Термоядерная реакция гелий 3. Гелий3 - мифическое топливо будущего
Общее количество гелия-3 в атмосфере Земли оценивается всего лишь в 35 000 т. Его поступление из мантии в атмосферу (через вулканы и разломы в коре) составляет несколько килограммов в год. В лунном реголите гелий-3 постепенно накапливался в течение сотен миллионов лет облучения солнечным ветром. В результате тонна лунного грунта содержит 0,01 г гелия-3 и 28 г гелия-4; это изотопное соотношение (~0,04%) значительно выше, чем в земной атмосфере.
Амбициозные планы добычи гелия-3 на Луне, на полном серьезе рассматриваемые не только космическими лидерами (Россия и США), но и новичками (Китай и Индия), связаны с надеждами, которые возлагают на этот изотоп энергетики. Ядерная реакция 3Не+D→4Не+p имеет ряд преимуществ по сравнению с наиболее достижимой в земных условиях дейтериево-тритиевой реакцией T+D→4Не+n.
К этим преимуществам относится в десятки раз более низкий поток нейтронов из зоны реакции, что резко уменьшает наведенную радиоактивность и деградацию конструкционных материалов реактора. Кроме того, один из продуктов реакции — протоны — в отличие от нейтронов, легко улавливаются и могут быть использованы для дополнительной генерации электроэнергии. При этом и гелий-3, и дейтерий неактивны, их хранение не требует особых мер предосторожности, а при аварии реактора с разгерметизацией активной зоны радиоактивность выброса близка к нулю. Есть у гелий-дейтериевой реакции и серьезный недостаток — значительно более высокий температурный порог (для начала реакции требуется температура порядка миллиарда градусов).
Хотя все это дело будущего, гелий-3 чрезвычайно востребован и сейчас. Правда, не для энергетики, а для ядерной физики, криогенной промышленности и медицины.
Магнитно-резонансная томография
С момента своего появления в медицине магнитно-резонансная томография (МРТ) стала одним из основных диагностических методов, позволяющих без всякого вреда заглянуть «внутрь» различных органов.
Примерно 70% массы человеческого тела приходится на водород, ядро которого, протон, обладает определенным спином и связанным с ним магнитным моментом. Если поместить протон во внешнее постоянное магнитное поле, спин и магнитный момент ориентируются либо вдоль поля, либо навстречу, причем энергия протона в первом случае будет меньше, чем во втором. Протон можно перевести из первого состояния во второе, передав ему строго определенную энергию, равную разнице между этими энергетическими уровнями, — например, облучая его квантами электромагнитного поля с определенной частотой.
Как намагнитить гелий-3
Простейшим и самым прямым способом намагнитить гелий-3 является его охлаждение в сильном магнитном поле. Однако эффективность этого метода весьма низка, к тому же он требует сильных магнитных полей и низких температур. Поэтому на практике применяют метод оптической накачки — передачи атомам гелия спина от поляризованных фотонов накачки. В случае с гелием-3 это происходит в два этапа — оптическая накачка в метастабильном состоянии и спиновый обмен между атомами гелия в основном и метастабильном состоянии. Технически это реализуется путем облучения лазерным излучением с круговой поляризацией ячейки с гелием-3, переведенного в метастабильное состояние слабым высокочастотным электрическим разрядом, в присутствии слабого магнитного поля. Поляризованный гелий можно хранить в сосуде с внутренним покрытием из цезия при давлении 10 атмосфер в течение порядка 100 часов.
Именно так и устроен МР-томограф, только обнаруживает он не отдельные протоны. Если поместить образец, содержащий большое количество протонов в мощное магнитное поле, то количества протонов с магнитным моментом, направленным вдоль и навстречу полю, окажутся примерно равными. Если начать облучать этот образец электромагнитным излучением строго определенной частоты, все протоны с магнитным моментом (и спином) «вдоль поля» перевернутся, заняв положение «навстречу полю». При этом происходит резонансное поглощение энергии, а во время процесса возвращения к исходному состоянию, называемому релаксацией, — переизлучение полученной энергии, которое можно обнаружить. Это явление и называется ядерным магнитным резонансом, ЯМР. Средняя поляризация вещества, от которой зависит полезный сигнал при ЯМР, прямо пропорциональна напряженности внешнего магнитного поля. Чтобы получить сигнал, который можно обнаружить и отделить от шумов, требуется сверхпроводящий магнит — только ему под силу создать магнитное поле с индукцией порядка 1−3 Тл.
Магнитный газ
МР-томограф «видит» скопления протонов, поэтому отлично подходит для изучения и диагностики мягких тканей и органов, содержащих большие количества водорода (в основном в виде воды), а также дает возможность различать магнитные свойства молекул. Таким способом можно, скажем, отличить артериальную кровь, содержащую гемоглобин (основной переносчик кислорода в крови), от венозной, содержащей парамагнитный дезоксигемоглобин, — именно на этом основана фМРТ (функциональная МРТ), позволяющая отслеживать активность нейронов головного мозга.
