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.
ГИПОТЕЗЫ, ФАКТЫ, РАССУЖДЕНИЯ
Лунный Гелий-3 - термоядерное горючее будущего.
Комментарий автора сайта: С активацией американской Лунной космической программы всё чаще приходится слышать о том, что наряду с наличием воды, на Луне находятся огромные запасы изотопа гелия-3 - топлива ядерной энергетики будущего. Так ли это, какие перспективы это сулит человечеству, нужно ли вообще нам исследовать Луну и каким образом это можно осуществить - вот только небольшой перечень вопросов, ответы на которые Вы узнаете в данной статье, являющейся главой "Гелий-3" из книги академика РАН Эрика Михайловича Галимова "Замыслы и просчёты: Фундаментальные космические исследования в России последнего двадцатилетия. Двадцать лет бесплодных усилий."
Тот факт, что Луна обогащена гелием-3, известен с тех пор, как на Землю было впервые доставлено лунное вещество. В образцах лунного грунта, привезенных американскими астронавтами в ходе экспедиций «Аполлон» и доставленных советскими автоматическими аппаратами «Луна», относительная концентрация изотопа гелия 3 Не (отношение 3 Не/ 4 Не) оказалась в тысячу раз выше, чем в земном гелии. Это - результат облучения незащищенной атмосферой поверхности Луны корпускулярным излучением Солнца. В течение миллиардов лет в поверхностный пылевидный слой (реголит) Луны внедряются атомы элементов, испускаемых Солнцем, больше всего - водород и гелий в изотопном соотношении, присущем Солнцу. Другой факт - что 3 Не является эффективным термоядерным горючим - известен был физикам ещё раньше. Однако никакого практического вывода из этих фактов в те годы не делалось. Земная энергетика обеспечивалась за счёт быстро развивающейся добычи нефти и газа. Атомная энергетика базировалась на доступном урановом сырье. Управляемый термоядерный синтез не был осуществлен даже на более простой реакции дейтерия с тритием. На Земле гелий-3 в промышленных количествах отсутствует.
В конце 80-х - начале 90-х гг. появились публикации о возможном использовании Луны в качестве источника энергии для Земли. Предлагались, например, проекты передачи на Землю собранной на поверхности Луны солнечной энергии в форме сфокусированного высокочастотного луча. Высказывалась и идея добычи и доставки лунного гелия-3. Энтузиастом этой идеи, в частности, был побывавший на Луне американский астронавт Гарольд Шмидт. Он написал серьезную книгу о возможности использования гелия-3.
Призывая вернуться к исследованиям Луны, я помимо конкретной и актуальной задачи исследования внутреннего строения Луны, постоянно упоминал в качестве задачи, которую нужно иметь в виду в качестве отдаленной перспективы, освоение ресурсов лунного гелия-3.
Я думаю, что сегодня мы не предвидим в полной мере того, что даст нам освоение Луны, и потому приступаем к этому неуверенно, робко и с задержкой. Мне не раз приходилось писать о том, что исследование Луны имеет большое значение для фундаментальной геологии. Реконструкция ранней истории Земли, возникновения на ней атмосферы, океанов и жизни, невозможна без изучения Луны. Хотя бы просто потому, что следы первых 500-600 млн. лет истории Земли полностью стерты в ее геологической летописи, а на Луне они сохранились. И потому что Луна и Земля представляют генетически единую систему.
Кандидат физико-математических наук А. ПЕТРУКОВИЧ.
С легкой руки американского президента в конце 2003 года в повестку дня встал вопрос о новых целях человечества в космосе. Высказанная среди прочих предложений задача создания обитаемой станции на Луне отчасти основывается на заманчивой идее использовать уникальные лунные запасы гелия-3 для получения энергии на Земле. Пригодится лунный гелий или нет, покажет будущее, но рассказ о нем достаточно увлекателен и позволяет сравнить наши знания о строении атомного ядра и Солнечной системы с практическими аспектами энергетики и горного дела.
