час, об'єднавши зусилля, можна різко прискорити просування до свого працюючого термояду та знизити власні витрати. Тому в 1992 році було підписано угоду про спільне технічне конструювання реактора ІТЕР під егідою МАГАТЕ. А його концептуальне проектування з ініціативи нашої країни розпочалося на чотири роки раніше. До команди проектувальників ІТЕРу увійшли фахівці Європейського союзу, Росії, США та Японії.
Інший напрямок шляху до керованої термоядерної реакції – це лазерний термоядерний синтез (ЛТС). Він полягає в тому, що мета з "сировини" для термоядерної реакції опромінюється з усіх боків лазерними променями, і таким чином там створюються умови, достатні для здійснення термоядерної реакції. Складність у тому, як це здійснити технічно. Моя дисертаційна робота полягає у проведенні комп'ютерного моделювання явища оптичного резонансу у сферичних мішенях при лазерному опроміненні. Розрахунки показують, що за певних умов оптичної мішені відбувається концентрація енергії, за якої можуть виникнути умови, необхідні для термоядерної реакції.
Та держава, яка освоїть технології термоядерного синтезу цю технологію раніше за інших, отримає величезні переваги перед іншими. Для того, щоб Росія не залишилася на задвірках цивілізації та взяла участь у розробці цих проектів, потрібна політична воля керівництва держави, приблизно як це було з радянськими ядерними і космічними проектамиу середині ХХ століття.
Кандидат фізико-математичних наук О. ПЕТРУКОВИЧ.
З легкої руки американського президента наприкінці 2003 року на порядок денний постало питання про нові цілі людства в космосі. Висловлене серед інших пропозицій завдання створення населеної станції на Місяці частково ґрунтується на привабливій ідеї використовувати унікальні місячні запаси гелію-3 для отримання енергії на Землі. Стане в нагоді місячний гелій чи ні, покаже майбутнє, але розповідь про нього досить цікава і дозволяє порівняти наші знання про будову атомного ядра та Сонячної системи з практичними аспектами енергетики та гірничої справи.
Наука та життя // Ілюстрації
Наука та життя // Ілюстрації
Наука та життя // Ілюстрації
Наука та життя // Ілюстрації
Наука та життя // Ілюстрації
Наука та життя // Ілюстрації
Наука та життя // Ілюстрації
НАВІЩО? АБО ЯДЕРНИЙ СИНТЕЗ - АЛХІМІЯ НАЯВУ
Перетворити свинець на золото було мрією середньовічних алхіміків. Як завжди, природа виявилася багатшою за людські фантазії. Реакції ядерного синтезу створили всю різноманітність хімічних елементів, Заклавши матеріальні основи нашого світу. Проте синтез може дати щось значно цінніше, ніж золото, - енергію. Ядерні реакції в цьому сенсі подібні до хімічних (тобто реакцій перетворення молекул): кожна складова речовина, будь то молекула або атомне ядро, характеризується енергією зв'язку, який необхідно витратити, щоб зруйнувати з'єднання, і яка вивільняється при його утворенні. Коли енергія зв'язку продуктів реакції вища, ніж вихідних матеріалів, - реакція йде з виділенням енергії, і, якщо навчитися її забирати в тому чи іншому вигляді, вихідні речовини можна використовувати як паливо. З хімічних процесів найбільш ефективна в цьому сенсі, як відомо, реакція взаємодії з киснем - горіння, яка сьогодні служить основним і незамінним джерелом енергії на електростанціях, на транспорті та в побуті (ще більше енергії виділяється в ході реакції фтору, особливо молекулярного, з воднем) проте і сам фтор, і фтористий водень - речовини надзвичайно агресивні).
Енергія зв'язку протонів і нейтронів у ядрі значно більша, ніж та, що пов'язує атоми в молекули, і її можна в прямому розумінні зважити, користуючись великою формулою Ейнштейна E = mc 2: маса атомного ядра помітно менша за маси окремих протонів і нейтронів, його складових. Тому тонна ядерного палива замінює багато мільйонів тонн нафти. Однак синтез недаремно називається термоядерним: щоб подолати електростатичне відштовхування при зближенні двох позитивно заряджених атомних ядер, потрібно добре розігнати їх, тобто нагріти ядерне паливо до сотень мільйонів градусів (згадаємо, що температура є міра кінетичної енергії частинок). По суті, за таких температур ми маємо справу вже не з газами чи рідинами, а з четвертим станом речовини – плазмою, в якій немає нейтральних атомів, а є лише електрони та іони.