Но, увы, такая замечательная методика, как МРТ, совершенно не приспособлена для изучения заполненных воздухом легких (даже если наполнить их водородом, сигнал от газообразной среды с низкой плотностью будет слишком слаб на фоне шумов). Да и мягкие ткани легких не слишком хорошо видны с помощью МРТ, поскольку они «пористые» и содержат мало водорода.
Можно ли обойти это ограничение? Можно, если использовать «намагниченный» газ — в этом случае средняя поляризация будет определяться не внешним полем, потому что все (или почти все) магнитные моменты будут ориентированы в одном направлении. И это вовсе не фантастика: в 1966 году французский физик Альфред Кастлер получил Нобелевскую премию с формулировкой «За открытие и разработку оптических методов исследования резонансов Герца в атомах». Он занимался вопросами оптической поляризации спиновых систем — то есть как раз «намагничиванием» газов (в частности, гелия-3) с помощью оптической накачки при резонансном поглощении фотонов с круговой поляризацией.
Ядерный магнитный резонанс использует магнитные свойства ядер водорода — протонов. Без внешнего магнитного поля магнитные моменты протонов ориентированы произвольно (как на первом изображении). При наложении мощного магнитного поля магнитные моменты протонов ориентируются параллельно полю — либо «вдоль», либо «навстречу». Два этих положения имеют разную энергию (2). Радиочастотный импульс с резонансной частотой, соответствующей разнице энергий, «переворачивает» магнитные моменты протонов «навстречу» полю (3). После окончания радиочастотного импульса происходит обратный «переворот», и протоны излучают на резонансной частоте. Этот сигнал принимается радиочастотной системой томографа и используются компьютером для построения изображения (4).
Дышите глубже
Пионерами использования поляризованных газов в медицине стала группа исследователей из Принстона и Нью-йоркского университета в Стони-Брук. В 1994 году ученые опубликовали в журнале Nature статью, в которой впервые было продемонстрировано изображение легких мыши, полученное с помощью МРТ.
Правда, МРТ не совсем стандартной — методика была основана на отклике не ядер водорода (протонов), а ядер ксенона-129. К тому же газ был не совсем обычным, а гиперполяризованным, то есть заранее «намагниченным». Так родился новый метод диагностики, который вскоре начали применять и в человеческой медицине.
Гиперполяризованный газ (обычно в смеси с кислородом) попадает в самые дальние закоулки легких, что дает возможность получить МРТ-снимок с разрешением на порядок выше лучших рентгеновских снимков. Можно даже построить детальную карту парциального давления кислорода в каждом участке легких и потом сделать заключение о качестве кровяного потока и диффузии кислорода в капиллярах. Эта методика позволяет изучить характер вентиляции легких у астматиков и контролировать процесс дыхания критических пациентов на уровне альвеол.
Как работает МРТ. МР-томограф обнаруживает скопления протонов — ядер атомов водорода. Поэтому МР-томография показывает различия в содержании водорода (в основном воды) в различных тканях. Существуют и другие способы отличать одну ткань от другой (скажем, различия в магнитных свойствах), которые применяются в специализированных исследованиях.
Достоинства МРТ с использованием гиперполяризованных газов этим не ограничиваются. Поскольку газ гиперполяризован, уровень полезного сигнала оказывается значительно выше (примерно в 10000 раз). Это означает, что отпадает необходимость в сверхсильных магнитных полях, и приводит к конструкции так называемых слабопольных МР-томографов — они дешевле, мобильнее и гораздо просторнее. В таких установках используются электромагниты, создающие поле порядка 0,005 Тл, что в сотни раз слабее стандартных МР-томографов.
Маленькое препятствие
Хотя первые эксперименты в этой области проводились с гиперполяризованным ксеноном-129, вскоре его заменил гелий-3. Он безвреден, позволяет получать более четкие изображения, чем ксенон-129, имеет в три раза больший магнитный момент, что обусловливает более сильный сигнал в ЯМР. Кроме того, обогащение ксенона-129 из-за близости массы с другими изотопами ксенона — дорогой процесс, да и достижимая поляризация газа существенно ниже, чем у гелия-3. К тому же ксенон-129 обладает седативным эффектом.
Но если слабопольные томографы просты и дешевы, почему же метод МРТ с гиперполяризованным гелием не используется сейчас в каждой поликлинике? Есть одно препятствие. Но зато какое!
Наследие холодной войны
Единственный способ получения гелия-3 — распад трития. Большая часть запасов 3He обязана своим происхождением распаду трития, произведенного во время ядерной гонки вооружений в период холодной войны. В США к 2003 году было накоплено примерно 260 000 л «сырого» (неочищенного) гелия-3, а к 2010 году осталось только 12000 л незадействованного газа. В связи с возрастанием спроса на этот дефицитный газ в 2007 году даже было восстановлено производство ограниченных количеств трития, и до 2015 года планируется дополнительно получать по 8000 л гелия-3 ежегодно. При этом годовой спрос на него уже сейчас составляет не менее 40 000 л (из них только 5% используется в медицине). В апреле 2010 года американский Комитет по науке и технологии США сделал вывод, что нехватка гелия-3 приведет к реальным негативным последствиям для многих областей. Даже ученые, работающие в ядерной отрасли США, испытывают трудности с приобретением гелия-3 из запасов государства.