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
Наука и жизнь // Иллюстрации
ЗАЧЕМ? ИЛИ ЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ - АЛХИМИЯ НАЯВУ
Превратить свинец в золото было мечтой средневековых алхимиков. Как всегда, природа оказалась богаче человеческих фантазий. Реакции ядерного синтеза создали все разнообразие химических элементов, заложив материальные основы нашего мира. Однако синтез может дать и нечто гораздо более ценное, чем золото, - энергию. Ядерные реакции в этом смысле подобны химическим (то есть реакциям преобразования молекул): каждое составное вещество, будь то молекула или атомное ядро, характеризуется энергией связи, которую необходимо потратить, чтобы разрушить соединение, и которая высвобождается при его образовании. Когда энергия связи продуктов реакции выше, чем исходных материалов, - реакция идет с выделением энергии, и, если научиться ее забирать в том или ином виде, исходные вещества можно использовать как топливо. Из химических процессов наиболее эффективна в этом смысле, как известно, реакция взаимодействия с кислородом - горение, которая сегодня служит основным и незаменимым источником энергии на электростанциях, на транспорте и в быту (еще больше энергии выделяется в ходе реакции фтора, особенно молекулярного, с водородом; однако и сам фтор, и фтористый водород - вещества чрезвычайно агрессивные).
Энергия связи протонов и нейтронов в ядре значительно больше, чем та, что связывает атомы в молекулы, и ее можно в прямом смысле слова взвесить, пользуясь великой формулой Эйнштейна E = mc 2: масса атомного ядра заметно меньше масс отдельных протонов и нейтронов, его составляющих. Поэтому тонна ядерного топлива заменяет многие миллионы тонн нефти. Однако синтез не зря называется термоядерным: чтобы преодолеть электростатическое отталкивание при сближении двух положительно заряженных атомных ядер, нужно как следует разогнать их, то есть нагреть ядерное топливо до сотен миллионов градусов (вспомним, что температура есть мера кинетической энергии частиц). По сути, при таких температурах мы имеем дело уже не с газами или жидкостями, а с четвертым состоянием вещества - плазмой, в которой нет нейтральных атомов, а есть только электроны и ионы.
В природе подобные условия, подходящие для синтеза, существуют лишь в недрах звезд. Солнце своей энергией обязано так называемому гелиевому циклу реакций: синтезу ядра гелия-4 из протонов. В звездах-гигантах и при взрывах сверхновых рождаются и более тяжелые элементы, формируя, таким образом, все разнообразие элементов во Вселенной. (Правда, считается, что часть гелия могла образоваться и непосредственно при рождении Вселенной, во время Большого взрыва.) Солнце в этом смысле не самый эффективный генератор, потому что оно горит долго и медленно: процесс тормозит первая и самая медленная реакция синтеза дейтерия из двух протонов. Все следующие реакции идут гораздо быстрее и немедленно пожирают доступный дейтерий, в несколько этапов перерабатывая его в ядра гелия. В результате, даже если предположить, что в синтезе участвует только одна сотая солнечного вещества, находящаяся в его ядре, энерговыделение составляет всего лишь 0,02 ватта на килограмм. Впрочем, именно этой медлительности, объясняемой в первую очередь небольшой, по звездным меркам, массой светила (Солнце относится к категории субкарликов) и обеспечивающей постоянство потока солнечной энергии на многие миллиарды лет, мы обязаны самим существованием жизни на Земле. В звездах-гигантах преобразование материи в энергию идет значительно быстрее, но в результате они сжигают себя полностью за десятки миллионов лет, не успев даже толком обзавестись планетными системами.