У природі подібні умови, придатні для синтезу, існують лише надрах зірок. Сонце своєю енергією завдячує так званому гелієвому циклу реакцій: синтезу ядра гелію-4 із протонів. У зірках-гігантах і під час вибухів наднових народжуються й важчі елементи, формуючи, таким чином, все розмаїття елементів у Всесвіті. (Правда, вважається, що частина гелію могла утворитися і безпосередньо при народженні Всесвіту, під час Великого вибуху.) Сонце в цьому сенсі не найефективніший генератор, тому що воно горить довго і повільно: процес гальмує перша і найповільніша реакція синтезу дейтерію з двох протонів. Всі наступні реакції йдуть набагато швидше і негайно пожирають доступний дейтерій, кілька етапів переробляючи його в ядра гелію. В результаті, навіть якщо припустити, що в синтезі бере участь лише одна сота сонячної речовини, що знаходиться в його ядрі, енерговиділення становить лише 0,02 Вт на кілограм. Втім, саме цієї повільності, яка пояснюється в першу чергу невеликою, за зоряними мірками, масою світила (Сонце відноситься до категорії субкарликів) і забезпечує постійність потоку сонячної енергії на багато мільярдів років, ми завдячуємо самим існуванням життя на Землі. У зірках-гігантах перетворення матерії в енергію йде значно швидше, але в результаті вони спалюють себе повністю за десятки мільйонів років, не встигнувши навіть до ладу обзавестися планетними системами.
Задумавши провести термоядерний синтез у лабораторії, людина збирається таким чином перехитрити природу, створивши ефективніший і компактніший генератор енергії, ніж Сонце. Однак ми можемо вибрати набагато більш здійсненну реакцію - синтез гелію з дейтерій-тритієвої суміші. Планується, що проектований міжнародний термоядерний реактор - токамак "ІТЕР" зможе досягти порога запалення, від чого, втім, ще дуже далеко до комерційного використання. термоядерної енергії(Див. "Наука і життя" № №, , 2001 р.). Основна проблема, як відомо, у тому, щоб утримати плазму, нагріту до потрібної температури. Так як ніяка стінка за такої температури не уникне руйнування, то утримувати плазмову хмару намагаються. магнітним полем. У водневій бомбізавдання вирішується вибухом невеликого атомного заряду, що стискає та нагріває суміш до необхідної кондиції, але для мирного отримання енергії цей спосіб мало підходить. (Про перспективи так званої вибухової енергетики див. "Наука та життя" № 7, 2002 р.)
Головний недолік дейтерій-тритієвої реакції – висока радіоактивність тритію, період напіврозпаду якого становить лише 12,5 років. Це радіаційно-брудна з доступних реакцій, причому настільки, що в промисловому реакторі внутрішні стінки камери згоряння необхідно буде змінювати через кожні кілька років через радіаційне руйнування матеріалу. Щоправда, найбільш шкідливі радіоактивні відходи, які потребують безстрокового поховання глибоко під землею через велику розпаду, при синтезі не утворюються зовсім. Інша проблема полягає в тому, що енергію, що виділяється, виносять в основному нейтрони. Ці частинки, що не мають електричного заряду, не помічають. електромагнітного поляі взагалі погано взаємодіють із речовиною, тож відібрати у них енергію непросто.
Реакції синтезу без тритію, наприклад за участю дейтерію та гелію-3, практично радіаційно безпечні, тому що в них використовуються тільки стабільні ядра і не виробляються незручні нейтрони. Однак, щоб "запалити" таку реакцію, потрібно, компенсуючи нижчу швидкість синтезу, нагріти плазму вдесятеро сильніше - до мільярда градусів (одночасно вирішивши завдання її утримання)! Тому сьогодні подібні варіанти розглядають як основу майбутніх термоядерних реакторів другого, наступного за дейтерій-тритієвим покоління. Проте ідея цієї альтернативної термоядерної енергетики набула й несподіваних союзників. Прихильники колонізації космосу вважають гелій-3 однією з основних економічних цілей місячної експансії, яка має забезпечити потреби людства у чистій термоядерній енергії.
ДЕ? АБО СОНЯЧНИЙ ГІСТ
На перший погляд проблем з тим, де взяти гелій, не повинно бути: він другий за поширеністю у Всесвіті елемент, а відносний вміст у ньому легкого ізотопу становить трохи менше однієї тисячної частки. Однак для Землі гелій – екзотика. Це дуже леткий газ. Земля не може утримати його своїм тяжінням, і майже весь первинний гелій, що потрапив на неї з протопланетної хмари при утворенні Сонячної системи, повернувся з атмосфери назад у космос. Навіть виявлений гелій був спочатку на Сонці, чому й отримав назву на честь давньогрецького бога Геліоса. Пізніше його знайшли у мінералах, що містять радіоактивні елементи, і, нарешті, виловили в атмосфері серед інших шляхетних газів. Земний гелій має переважно не космічне, а вторинне, радіаційне, походження: при розпаді радіоактивних хімічних елементів вилітають альфа-частинки - ядра гелію-4. Гелій-3 так не утворюється, і тому його кількість на Землі мізерна і обчислюється буквально кілограмами.