Охлаждение смешиванием
Еще одна отрасль, которая не может обойтись без гелия-3 — это криогенная промышленность. Для достижения сверхнизких температур применяется т.н. рефрижератор растворения, который использует эффект растворения гелия-3 в гелии-4. При температуре ниже 0.87 К смесь разделяется на две фазы — богатую гелием-3 и гелием-4. Переход между этими фазами требует энергии, и это дает возможность охлаждения до очень низких температур — до 0,02 К. Простейшее такое устройство имеет достаточный запас гелия-3, который постепенно перемещается через границу раздела фаз в фазу, богатую гелием-4 с поглощением энергии. Когда запас гелия-3 закончится, устройство не сможет работать далее — оно «одноразовое».
Именно такой способ охлаждения, в частности, использовался в орбитальной обсерватории Planck Европейского космического агентства. В задачу «Планка» входила регистрация анизотропии реликтового излучения (с температурой около 2,7 К) с высоким разрешением с помощью 48 болометрических детекторов HFI (High Frequency Instrument), охлаждаемых до 0,1 К. До того, как запас гелия-3 в системе охлаждения был исчерпан, «Планк» успел сделать 5 снимков неба в микроволновом диапазоне.
Аукционная цена гелия-3 колеблется в районе $2000 за литр, причем никаких тенденций к снижению не наблюдается. Дефицит этого газа обусловлен тем, что основная часть гелия-3 используется для изготовления нейтронных детекторов, которые применяются в устройствах для обнаружения ядерных материалов. Такие детекторы регистрируют нейтроны по реакции (n, p) — захвату нейтрона и испусканию протона. А чтобы засечь попытки завоза ядерных материалов, таких детекторов требуется очень много — сотни тысяч штук. Именно по этой причине гелий-3 стал фантастически дорог и малодоступен для массовой медицины.
Впрочем, надежды есть. Правда, возлагаются они не на лунный гелий-3 (его добыча остается отдаленной перспективой), а на тритий, образующийся в тяжеловодных реакторах типа CANDU, которые эксплуатируются в Канаде, Аргентине, Румынии, Китае и Южной Корее.
Состав и строение
Физические свойства
Использование
Счётчики нейтронов
Газовые счётчики, наполненные гелием-3, используются для детектирования нейтронов. Это наиболее распространённый метод измерения нейтронного потока. В них происходит реакция
n + 3 He → 3 H + 1 H + 0,764 МэВ.Заряженные продукты реакции - тритон и протон - регистрируются газовым счётчиком, работающим в режиме пропорционального счётчика или счётчика Гейгера-Мюллера.
Получение сверхнизких температур
Путём растворения жидкого гелия-3 в гелии-4 достигают милликельвиновых температур.
Медицина
Поляризованный гелий-3 (он может долго храниться) недавно начал использоваться в магнитно-резонансной томографии для получения изображения лёгких с помощью ядерного магнитного резонанса .
Стоимость
Средняя цена гелия-3 в 2009 году составила $930 за литр .
Гелий-3 как ядерное топливо
Реакция 3 Не + D → 4 Не + p имеет ряд преимуществ по сравнению с наиболее достижимой в земных условиях дейтериево-тритиевой реакцией T + D → 4 Не + n. К этим преимуществам относятся:
К недостаткам гелий-дейтериевой реакции следует отнести значительно более высокий температурный порог. Необходимо достигнуть температуры приблизительно в миллиард градусов, чтобы она могла начаться.
В настоящее время гелий-3 не добывается из природных источников, а создаётся искусственно, при распаде трития. Последний производился для термоядерного оружия путём облучения бора-10 и лития-6 в ядерных реакторах.
Планы добычи гелия-3 на Луне
Гелий-3 является побочным продуктом реакций, протекающих на Солнце . На Земле его добывают в очень небольших количествах, исчисляемых несколькими десятками граммов за год.