Задумав провести термоядерный синтез в лаборатории, человек собирается таким образом перехитрить природу, создав более эффективный и компактный генератор энергии, чем Солнце. Однако мы можем выбрать гораздо более легко осуществимую реакцию - синтез гелия из дейтерий-тритиевой смеси. Планируется, что проектируемый международный термоядерный реактор - токамак "ИТЕР" сможет достичь порога зажигания, от чего, впрочем, еще очень и очень далеко до коммерческого использования термоядерной энергии (см. "Наука и жизнь" №№ , , 2001 г.). Основная проблема, как известно, состоит в том, чтобы удержать плазму, нагретую до нужной температуры. Так как никакая стенка при такой температуре не избежит разрушения, то удерживать плазменное облако пытаются магнитным полем. В водородной бомбе задача решается взрывом небольшого атомного заряда, сжимающего и нагревающего смесь до необходимой кондиции, но для мирного получения энергии этот способ мало подходит. (О перспективах так называемой взрывной энергетики см. "Наука и жизнь" № 7, 2002 г.)
Главный недостаток дейтерий-тритиевой реакции - высокая радиоактивность трития, период полураспада которого составляет всего 12,5 лет. Это самая радиационно-грязная из доступных реакций, причем настолько, что в промышленном реакторе внутренние стенки камеры сгорания необходимо будет менять через каждые несколько лет из-за радиационного разрушения материала. Правда, наиболее вредные радиоактивные отходы, требующие бессрочного захоронения глубоко под землей из-за большого времени распада, при синтезе не образуются совсем. Другая проблема заключается в том, что выделяемую энергию уносят в основном нейтроны. Эти не имеющие электрического заряда частицы не замечают электромагнитного поля и вообще плохо взаимодействуют с веществом, так что отобрать у них энергию непросто.
Реакции синтеза без трития, например с участием дейтерия и гелия-3, практически радиационно безопасны, так как в них используются только стабильные ядра и не производятся неудобные нейтроны. Однако, чтобы "зажечь" такую реакцию, нужно, компенсируя более низкую скорость синтеза, нагреть плазму в десять раз сильнее - до миллиарда градусов (одновременно решив задачу ее удержания)! Поэтому сегодня подобные варианты рассматривают как основу будущих термоядерных реакторов второго, следующего за дейтерий-тритиевым, поколения. Однако идея этой альтернативной термоядерной энергетики приобрела и неожиданных союзников. Сторонники колонизации космоса считают гелий-3 одной из основных экономических целей лунной экспансии, которая должна обеспечить потребности человечества в чистой термоядерной энергии.
ГДЕ? ИЛИ СОЛНЕЧНЫЙ ГОСТЬ
На первый взгляд проблем с тем, где взять гелий, быть не должно: он второй по распространенности во Вселенной элемент, а относительное содержание в нем легкого изотопа составляет немногим меньше одной тысячной доли. Однако для Земли гелий - экзотика. Это очень летучий газ. Земля не может удержать его своим тяготением, и почти весь первичный гелий, попавший на нее из протопланетного облака при образовании Солнечной системы, вернулся из атмосферы обратно в космос. Даже обнаружен гелий был сначала на Солнце, почему и получил название в честь древнегреческого бога Гелиоса. Позже его нашли в минералах, содержащих радиоактивные элементы, и, наконец, выловили в атмосфере среди других благородных газов. Земной гелий имеет в основном не космическое, а вторичное, радиационное, происхождение: при распаде радиоактивных химических элементов вылетают альфа-частицы - ядра гелия-4. Гелий-3 так не образуется, и поэтому его количество на Земле ничтожно и исчисляется буквально килограммами.