Запастись гелієм космічного походження (з відносно великим вмістом гелію-3) можна в атмосферах Урану чи Нептуна – планет досить великих, щоб утримати цей легкий газ, або Сонце. Виявилося, що до сонячного гелію підібратися простіше: весь міжпланетний простір заповнений сонячним вітром, у якому на 70 тисяч протонів припадає 3000 альфа-часток - ядер гелію-4 та одне ядро гелію-3. Вітер цей надзвичайно розріджений, за земними мірками він є справжнісіньким вакуумом, і "сачком" його зловити неможливо. небесних тіл, що не мають магнітосфери та атмосфери, наприклад на Місяці, і, значить, можна спустошити якусь природну пастку, яка справно поповнювалася останні чотири мільярди років. Внаслідок плазмового бомбардування на Місяць за цей час випало кілька сотень мільйонів тонн гелію-3. Якби весь сонячний вітер залишався на поверхні Місяця, то окрім 5 грамів гелію-3 на кожному квадратному метрі поверхні виявилося б у середньому ще 100 кілограмів водню та 16 – гелію-4. З цієї кількості можна було б створити цілком пристойну атмосферу, трохи більше розріджену, ніж марсіанська, або океан рідкого газу двометрової глибини!
Однак нічого подібного на Місяці немає, і лише дуже мала частка іонів сонячного вітру назавжди залишається у верхньому шарі місячного ґрунту – реголіті. Дослідження місячного ґрунту, привезеного на Землю радянськими станціями "Місяць" та американськими "Аполлонами", показали, що гелію-3 у ньому приблизно 1/100-мільйонна частина, або 0,01 грама на 1 тонну. А всього на Місяці близько мільйона тонн цього ізотопу, за земними мірками, дуже багато. При сучасному рівні світового енергоспоживання місячного палива вистачило б на 10 тисяч років, що приблизно в десять разів більше, ніж енергетичний потенціал всього видобутого хімічного палива (газу, нафти, вугілля) на Землі.
ЯК? АБО "У ГРАМ ВИДОБУТУВАННЯ, У РІК ПРАЦІ"
На жаль, ніяких "озер" гелію на Місяці немає, він більш менш рівномірно розсіяний по всьому приповерхневому шару. Проте з технічного погляду процес видобутку досить простий і в подробицях розроблений ентузіастами колонізації Місяця (див., наприклад, www.asi.org).
Щоб забезпечити сучасну річну потребу Землі в енергії, необхідно завезти з Місяця лише близько 100 тонн гелію-3. Саме ця кількість, що відповідає трьом-чотирьом рейсам космічних човників - шатлів, і заворожує своєю доступністю. Однак спочатку треба перекопати близько мільярда тонн місячного ґрунту - не така вже велика кількість за мірками гірничої промисловості: наприклад, вугілля за рік у світі видобувають два мільярди тонн (у Росії - близько 300 мільйонів тонн). Звичайно, вміст гелію-3 у породі не надто великий: наприклад, розробка родовищ вважається економічно ефективною, якщо золота в них міститься не менше кількох грамів, а алмазів – не менше двох каратів (0,4 г) на тонну. У цьому сенсі гелій-3 можна порівняти хіба що з радієм, якого з початку ХХ століття було отримано лише кілька кілограмів: після обробки тонни чистого урану виходить лише 0,4 грама радію, не кажучи вже про проблеми видобутку самого урану. На початку минулого століття, в період романтичного ставлення до радіоактивності, радій був досить популярний і відомий не тільки фізикам, а й лірикам: згадаємо фразу В. В. Маяковського: "Поезія - той самий видобуток радію. У грам видобуток, у рік праці" . Натомість гелій-3 дорожчий за будь-яку речовину, яка використовується людиною, - одна тонна коштувала б як мінімум мільярд доларів, якщо перерахувати енергетичний потенціал гелію в нафтовий еквівалент за незначною ціною 7 доларів за барель.
Газ легко виділяється з реголіту, нагрітого до кількох сотень градусів, скажімо за допомогою дзеркала-концентратора сонячних променів. Не забудемо, що ще треба відокремити гелій-3 від значно більшої кількості інших газів, переважно від гелію-4. Це роблять, охолоджуючи гази до рідкого стану і користуючись незначною різницею температур кипіння ізотопів (4,22 для гелію-4 або 3,19 для гелію-3). Інший витончений спосіб поділу заснований на використанні властивості надплинності рідкого гелію-4, який може самостійно перетекти через вертикальну стінку в сусідню ємність, залишивши по собі лише ненаплинний гелій-3 (див. "Наука і життя" № 2, 2004).