Нестабильные (менее суток) : 5 He: Гелий-5, 6 He: Гелий-6, 7 He: Гелий-7, 8 He: Гелий-8, 9 He: Гелий-9, 10 He: Гелий-10
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Гелий-3" в других словарях:
- (лат. Helium) Не, химический элемент VIII группы периодической системы, атомный номер 2, атомная масса 4,002602, относится к благородным газам; без цвета и запаха, плотность 0,178 г/л. Сжижается труднее всех известных газов (при 268,93 .С);… … Большой Энциклопедический словарь
- (греч., от helyos солнце). Элементарное тело, открытое в солнечном спектре и имеющееся на земле в некоторых редких минералах; в ничтожном количестве входит в состав воздуха. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н … Словарь иностранных слов русского языка
- (символ Не), газообразный неметаллический элемент, БЛАГОРОДНЫЙ ГАЗ, открытый в 1868 г. Впервые получили из минерала клевита (разновидности уранита) в 1895 г. В настоящее время основным источником его является природный газ. Содержится также в… … Научно-технический энциклопедический словарь
Я, муж. , стар. Елий, я.Отч.: Гелиевич, Гелиевна.Производные: Геля (Гела); Еля.Происхождение: (От греч. hēlios солнце.)Именины: 27 июля Словарь личных имён. Гелий См. Эллий. День Ангела. Справоч … Словарь личных имен
ГЕЛИЙ - хим. элемент, символ Не (лат. Helium), ат. н. 2, ат. м. 4,002, относится к инертным (благородным) газам; без цвета и запаха, плотность 0,178 кг/м3. В обычных условиях Г. одноатомный газ, атом которого состоит из ядра и двух электронов; образуется … Большая политехническая энциклопедия
- (Helium), He, химический элемент VIII группы периодической системы, атомный номер 2, атомная масса 4,002602; относится к благородным газам; самое низкокипящее вещество (tкип 268,93шC), единственное не отвердевающее при нормальном давлении;… … Современная энциклопедия
Из всех атомов гелия, которые существуют на Земле, 99,999862% атомов имеют массу, в 4 раза превышающую массу атома водорода. Это "гелий-4". Его атомные ядра – это альфа-частицы, которые образуются при радиоактивном распаде. А остальные 0,000138% атомов гелия тяжелее атома водорода лишь в 3 раза. Это и есть гелий-3.
Соотношение гелия-3 и гелия-4 в масштабах Вселенной существенно иное - там количество этих изотопов различается примерно на один порядок. В метеоритном веществе и в лунных породах содержание гелия-3 колеблется от 17 до 32% от всего количества гелия. Миллиарды лет назад на Земле соотношение гелия-4 и гелия-3 было такое же, как и во всей Вселенной. Однако за прошедшее в тех пор время гелий, образовавшийся при первичном нуклеосинтезе, полностью улетучился из земной атмосферы. И весь гелий, который сегодня есть на Земле, образовался в результате радиоактивного распада. То есть на Земле существует практически только гелий-4. А гелий-3 образуется только на Солнце в результате происходящих там термоядерных реакций (в основном на Солнце образуется гелий-4, но и гелия-3 там образуется тоже немало). С Солнца эти элементы разлетаются в пространство в виде так называемого "солнечного ветра" (особый вид космических лучей). На Землю и другие планеты "солнечный ветер" не попадает: мешает атмосфера и магнитное поле. А вот, скажем, на Луну, лишенную атмосферы, частицы "солнечного ветра" попадают и "застревают" в поверхностном слое грунта.
До некоторых пор эти факты представляли чисто теоретический интерес. В практической плоскости о гелии-3 заговорили, когда стало ясно, что нефть закончится в ближайшие десятилетия. Угля и газа хватит чуть подольше, но тоже не надолго. Очевидно, что единственный способ решения энергетической проблемы – это использование энергии атомного ядра. Однако и запасы урана тоже не бесконечны… Поэтому уже полвека неизменно популярна идея использования термоядерного синтеза.
В термоядерных реакциях, происходящих на Солнце, четыре атома легкого изотопа водорода соединяются в один атом гелия с выделением энергии. Однако для термоядерных реакций, производимых на Земле, легкий изотоп водорода (составляющий 99,985% всего водорода) не подойдет, потому что у реакции слияния легких изотопов водорода чрезвычайно малое сечение (вероятность реакции). Именно это низкое сечение реакции обеспечивает устойчивость Солнца – иначе на нем шла бы не устойчивая термоядерная реакция, а термоядерный взрыв.
Для термоядерных реакций, производимых на Земле, нужен "тяжелый водород" - дейтерий. Из водорода, который существует на Земле (в основном в виде воды) дейтерий составляет 0,015%. Добывать его можно электролизом обычной воды, в которой дейтерий составляет 0,0017% по массе. Однако, кроме дейтерия, для термоядерной реакции нужен второй компонент, атом которого должен быть в 3 раза тяжелее водорода. Это может быть либо "сверхтяжелый водород", который называется тритий, либо тот самый гелий-3. Тритий на Земле не существует, кроме того, он очень сильно радиоактивен и неустойчив. Для водородных бомб и экспериментальных установок тритий годится, а для "промышленных" реакторов – нет (в водородных бомбах тритий образуется при облучении лития нейтронами в результате реакции: 6 Li + n -> 3 H + 4 He). Термоядерная реакция, происходящая с участием трития, описывается следующим уравнением: 2 H + 3 H -> 4 He + n + 17,6 МэВ. Именно такая реакция рассматривается как основная в планируемых проектах, в частности, в создаваемом международном проекте ИТЭР.