Запастись гелием космического происхождения (с относительно большим содержанием гелия-3) можно в атмосферах Урана или Нептуна - планет достаточно больших, чтобы удержать этот легкий газ, или на Солнце. Оказалось, что к солнечному гелию подобраться проще: все межпланетное пространство заполнено солнечным ветром, в котором на 70 тысяч протонов приходится 3000 альфа-частиц - ядер гелия-4 и одно ядро гелия-3. Ветер этот чрезвычайно разрежен, по земным меркам он представляет собой самый настоящий вакуум, и "сачком" его поймать невозможно (см. Наука и жизнь" № 7, 2001 г.). Зато солнечная плазма оседает на поверхности небесных тел, не имеющих магнитосферы и атмосферы, например на Луне, и, значит, можно опустошить какую-нибудь природную ловушку, исправно пополнявшуюся последние четыре миллиарда лет. В результате плазменной бомбардировки на Луну за это время выпало несколько сотен миллионов тонн гелия-3. Если бы весь солнечный ветер оставался на поверхности Луны, то кроме 5 граммов гелия-3 на каждом квадратном метре поверхности оказалось бы в среднем еще 100 килограммов водорода и 16 - гелия-4. Из этого количества можно было бы создать вполне приличную атмосферу, лишь немногим более разреженную, чем марсианская, или океан жидкого газа двухметровой глубины!
Однако ничего подобного на Луне нет, и лишь очень малая доля ионов солнечного ветра навсегда остается в верхнем слое лунного грунта - реголите. Исследования лунного грунта, привезенного на Землю советскими станциями "Луна" и американскими "Аполлонами", показали, что гелия-3 в нем примерно 1/100-миллионная часть, или 0,01 грамма на 1 тонну. А всего на Луне около миллиона тонн этого изотопа, по земным меркам очень много. При современном уровне мирового энергопотребления лунного топлива хватило бы на 10 тысяч лет, что примерно в десять раз больше, чем энергетический потенциал всего извлекаемого химического топлива (газа, нефти, угля) на Земле.
КАК? ИЛИ "В ГРАММ ДОБЫЧА, В ГОД ТРУДЫ"
К сожалению, никаких "озер" гелия на Луне нет, он более или менее равномерно рассеян по всему приповерхностному слою. Тем не менее с технической точки зрения процесс добычи довольно прост и в подробностях разработан энтузиастами колонизации Луны (см., например, www.asi.org).
Чтобы обеспечить современную годовую потребность Земли в энергии, необходимо завезти с Луны всего лишь около 100 тонн гелия-3. Именно это количество, соответствующее трем-четырем рейсам космических челноков - шаттлов, и завораживает своей доступностью. Однако сначала надо перекопать около миллиарда тонн лунного грунта - не такое уж большое количество по меркам горной промышленности: например, угля за год в мире добывают два миллиарда тонн (в России - около 300 миллионов тонн). Конечно, содержание гелия-3 в породе не слишком велико: например, разработка месторождений считается экономически эффективной, если золота в них содержится не менее нескольких граммов, а алмазов - не менее двух каратов (0,4 г) на тонну. В этом смысле гелий-3 можно сравнить разве что с радием, которого с начала ХХ века было получено всего лишь несколько килограммов: после обработки тонны чистого урана получается только 0,4 грамма радия, не говоря уже о проблемах добычи самого урана. В начале прошлого века, в период романтического отношения к радиоактивности, радий был довольно популярен и известен не только физикам, но и лирикам: вспомним фразу В. В. Маяковского: "Поэзия - та же добыча радия. В грамм добыча, в год труды". Зато гелий-3 дороже практически любого вещества, используемого человеком, - одна тонна стоила бы как минимум миллиард долларов, если пересчитать энергетический потенциал гелия в нефтяной эквивалент по бросовой цене 7 долларов за баррель.
Газ легко выделяется из реголита, нагретого до нескольких сотен градусов, скажем, при помощи зеркала-концентратора солнечных лучей. Не забудем, что еще надо отделить гелий-3 от гораздо большего количества других газов, в основном от гелия-4. Это делают, охлаждая газы до жидкого состояния и пользуясь незначительной разницей температур кипения изотопов (4,22 К для гелия-4 или 3,19 К для гелия-3). Другой изящный способ разделения основан на использовании свойства сверхтекучести жидкого гелия-4, который может самостоятельно перетечь через вертикальную стенку в соседнюю емкость, оставив после себя только несверхтекучий гелий-3 (см. "Наука и жизнь" № 2, 2004 г.).