На жаль, займатися всім цим доведеться у безповітряному просторі, не "в тепличних" умовах Землі, а на Місяці. Доведеться переселити туди кілька шахтарських міст, що означає колонізацію Місяця. Зараз за безпекою кількох космонавтів на навколоземній орбіті стежать сотні фахівців і будь-якої миті екіпаж може повернутися на Землю. Якщо в космосі виявляться десятки тисяч людей, їм доведеться жити в умовах вакууму самостійно, без детального нагляду із Землі, та забезпечувати себе водою, повітрям, паливом, основними будівельними матеріалами. Втім, водню, кисню та металів на Місяці достатньо. Багато хто з них може бути отриманий як побічний продукт видобутку гелію. Тоді, мабуть, гелій-3 зможе стати вигідним товаром для торгівлі із Землею. Але оскільки люди, які перебувають у таких складних умовах, потребуватимуть набагато більшої кількості енергії, ніж земляни, місячні запаси гелію-3 можуть здатися нашим нащадкам не такими вже безмежними та привабливими.
До речі, на цей випадок є альтернативне рішення. Якщо вже інженери та фізики знайдуть спосіб впоратися з утриманням у десять разів гарячішою, ніж потрібно для сучасного токамака, гелієвої плазми (завдання, що здається зараз абсолютно фантастичною), то, збільшивши температуру ще всього вдвічі, ми "запалимо" і реакцію синтезу за участю протонів та бору. Тоді всі проблеми з паливом будуть вирішені, причому за набагато меншу ціну: бору в земній корі більше, ніж, наприклад, срібла чи золота, він широко використовується як добавка до металургії, електроніки, хімії. Різних боровмісних солей гірничозбагачувальні комбінати випускають сотні тисяч тонн на рік, а якщо нам не вистачить запасів на суші, то в кожній тоні морської водиміститься кілька грамів бору. І той, у кого в домашній аптечці припасений пляшечку борної кислоти, може вважати, що у нього є власний енергетичний резерв на майбутнє.
Література
Бронштейн М. П. Сонячна речовина. – Терра-книжковий клуб, 2002.
Місячний ґрунт із моря достатку. - М: Наука, 1974.
Підписи до ілюстрацій
Ілл. 1. Гелієвий цикл реакцій ядерного синтезу починається зі злиття двох протонів у ядро дейтерію. На наступних етапах утворюються складніші ядра. Випишемо кілька перших найбільш простих реакцій, які знадобляться нам надалі.
p + p → D + e - + n
D + D → T + p або
D + D → 3 He + n
D + T → 4 He + n
D + 3 He → 4 He +2p
p + 11 Be → 3 4 He
Швидкість реакції визначається ймовірністю подолання електростатичного бар'єру при зближенні двох позитивно заряджених іонів та ймовірністю власне злиття ядер (так званим перерізом взаємодії). Зокрема, що вища кінетична енергія ядра і що менше його електричний заряд, тим більше шансів пройти електростатичний бар'єр і тим вищою є швидкість реакції (див. графік). Ключовий параметр теорії термоядерної енергетики - критерій запалення реакції - визначає, при якій щільності та температурі плазмового палива енергія, що виділяється при синтезі (пропорційна швидкості реакції, помноженої на щільність плазми та час горіння), перевищить витрати на нагрівання плазми з урахуванням втрат та коефіцієнта . Найбільша швидкість реакції дейтерію і тритію, і, щоб досягти запалення, плазму з концентрацією близько 10 14 см -3 необхідно нагріти до півтори сотні мільйонів градусів і утримувати 1-2 секунди. Щоб досягти позитивного балансу енергії в реакціях на інших компонентах - гелії-3 або борі, меншу швидкість треба компенсувати, збільшуючи в десятки разів температуру і щільність плазми. Зате при успішному зіткненні двох ядер виділяється енергія, що в тисячу разів перевершує енергію, витрачену на їхнє нагрівання. Початкові реакції гелієвого циклу, що утворюють дейтерій та тритій у сонячному ядрі, йдуть настільки повільно, що відповідні криві у поле цього графіка не потрапили.
Ілл. 2. Сонячний вітер - це потік розрідженої плазми, що постійно витікає з сонячної поверхніу міжпланетний простір. Вітер забирає лише близько 3х10 -14 сонячної маси на рік, але саме він виявляється основним компонентом міжпланетного середовища, що витісняє міжзоряну плазму з околиць Сонця. Так створюється геліосфера - своєрідна бульбашка радіусом приблизно сто астрономічних одиниць, що рухається разом із Сонцем через міжзоряний газ. До її кордону сьогодні, як сподіваються астрономи, підлітають американські супутники "Вояджер-1" і "Вояджер-2", які незабаром стануть першими космічними апаратами, що залишили межі Сонячної системи. Вперше сонячний вітер виявила радянська міжпланетна станція "Луна-2" у 1959 році, проте непрямі свідчення про наявність корпускулярного потоку від Сонця були відомі і раніше. Саме сонячному вітру жителі Землі завдячують магнітними бурями(Див. "Наука і життя" № 7, 2001 р.). У орбіти Землі вітер містить у середньому лише шість іонів на один кубічний сантиметр, що рухаються з дивовижною швидкістю 450 км/с, що, втім, за масштабами Сонячної системи не так вже й швидко: на подорож до Землі йде три доби. Сонячний вітер на 96% складається з протонів та на 4% з ядер гелію. Домішка інших елементів незначна.