Однако недостатком такой реакции является, во-первых, необходимость для нее сильно радиоактивного трития, а, во-вторых, то, что в ходе такой реакции возникает сильное нейтронное излучение. Поэтому в последнее время создаются проекты «безнейтронной» термоядерной реакции, топливом для которой служит гелий-3 – легкий изотоп гелия. Уравнения «безнейтронных» реакций таковы:
3 He + 3 He -> 4 He + 2p + 12,8 МэВ,
3 He + D -> 4 He + p + 8,35 МэВ.
Преимущество реакций на гелии-3 по сравнению с дейтериево-тритиевой реакцией в том, что, во-первых, для нее не требуется радиоактивных изотопов в качестве топлива, а, во-вторых, получаемая энергия уносится не с нейтронами, а с протонами, из которых извлечь энергию будет легче.
Единственная проблема – практическое отсутствие гелия-3 на Земле. Но, как сказано выше, гелий-3 есть в лунном грунте. Поэтому для того, чтобы иметь источники энергии после того, как подойдет к концу ископаемые виды топлива, космические агентства разных стран разрабатывают планы строительства базы на Луне, которая будет перерабатывать лунный грунт (который называется реголит), добывать из него гелий-3 и в сжиженном виде доставлять его на термоядерные электростанции на Земле. Одной тонны гелия-3 хватит, чтобы обеспечить энергетические потребности всего человечества на несколько лет, что окупит все затраты на создание лунной базы. Буш уже поставил задачу: создать американскую лунную базу в 2015-2020 годах.
А что же сегодня предпринимается в России? Приведем подборку сообщений информационных агентств
"Россия может возобновить лунную программу в течение нескольких лет
15 января 2004 г.
В России обсуждается вопрос о возобновлении программ исследования Луны и Марса, заявил ИТАР-ТАСС первый заместитель главы Росавиакосмоса Николай Моисеев. "До конца года будет разработана Федеральная космическая программа до 2015 года, в которую, возможно, войдут и эти проекты", - сказал он. По словам Моисеева, "со стороны ученых поступает много инициатив по организации экспедиций на Луну и Марс, однако пока неизвестно, какая из них будет включена в федеральную программу".
Лунную программу Россия может реанимировать в течение нескольких лет, считает первый заместитель генерального директора Научно-производственного объединения им.Лавочкина Роальд Кремнев.
"После свертывания советской программы исследования спутника Земли в конце 70-х годов прошлого века мы более трех десятилетий поддерживаем научно-технические разработки по этой тематике на современном уровне", - утверждает Кремнев. По его словам, в настоящее время на предприятии, где был создан легендарный "Луноход", "есть серьезный задел по лунным автоматам". Создание и запуск такого аппарата, по оценке Кремнева, обойдется в 600 млн рублей.
Лунные источники энергии могут спасти Землю от глобального энергетического кризиса, считает член бюро Совета по космосу РАН, академик Эрик Галимов. Добытый на Луне и доставленный на Землю тритий может быть использован для термоядерного синтеза, утверждает ученый.
Источник: NEWSru.com
Российский ученый предлагает бульдозерами сгребать с Луны чудо-топливо
23 января 2004 г.
Академик Российской академии наук, член бюро Совета по космосу РАН Эрик Галимов считает, что нужно немедленно начать подготовку к добыче лунного топлива, сообщает ИТАР-ТАСС. Добычу гелия-3 на Луне и вывоз его оттуда космическими кораблями, по его мнению, можно будет начать через 30-40 лет.
"Чтобы обеспечить на год все человечество энергией, необходимо лишь два-три полета космических кораблей грузоподъемностью в 10 тонн, которые доставят гелий-3 с Луны... Затраты на межпланетную доставку будут в десятки раз меньше, чем стоимость вырабатываемой сейчас электроэнергии на атомных электростанциях", - сказал Галимов.
По подсчетам ученого, доставка вещества может начаться уже через 30-40 лет, но начинать работы в этой области нужно уже сейчас. По его словам, на разработку проекта "потребуется всего 25-30 миллионов долларов". Собирать гелий-3 с лунной поверхности ученый предлагает специальными бульдозерами.
Источник: Lenta.Ru
На прошлой неделе в своей речи, посвященной новой космической программе США, президент Буш объявил, что на Луне нужно создать постоянную базу, которая станет первым шагом на пути к дальнейшему освоению космоса человеком. Он также сказал, что лунный грунт можно перерабатывать для получения ракетного топлива и пригодного для дыхания воздуха.
Буш привел в качестве примера два способа переработки лунного грунта, но, вообще-то, список лунных полезных ископаемых довольно длинный... Имеющийся в лунном грунте кремний можно использовать для изготовления солнечных панелей, железо - для разных металлических конструкций, алюминий, титан и магний - для создания корабля, который отправится в космос подальше от Земли.
Ну и, конечно же, на Луне собираются добывать изотоп гелий-3, который очень редок на Земле, а производство его в земных условиях очень дорого.
(по материалам SiliconValley.com)
В марте 2003 г. руководство китайской космической программы официально объявило о начале работ по отправке исследовательского зонда к Луне. Недавно научный руководитель этого проекта академик китайской АН Оуянг Зиюань объявил о том, что уже на этом первом этапе исследования Луны Китай рассчитывает сделать большой вклад в науку и в развитие космических технологий. Так что китайский лунный проект обещает быстро окупить себя.