Увы, заниматься всем этим придется в безвоздушном пространстве, не "в тепличных" условиях Земли, а на Луне. Придется переселить туда несколько шахтерских городов, что, в сущности, означает колонизацию Луны. Сейчас за безопасностью нескольких космонавтов на околоземной орбите следят сотни специалистов и в любой момент экипаж может вернуться на Землю. Если в космосе окажутся десятки тысяч человек, им придется жить в условиях вакуума самостоятельно, без детального присмотра с Земли, и обеспечивать себя водой, воздухом, топливом, основными строительными материалами. Впрочем, водорода, кислорода и металлов на Луне достаточно. Многие из них могут быть получены как побочный продукт добычи гелия. Тогда, вероятно, гелий-3 сможет стать выгодным товаром для торговли с Землей. Но поскольку люди, находящиеся в столь сложных условиях, будут нуждаться в гораздо большем количестве энергии, чем земляне, лунные запасы гелия-3 могут показаться нашим потомкам не такими уж безграничными и привлекательными.
Кстати, на этот случай есть и альтернативное решение. Если уж инженеры и физики найдут способ справиться с удержанием в десять раз более горячей, чем нужно для современного токамака, гелиевой плазмы (задача, кажущаяся сейчас совершенно фантастической), то, увеличив температуру еще всего лишь в два раза, мы "зажжем" и реакцию синтеза с участием протонов и бора. Тогда все проблемы с топливом будут решены, причем за гораздо меньшую цену: бора в земной коре больше, чем, например, серебра или золота, он широко используется как добавка в металлургии, электронике, химии. Различных боросодержащих солей горнообогатительные комбинаты выпускают сотни тысяч тонн в год, а если нам не хватит запасов на суше, то в каждой тонне морской воды содержится несколько граммов бора. И тот, у кого в домашней аптечке припасен пузырек борной кислоты, может считать, что у него есть собственный энергетический резерв на будущее.
Литература
Бронштейн М. П. Солнечное вещество. - Терра-книжный клуб, 2002.
Лунный грунт из моря изобилия. - М.: Наука, 1974.
Подписи к иллюстарциям
Илл. 1. Гелиевый цикл реакций ядерного синтеза начинается со слияния двух протонов в ядро дейтерия. На следующих этапах образуются более сложные ядра. Выпишем несколько первых наиболее простых реакций, которые понадобятся нам в дальнейшем.
p + p → D + e - + n
D + D → T + p или
D + D → 3 He + n
D + T → 4 He + n
D + 3 He → 4 He +2p
p + 11 Be → 3 4 He
Скорость реакции определяется вероятностью преодоления электростатического барьера при сближении двух положительно заряженных ионов и вероятностью собственно слияния ядер (так называемым сечением взаимодействия). В частности, чем выше кинетическая энергия ядра и чем меньше его электрический заряд, тем больше шансов пройти электростатический барьер и тем выше скорость реакции (см. график). Ключевой параметр теории термоядерной энергетики - критерий зажигания реакции - определяет, при какой плотности и температуре плазменного топлива энергия, выделяемая при синтезе (пропорциональная скорости реакции, умноженной на плотность плазмы и время горения), превысит затраты на нагрев плазмы с учетом потерь и коэффициента полезного действия. Наибольшая скорость у реакции дейтерия и трития, и, чтобы достичь зажигания, плазму с концентрацией около 10 14 см -3 необходимо нагреть до полутора сотен миллионов градусов и удерживать 1-2 секунды. Чтобы добиться положительного баланса энергии в реакциях на других компонентах - гелии-3 или боре, меньшую скорость надо компенсировать, в десятки раз увеличивая температуру и плотность плазмы. Зато при удачном столкновении двух ядер выделяется энергия, в тысячу раз превосходящая энергию, потраченную на их нагрев. Начальные реакции гелиевого цикла, образующие дейтерий и тритий в солнечном ядре, идут настолько медленно, что соответствующие кривые в поле этого графика не попали.