Ілл. 3. Місячний реголіт - це досить пухкий шар на поверхні Місяця завтовшки кілька метрів. В основному він складається з дрібних уламків із середнім розміром менше міліметра, що накопичилися протягом мільярдів років внаслідок руйнування місячних порід при перепадах температури та ударах метеоритів. Дослідження місячного ґрунту показали, що чим більше в реголіті оксидів титану, тим більше і атомів гелію.
Ілл. 4. Наявність титану в приповерхневому шарі досить легко виявляється при дистанційному спектроскопічному аналізі (червоний колір на правому зображенні малюнка, отриманому супутником "Клементину"), і, таким чином, виходить карта "родовищ" гелію, які загалом збігаються з розташуванням місячних морів.
Ілл. 5. Щоб видобути одну тонну гелію-3, потрібно переробити поверхневий шар реголіту на площі щонайменше 100 квадратних кілометрів. Принагідно вдасться отримати і значну кількість інших газів, які стануть у пригоді для облаштування життя на Місяці. Малюнки взяті із сайту
Що має у складі два протони і два нейтрони.
Енциклопедичний YouTube
1 / 5
✪ Гелій - СВЕРХТЕКУЧИЙ І НАЙХОЛОДНІШИЙ ЕЛЕМЕНТ!
✪ Надплинний гелій. Штутгартський університет
✪ Перспективи термоядерної енергетики (розповідає фізик Антон Тюлюсов)
✪ Операція "Гелій"
✪ Операція "Гелій". 3-я серія
Субтитри
хочу порекомендувати вам канал андрея степеня на він знімає відео курс по органічної хіміїдля 10 класу зараз на його каналі доступно більше 40 відео по 12 темам підписуйтесь на канал андрея видавати і грі на 100 балів і так сьогодні я розповім вам про найпоширеніший шляхетний газ у найближчому всесвіту який до того ж ще може набувати унікальних надплинних властивостей при вкрай низьких температурах зустрічайте гелій у періодичної таблиціцей елемент знаходиться у верхньому правому кутку його дуже легко знайти під номером 2 я думаю що з цим інертним газом сьогодні люди знайомляться самого дитинства так як через свою легкість щодо повітря гелій відмінно підходить для надування святкових кульок які так подобаються дітям це все через того що молярна маса гелію приблизно в сім разів менша молярні масиповітря але все ж таки за поширеністю гелі на землі вкрай рідкісний у повітрі його знаходиться лише одна частина на мільйон основна частка одержуваного гелію для тих же кульок припадає на природний газ в якому концентрація гелію може досягати до семи відсотків за масою все тому що в результаті радіоактивного розпаду урану або торію в земній корі гелій може накопичуватися в підземних порожнечах з природним газом і не випаровуватися в атмосферу проте якщо брати масштабніше то у всьому осяжному всесвіті або займе почесне друге місце за поширеністю серед усіх елементів поступившись тільки водню і утворюючи при цьому від всіх атомів ви тільки уявіть собі що всі атоми важче гель утворює всього лише два відсотки від маси всієї маси матерії тут можна відчути наскільки ми малі в масштабах всесвіту основна частина справи знаходиться у складі зірок або ж в атмосфері газових гігантів в яких як і у всій Всесвіту міститься близько 20% нтов справі за масою за сьогоднішніми даними основна частина гелю, що знаходиться в космосі, утворилася під час великого вибухублизько 14 мільярдів років тому давайте тепер повернемося з небес на землю і розглянемо властивості цього газу в більш відчутних експеримент у мене є невелика ампул з гелію який знаходиться при дуже низькому тиску приблизно одна сота від атмосферного видно що гель і не має кольору крім цього він ще не має ні смаку ні запаху це ви могли дізнатися якщо коли-небудь пробували дихати цим газом проте такі досліди вкрай небезпечні так як наші клітини не дихає гелію їм потрібен кисень для цього це навіть змусило нинішніх продавців гелевих балонів для кульок додавати до 20 відсотків кисню що ви висіли на вечірках стала більш безпечним якщо через окулус гелем пропустити високочастотний розряд високої напругито він почне світитися тьмяний помаранчевим кольоромяскравість якого буде залежати від напруги і від діаметра ампули я використовував як джерело напруги генератора дпла знав про і що дало мені можливість тримати ампулу прямо в руці і за наявність електричної ємності у мого тіла в принципі як у будь-якого іншого на відміну від неї на або ксенону гелій спалахує вже на відстані від проводу генератора так як має менше енергію іонізації на жаль з хімічної точки зору справі зовсім не блищить цікавими властивостями він не реагує практично з жодною речовиною хоча все ж у вигляді плазми схоже на те, що ви бачите в ампулі гелі може утворювати вкрай нестабільне з'єднання з воднем дейтерієм або деякими металами, а