В ходе первого этапа китайской программы исследования Луны планируется, помимо прочего, измерить толщину лунного грунта, оценить возраст поверхности и определить количество имеющегося там гелия-3 (очень редко встречающегося на Земле изотопа гелия, который можно использовать в качестве топлива для термоядерного реактора)
(по материалам SpaceDaily)
Интересные рассуждения о космических программах, нужных для получения запасов гелия-3, даны в статье кандидата технических наук, члена-корреспондента Академии космонавтики им. К. Э. Циолковского Юрия Еськова «За чистым топливом – на Уран, опубликованной в "Российской газете", 11 апреля 2002 года. Автор пишет, что еще эффективнее, чем на Луне, искать гелий-3 в атмосферах дальних планет гигантов, например, Урана, где гелий-3 составляет 1:3000 (что в тысячу раз больше, чем в лунном грунте). По предложению автора, «Добыча гелия-3 и доставка его к Земле должна вестись беспилотными одноразовыми космическими аппаратами (“танкерами”), электроядерный двигатель которых с мощностью 100 000 кВт работает в течение всего двустороннего полета. За 10 лет аппарат преодолеет трудно вообразимую дистанцию в 6 млрд. км. Заметим, что двигатель, способный преодолеть такое гигантское расстояние за приемлемое время (10 лет), может работать только на ядерной энергии, используя то же топливо, что и нынешние АЭС (в принципе можно лететь и на солнечных батареях, но тогда аппарат будет весить сотни тысяч тонн); более того, означенный двигатель является экологически очень “грязным”. Фокус, однако, в том, что запускается он с высокой околоземной орбиты и вся жизнь его проходит в космосе, так что никаких экологических проблем для населения Земли он не создает.
Система бесперебойного снабжения наземных ТЯЭС с суммарной мощностью 3 млрд. кВт будет состоять из периодически (четырежды в год) запускаемых с околоземной орбиты “танкеров”. Запаса топлива аппарату хватит лишь в один конец: до цели он долетит с пустыми баками. Долетев до Урана и выйдя на орбиту, находящуюся в пределах атмосферы планеты, “танкер” начнет работать в режиме завода по разделению окружающей его атмосферы на компоненты: из сжиженного газа выделит товарный гелий-3 и водород, который используется как топливо для обратного полета; большая часть водорода и весь обычный гелий сбросятся за борт. Таким образом, обратная заправка (без которой задача возвращения нереализуема) оказывается фактически даровой. В результате полета на околоземную орбиту будет доставлено 70 тонн жидкого гелия-3; в каждый момент времени на трассе Земля – Уран будет находиться около 40 “танкеров”.
Возникает естественный вопрос: в какой степени существующие на сегодня технологии могут обеспечить функционирование такой системы? Ответ: большая часть этих элементов имеется, как говорят, “в железе”, остальные – на уровне далеко продвинутых проектно-конструкторских разработок, частично доведенных до опытной стадии. Главная проблема тут – бортовая энергоустановка. К нынешнему моменту накоплен огромный положительный опыт создания и эксплуатации реакторов наземных АЭС с мощностью 4 млн. кВт при ресурсе до 30 лет; мощности реакторов атомных подводных лодок достигают 100 000 кВт при ресурсе в десятки лет, есть и отечественный опыт создания и эксплуатации уникальных малоразмерных ядерных установок для космических аппаратов с мощностями до 100 кВт; высокотемпературные реакторы для космических ядерных двигателей прошли испытания и в США, и в СССР. Что касается размеров запускаемого беспилотного аппарата (450 тонн, в том числе 200 тонн топлива), то он по порядку величины соответствует массе МКС (а в окончательном проекте масса МКС планируется еще большей); суммарный же годовой грузопоток на орбиту (1900 тонн) меньше, чем планируемый для стандартных программ (космическая связь, телевещание и т.п.). Подавляющее большинство элементов такого орбитального гелиево-водородного завода существует уже сегодня и благополучно действует в криогенной промышленности». Автор говорит, что даже при сегодняшнем уровне развития техники такой проект был бы вполне экономически рентабельным: «Отпускная цена электроэнергии в мире составляет от 5 до 10 центов за кВт. ч. Из простейшей арифметики видно, что доставка с Урана гелия-3 будет оставаться рентабельной даже при цене 1 тонны в 10 млрд. долларов. Цена же выведения на орбиту одного подобного завода составляет 10 млн. долларов за тонну (кстати, такова сегодняшняя цена золота), а в ближайшей перспективе многоразовые носители снизят эту цену до 1 млн. долларов за тонну выводимого груза.».
Стали уже привычными слова, что наукоемкие отрасли (ядерная, космическая и др.) являются локомотивом экономики. Случай с гелием-3 - тот самый случай. Этот способ, который позволит решить энергетическую проблему на достаточно длительное время, в случае, если найдутся возможности изыскать средства для его реализации, сможет стать шансом на прогресс российских наукоемких отраслей: как космонавтики (что является предметом для отдельного разговора), так и термоядерной техники.