при великому тиску тисяч атмосфер навіть утворюються особливі речовини. звичайних умовах але не потрібно засмучувати Адже гель володіє найцікавішими і унікальними фізичними властивостямиз усіх газів справа в тому що при охолодженні до температури в 42 кельвіна справі стає найлегшою і холодною рідиною щільність якої майже в 10 разів менше щільності води в градусах цельсія рідкий гелій виходить при божевільних мінус двісті шістдесят вісім градусів що дуже холодно настільки холодно що деякі метали при такій температурі стає понад провідниками наприклад ртуть або ніобій щоб підтримувати таку низьку температуру рідкий гелій знаходиться в подвійній посудині дьюара який ще зовні охолоджують рідким азотом таку ж технологію охолодження рідкого гелію використовують і в сучасних апаратах для створення ядерно магнітного ніобію охолоджують рідким гелієм який через високу дорожнечу в свою чергу охолоджують дешевшим рідким азотом таким чином рідкий гель і служить медицині а також для дослідження вчених але найцікавіше ще попереду до цього я розповідала вам про першу форму рідкого г елія так званий гелій 1 якщо ж її почати охолоджувати за допомогою зниження тиску в посудині, то рідкий гелій врешті-решт перейде так звану лінда. а саме охолоне нижче температури вдвічі сімнадцять сотих кельвінів і стане другої форми рідкого гелію після цього кипіння рідини миттєво припиняється і рідкий гелій кардинально змінює свої властивості при такій температурі теплопровідного рідкого гелію збільшуватися в мільйони разів і стаємо вищим ніж у міді або срібла тому рідина і не кипить тому що тепло передається миттєво і рівномірно по всьому об'єму крім цього при досягненні лямбда точки гелій стаємо надплинною рідиною тобто втрачає абсолютно всю в'язкість а саме опір однієї частини рідини руху відносно іншої є відмінний експеримент який це доводить якщо налити в невелику підвішену чашку над гелію то зможе підніматися по стінки ємності у вигляді тонкої плівки і витікати з чашки крім того він з легкістю проходить через шар кераміки з величиною пор близько одного мікрона і чим нижче температура рідкого гелію тим простіше ця рідина проходить через бар'єр. Ще те що у рідкого гелію в такому охолодженому вигляді все ж є в'язкість яку видно на 2 шляху перетворення циліндра шари рідини все ж таки передають обертання на лопаті зверху так як це може бути а тут вже грають роль інші квантові механізми чия поведінка і так кардинально відрізняється від законів класичної механікив'язкість вона як би є але я і одночасно немає ось як це можна в принципі охарактеризувати і до речі вперше явища надплинності рідкого гелію відкрив радянський вчений Петро капиця 1938 а вже в 1962 лев ландау розробив теорію цього ефекту думайте це все а ось і немає нас знову чекає тема зірок і космічних польотів до цього я розповідав вам про найпоширеніший ізотоп гелі та гелій 4 у якого є два протони і два нейтрони однак є ще вкрай рідкісні ізотопу гелій-3 у якого два протони і один нейтрон справа в тому що цей ізотоп відмінно підходить для проведення реакцій термоядерного синтезу з дейтерієм і в теорії цей процес може допомогти людству відмовитися від викопного палива, але ось проблема в тому, що на землі цей ізотоп неймовірно рідкісний, тому що відразу ж випаровується з атмосфери, а ось на місяці у якої атмосфера немає цей ізотоп. набагато краще зберігається гіпотетично люди могли б добувати гелій-3 з місячного пилу реголіту і використовувати до як джерело енергії на землі але поки що це всього лише здається фантастикою на цю тему зняли навіть відмінний фільм місяць 2112 рекомендую до перегляду і в результаті можна сказати що таке звичайність виду газ гелій має дивовижними властивостями при низьких температурах його властивості зараз використовується повсюдно наприклад у медицині або для наукових дослідженьв якій наприклад газоподібний гелій використовується як газ носій у хроматографії ну а якщо вам сподобалося це відео не забудьте підписатися на канал і натиснути на дзвіночок і поставити лайк щоб у майбутньому дізнатися ще багато нового та цікавого
Поширеність
Відкриття
Існування гелію-3 було припущено австралійським ученим Марком Оліфантом під час роботи в Кембриджському університеті. Остаточно відкрили цей ізотоп Луїс Альварес і Роберт Корног в .
Фізичні властивості
Отримання
Нині гелій-3 не видобувається з природних джерел (Землі доступні незначні кількості гелію-3, надзвичайно важкі для видобутку), а створюється при розпаді штучно отриманого тритію.
Вартість
Середня ціна гелію-3 у 2009 році становила, за деякими оцінками, близько 930 USD за літр.
Плани видобутку гелію-3 на Місяці
Гелій-3 є побічним продуктом реакцій, що протікають на Сонці, і в деякій кількості міститься в сонячному вітрі та міжпланетному середовищі. гелій-3, що потрапляє в атмосферу Землі з міжпланетного простору, швидко дисипує, зворотно, його концентрація в атмосфері надзвичайно низька.
Гіпотетично, при термоядерному синтезі, коли в реакцію вступає 1 тонна гелію-3 з 0,67 тоннами дейтерію, вивільняється енергія, еквівалентна згорянню 15 млн тонн нафти (проте на даний момент не вивчена технічна можливість здійснення цієї реакції). Отже, населенню нашої планети місячного ресурсу гелію-3 (за максимальними оцінками) могло б вистачити приблизно п'ять тисячоліть. Основною проблемою залишається реальність видобутку гелію з місячного реголіту. Як згадано вище, вміст гелію-3 у реголіті становить ~1 г на 100 т. Тому для видобутку тонни цього ізотопу слід переробити на місці не менше 100 млн тонн ґрунту.
Використання
Лічильники нейтронів
Газові лічильники, наповнені гелієм-3, використовуються для детектування нейтронів. Це найпоширеніший метод виміру нейтронного потоку. Вони відбувається реакція
n+ 3 He → 3 H + 1 H + 0,764 МеВ.Заряджені продукти реакції - тритон і протон - реєструються газовим лічильником, що працює в режимі пропорційного лічильника чи лічильника Гейгера-Мюллера.
Отримання наднизьких температур
Шляхом розчинення рідкого гелію-3 в гелії-4 досягають міллікельвінових температур.
Медицина
Гелій-3 як ядерне паливо
Реакція 3 Не + D → 4 Не + p має ряд переваг у порівнянні з найбільш досяжною в земних умовах дейтерієво-тритієвою реакцією T + D → 4 Не + n. До цих переваг відносяться:
- У десятки разів нижчий потік нейтронів із зони реакції, що різко зменшує наведену радіоактивність та деградацію конструкційних матеріалів реактора;
- Отримані протони, на відміну від нейтронів, легко вловлюються і можуть бути використані для додаткової генерації електроенергії, наприклад, МГД-генераторі ;
- Вихідні матеріали для синтезу неактивні та їх зберігання не потребує особливих запобіжних заходів;
- При аварії реактора з розгерметизацією активної зони радіоактивність викиду близька до нуля.
До недоліків гелій-дейтерієвої реакції слід віднести значно вищий температурний поріг. Необхідно досягти температури приблизно в 10 9 К через Кулонівський бар'єр, щоб вона могла початися. А за меншої температури термоядерна реакція злиття ядер дейтерію між собою протікає набагато охочіше, і реакції між дейтерієм і гелієм-3 не відбувається.
У мистецтві
У фантастичних творах (іграх, фільмах, аніме) гелій-3 іноді виступає як основне паливо і як цінний ресурс, що видобувається в тому числі на Місяці.
Основою сюжету британського науково-фантастичного фільму 2009 року «Луна-2112» є робота гірничодобувного комплексу компанії «Лунар». Комплекс забезпечує видобуток ізотопу гелій-3, за допомогою якого вдалося зупинити катастрофічну енергетичну кризу на Землі.
У політичній комедії «Залізне-небо» місячний гелій-3 став причиною міжнародного ядерного конфлікту за право видобутку.
В анімі « Planetesгелій-3 використовується як паливо для двигунів ракет і т.д.
Література
- Dobbs E. R. Helium Three. - Oxford University press, 2000. ISBN 0-19-850640-6
- Галімов Е. М. Якщо в тебі є енергія, ти можеш витягти все - Рідкісні землі. 2014. № 2. С. 6-12.
- The Helium-3 Shortage: Supply, Demand, and Options forCongress // FAS, December 22, 2010
Примітки
- Audi G., Wapstra A. H., Thibault C.
Напевно мало чого в галузі термоядерної енергетики оточено міфами, як Гелій 3. У 80х-90х він був активно популяризований, як паливо, яке вирішить усі проблеми керованого термоядерного синтезу, а так само як один із приводів вибратися із Землі (т.к. землі його буквально лічені сотні кілограм, а на місяці мільярд тонн) і зайнятися, нарешті, освоєнням сонячної системи. Все це базується на дуже дивних уявленнях про можливості, проблеми та потреби неіснуючої сьогодні термоядерної енергетики, про що ми й поговоримо.
Машина для видобутку гелію3 на місяць вже готова, справа за малим - знайти йому застосування.
Коли говорять про гелій3, то мають на увазі реакції термоядерного злиття He3+D -> He4+Hабо He3 + He3 -> 2He4 + 2H. Порівняно з класичною D + T -> He4 +nу продуктах реакції немає нейтронів, а отже немає активації наденергійними нейтронами конструкції термоядерного реактора. Крім того, проблемою вважається той факт, що нейтрони з “класики” забирають з плазми 80% енергії, тому баланс самонагріву настає за більшої температури. Ще одним записуваним гелієвим варіантом перевагою є те, що електроенергію можна знімати прямо з заряджених частинок реакції, а не нагріванням нейтронами води - як у старих вугільних електростаціях.