В настоящий момент есть два магистральных направления в термоядерном синтезе: токамаки и лазерный синтез. Первый из этих вариантов сейчас реализуется в проекте международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР. Этот реактор конструируется по схеме «токамак» (что означает сокращение от фразы «ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками»). Принцип действия токамака таков: в плазменном сгустке создавается электрический ток, и при этом, как у всякого тока, у него появляется собственное магнитное поле - сгусток плазмы как бы сам становится магнитом. И тогда с помощью внешнего магнитного поля определенной конфигурации подвешивали плазменное облако в центре камеры, не позволяя ему соприкасаться со стенками. В газе всегда есть свободные ионы и электроны, которые начинают двигаться в камере по кругу. Этот ток нагревает газ, количество ионизированных атомов растет, одновременно увеличивается сила тока и повышается температура плазмы. А значит, количество водородных ядер, слившихся в ядро гелия и выделивших энергию, становится все больше. Однако эксперименты, начатые почти пятьдесят лет назад в московском Институте атомной энергии, показали, что плазма, подвешенная в магнитном поле, оказалась неустойчивой – сгусток плазмы очень быстро «распадался» и вываливался на стенки камеры. Оказалось, что к неустойчивости приводит комбинация целого ряда сложных физических процессов. Кроме того, оказалось, что время устойчивого удержания плазмы возрастает с увеличением размеров установки. Крупнейшая отечественная машина ТОКАМАК-15 уже имеет тороидальную вакуумную камеру с внешним диаметром "бублика" более пяти метров. Крупные исследовательские токамаки были построены в России, Японии, США, Франции, Англии. А несколько лет назад специалисты пришли к выводу, что оставшиеся нерешенные проблемы нужно исследовать на установке, максимально приближенной к реальному энергетическому термоядерному реактору. Это понимание и привело к работам по созданию ИТэРа. От всех других установок и методов этот вариант проведения управляемой термоядерной реакции отличается прежде всего тем, что он в основном уже вышел из сферы сомнений и поисков. Благодаря накопленной за пятьдесят лет исследований обширной базе физических и инженерно-технических данных он вплотную подошел к стадии экспериментального реактора. Это, видимо, и вдохновило международное сообщество на создание ИТЭРа – ученые решили, что даже богатой стране нет никакого смысла делать термоядерный реактор в одиночку - результатом будут знания и опыт, которые все равно станут общим достоянием и в национальную экономику сразу ничего не внесут. В то же время, объединив усилия, можно резко ускорить продвижение к своему работающему термояду и снизить собственные затраты. Поэтому в 1992 году было подписано соглашение о совместном техническом конструировании реактора ИТЭР под эгидой МАГАТЭ. А его концептуальное проектирование по инициативе нашей страны началось на четыре года раньше. В команду проектировщиков ИТЭРа вошли специалисты Европейского союза, России, США и Японии.
Другое направление на пути к управляемой термоядерной реакции – это лазерный термоядерный синтез (ЛТС). Он заключается в том, что мишень из "сырья" для термоядерной реакции облучается со всех сторон лазерными лучами, и таким образом там создаются условия, достаточные для осуществления термоядерной реакции. Сложность в том, как это осуществить технически. Моя диссертационная работа состоит в проведении компьютерного моделирования явления оптического резонанса в сферичеких мишенях при лазерном облучении. Расчеты показывают, что при определенных условиях в оптической мишени происходит концентрация энергии, при которой могут возникнуть условия, необходимые для термоядерной реакции.
То государство, которое освоит технологии термоядерного синтеза эту технологию раньше других, получит огромные преимущества перед другими. Для того, чтобы Россия не осталась на задворках цивилизации и приняла участие в разработке этих проектов, нужна политическая воля руководства государства, примерно как это было с советскими ядерным и космическим проектами в середине ХХ века.
Не исключено, что в ближайшие годы мы станем свидетелями Лунной гонки-2, победитель (или победители) которой получит в свои руки практически неисчерпаемый источник энергии. Это в свою очередь, позволит человечеству выйти на качественно новый технологический уклад, о параметрах которого мы можем только догадываться.
Что такое гелий-3?
Из школьного курса физики мы помним, что атомная масса гелия равняется четырем и этот элемент является инертным газом. Его проблематично использовать в каких-либо химических реакциях, тем более с выделением энергии. Совсем другое дело - изотоп гелия с атомной массой 3. Он способен входить в термоядерную реакцию с дейтерием (изотопом водорода с атомной массой 2) в результате чего образуется гигантская энергия за счет синтеза обычного гелия-4 с выделением протона (3 Не + D → 4 Не + p + энергия). Подобным образом из всего одного грамма гелия-3 можно получить такую же энергию, как при сжигании 15-ти тонн нефти.
Тонны гелия-3 хватит для энерговыделения на уровне 10 ГВт в течение года. Таким образом, чтобы закрыть все сегодняшние энергопотребности России, ежегодно понадобится 20 тонн гелия-3, а для всего человечества потребуется примерно 200 тонн данного изотопа в год. При этом отпадет необходимость жечь нефть и газ, запасы которых не безграничны, по последним оценкам разведанных запасов углеводородов - человечеству хватит всего на полвека. Не нужно будет эксплуатировать и достаточно опасные АЭС, что после Чернобыля и Фукусимы приобрело особую актуальность.