Так ось, все це - неправда, точніше, дуже маленька частина правди.
Почнемо з того, що при однаковій щільності плазми та оптимальній температурі реакція He3 + D дасть в 40 разів меншеенерговиділення на кубометр робочої плазми При цьому температура, потрібна для хоча б 40-кратного розриву буде в 10 разів вище - 100 кЕв (або один мільярд градусів) проти 10 для D+T. Сама по собі, така температура цілком досяжна (рекорд токамаків на сьогодні - 50 кЕв, всього вдвічі гірше), але щоб зав'язати енергобаланс (швидкість охолодження VS швидкість нагріву в т.ч. самонагрівання) нам потрібно підняти в 50 разів енерговиділення з кубометра He3 +D реакції, що можна зробити тільки піднявши щільність у ті ж у 50 разів. У поєднанні з температурою, що виросла в 10 разів, це дає збільшення тиску плазми у 500 разів- з 3-5 атм до 1500-2500 атм, і таке ж збільшення протитиску, щоб цю плазму втримати.
Зате картинки надихають.
Пам'ятаєте, я писав, що магніти тороїдального поля ІТЕР, які створюють протитиск плазмі – абсолютно рекордні вироби, єдині за параметрами у світі? Так ось, шанувальники He3 пропонують зробити магніти у 500 разів потужнішими.
Ок, забудемо про складності, може переваги цієї реакції їх окупають?
Різні термоядерні реакції, які застосовуються для УТС. He3 + D дає трохи більше енергії, ніж D + T, але на подолання кулонівського відштовхування витрачається дуже багато енергії (заряд 3 а не 2), тому реакція йде повільно.
Почнемо із нейтронів. Нейтрони в промисловому реакторі будуть являти собою серйозну проблему, пошкоджувати матеріали корпусу, гріти всі елементи звернені до плазми настільки, що їх доведеться охолоджувати пристойною витратою води. А головне - активація матеріалів нейтронами призведуть до того, що й через 10 років після зупинки термоядерного реактора у ньому буде тисячі тонн радіоактивних конструкцій, які неможливо розбирати руками, і які вилежатимуть уже у сховищі сотні та тисячі років. Звільнення від нейтронів явно полегшило б завдання створення термоядерної електростанції.
Частка енергії, що забирається нейтронами. Якщо додати більше He3 в реактор, то можна знизити її до 1%, але це посилить умови запалювання.
Ок, ну а як щодо прямого перетворення енергії заряджених частинок на електрику? Досліди показують, що потік іонів з енергією 100 кЕв можна перетворити на електрику з 80% ккд. У нас тут немає нейтронів…. ну в сенсі вони не несуть всю енергію, яку ми можемо отримати тільки у вигляді тепла - давайте позбавимося парових турбін і поставимо іонні колектори?
Так, технології прямого перетворення енергії плазми на електроенергію є, вони активно досліджувалися в 60х-70х, і показали ккд в районі 50-60% (не 80, треба помітити). Однак ця ідея слабо застосовна як у D+T реакторах, так і в He3+D. Чому це так, допомагає зрозуміти ось ця картинка.
На ній показані втрати тепла плазмою різними каналами. Порівняйте D+T та D+He3. Transport - це те, що можна використовувати для прямого перетворення енергії плазми на електрику. Якщо в D+T варіанті у нас все забирають мерзенні нейтрони, то у випадку He3+D все забирає електромагнітне випромінювання плазми, в основному синхротронне та рентгенівське гальмівне (на картинці Bremsstrahlung). Ситуація практично симетрична, все одно треба відводити тепло від стін і все одно прямим перетворенням ми не можемо витягнути більше 10-15%енергії термоядерного горіння, а решта - по-старому, через паросилову машину.
Ілюстрація у дослідженні з прямого перетворення енергії плазми на найбільшій відкритій пастці Gamma-10 у японії.
Крім теоретичних обмежень є й інженерні - у світі (в т.ч. в СРСР) було витрачено гігантські зусилля на створення установок прямого перетворення енергії плазми на електрику для звичайних електростанцій, що дозволяло підняти ккд з 35% до 55%. Здебільшого з урахуванням МГД-генераторов. 30 років роботи великих колективів закінчилися пшиком – ресурс установки становив сотні годин, коли енергетикам потрібні тисячі та десятки тисяч. Гігантська кількість ресурсів, витрачена на цю технологію, призвела, зокрема, до того, що наша країна відстала у виробництві енергетичних газових турбін та установок парогазотурбінного циклу (які дають рівно таке ж підвищення ккд - з 35 до 55%!).
До речі, потужні надпровідні магніти потрібні для МГД-генераторів. Тут показані СП магніти для 30 мегаватного МГД-генератора.