Где взять гелий-3?
При современном развитии технологий единственным реально доступным источником этого элемента является поверхность Луны. Сам по себе гелий-3 образуется в недрах звезд (например, нашего Солнца) в результате соединения двух атомов водорода. При этом основным продуктом данной реакции является обычный гелий-4, а изотоп-3 образуется в малых количествах. Часть его выносится солнечным ветром и равномерно распределяется по планетной системе.
На Землю гелий-3 практически не выпадает, поскольку его атомы отклоняются магнитным полем нашей планеты. Зато на планетах, у которых такое поле отсутствует, элемент осаждается в верхних слоях грунта и постепенно накапливается. Ближайшим к Земле небесным телом, у которого отсутствует магнитное поле, является Луна, поэтому именно здесь сосредоточены доступные человечеству запасы этого ценного энергоносителя.
Подтверждением тому служат не только теоретические выкладки, но и результаты эмпирических исследований. Во всех пробах лунного грунта, доставленных на Землю, был обнаружен гелий-3 в относительно высоких концентрациях. В среднем - на 100 тонн реголита приходится 1 гр. данного энергоизотопа.
Таким образом, чтобы извлечь вышеупомянутые 20 тонн гелия-3 для полного удовлетворения годовых энергопотребностей РФ, понадобится «перелопатить» 2 000 млн. тонн лунного грунта.
Физически это соответствует участку на Луне размерами 20х20 км с глубиной карьера 3 м. Задача по организации столь масштабной добычи - достаточно сложная, но вполне решаемая, уверены современные инженеры. Судя по всему, более трудной и дорогостоящей проблемой станет доставка десятков тонн топлива для теромоядерных печей на Землю.
Чего не хватает человечеству для гелиевой энергореволюции?
Для развития на Земле полноценной термоядерной энергетики на базе гелия-3 людям предстоит решить три основных задачи.
1. Создание надежных и мощных средств доставки грузов по маршруту Земля-Луна и обратно.
2. Возведение лунных баз и комплексов по добыче гелия-3, которое сопряжено с множеством технологических проблем.
3. Строительство собственно термоядерных электростанций на Земле, для чего также предстоит преодолеть определенные технологические барьеры.
К решению первой задачи человечество придвинулось практически вплотную. Все четыре страны, участвующие в Лунной гонке-2 плюс Европейский Союз, уже разработали или разрабатывают ракеты тяжелого класса, способны забрасывать тонны груза на лунную орбиту. Например, к 2027 г. в России запланирована реализация «в железе» ракеты-носителя «Ангара-А5В», которая будет способна доставить к Луне не менее 10 тонн полезного груза. С обратной транспортировкой будет попроще, поскольку сила притяжения Луны в 6 раз меньше земной, но здесь проблемой будет топливо. Его придется либо завозить с Земли, либо вырабатывать на поверхности нашего спутника.
Гораздо более серьезной является вторая задача, поскольку помимо организации собственно добычи гелия-3 из реголита инженерам придется создать надежные лунные базы с системами жизнеобеспечения для шахтеров будущего. В этом сильно помогут технологии, наработанные благодаря многолетней эксплуатации орбитальных станций, прежде всего МКС и «Мир». Как в России, так и в других странах сегодня активно проектируются лунные базы и, пожалуй, наша страна на сегодня имеет максимум технологий для реального воплощения подобных проектов.
Что касается третьей проблемы, то работы по созданию термоядерных реакторов идут на Земле последние три десятилетия. Основной технологической трудностью здесь является проблема удержания высокотемпературной плазмы (необходимой для «розжига» термоядерного синтеза) в т.н. «магнитных ловушках».
Этот вопрос уже решен для реакторов, работающих на принципе соединения дейтерия и трития (D + T = 4 He + n + энергия). Для поддержания такой реакции достаточно температуры в 100 млн. градусов.
Однако подобные реакторы никогда не станут массовыми, поскольку они чрезвычайно радиоактивны. Для запуска реакции с участием гелия-3 и дейтерия понадобятся температуры в 300-700 млн. градусов. Пока такую плазму не удается длительно удерживать в магнитных ловушках, но возможно к прорыву в этой области приведет запуск Международного экспериментального термоядерного реактора (ITER), который сейчас строится во Франции и будет введен в эксплуатацию к 2025 г.
Таким образом, десятилетие между 2030-2040 гг. имеет все шансы оказаться стартовым в деле развития энергетики на базе гелия-3, поскольку к этому времени, судя по всему, будут преодолены технологические препятствия, указанные выше. Соответственно, останется найти деньги на реализацию энергопроекта, который способен перевести человечество в эру чрезвычайно дешевой (почти дармовой) энергии со всеми вытекающими последствиями, как для экономики, так и качества жизни каждого человека.
Загрузка...