Илл. 2. Солнечный ветер - это поток разреженной плазмы, постоянно истекающей с солнечной поверхности в межпланетное пространство. Ветер уносит всего лишь около 3х10 -14 солнечной массы в год, но именно он оказывается основным компонентом межпланетной среды, вытесняющим межзвездную плазму из окрестностей Солнца. Так создается гелиосфера - своеобразный пузырек радиусом примерно в сто астрономических единиц, движущийся вместе с Солнцем через межзвездный газ. К ее границе сейчас, как надеются астрономы, подлетают американские спутники "Вояджер-1" и "Вояджер-2", которые скоро станут первыми космическими аппаратами, покинувшими пределы Солнечной системы. Впервые солнечный ветер обнаружила советская межпланетная станция "Луна-2" в 1959 году, однако косвенные свидетельства о наличии корпускулярного потока, идущего от Солнца, были известны и ранее. Именно солнечному ветру жители Земли обязаны магнитными бурями (см. "Наука и жизнь" № 7, 2001 г.). У орбиты Земли ветер содержит в среднем всего лишь шесть ионов на один кубический сантиметр, движущихся с умопомрачительной скоростью 450 км/с, что, впрочем, по масштабам Солнечной системы не так уж и быстро: на путешествие до Земли уходит трое суток. Солнечный ветер на 96% состоит из протонов и на 4% из ядер гелия. Примесь других элементов незначительна.
Илл. 3. Лунный реголит - это довольно рыхлый слой на поверхности Луны толщиной в несколько метров. В основном он состоит из мелких обломков со средним размером меньше миллиметра, накопившихся в течение миллиардов лет в результате разрушения лунных пород при перепадах температуры и ударах метеоритов. Исследования лунного грунта показали, что, чем больше в реголите окислов титана, тем больше и атомов гелия.
Илл. 4. Наличие титана в приповерхностном слое достаточно легко обнаруживается при дистанционном спектроскопическом анализе (красный цвет на правом изображении рисунка, полученном спутником "Клементина"), и, таким образом, получается карта "месторождений" гелия, которые, в общем, совпадают с расположением лунных морей.
Илл. 5. Чтобы добыть одну тонну гелия-3, нужно переработать поверхностный слой реголита на площади не менее 100 квадратных километров. Попутно удастся получить и значительное количество других газов, которые пригодятся для обустройства жизни на Луне. Рисунки взяты с сайта
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
Наверное мало чего в области термоядерной энергетики окружено мифами, как Гелий 3. В 80х-90х он был активно популяризирован, как топливо, которое решит все проблемы управляемого термоядерного синтеза, а так же как один из поводов выбраться с Земли (т.к. на земле его буквально считанные сотни килограмм, а на луне миллиард тонн) и заняться, наконец, освоением солнечной системы. Все это базируется на очень странных представлениях о возможностях, проблемах и потребностях несуществующей сегодня термоядерной энергетики, о чем мы и поговорим.
Машина для добычи гелия3 на луне уже готова, дело за малым - найти ему применение.
Когда говорят про гелий3, то имеют в виду реакции термоядерного слияния He3 + D -> He4 + H или He3 + He3 -> 2He4 + 2H . По сравнению с классической D + T -> He4 +n в продуктах реакции нет нейтронов, а значит нет активации сверхэнергичными нейтронами конструкции термоядерного реактора. Кроме того, проблемой считается тот факт, что нейтроны из “классики” уносят из плазмы 80% энергии, поэтому баланс самонагрева наступает при бОльшей температуре. Еще одним записываемым гелиевому варианту преимуществом является то, что электроэнергию можно снимать прямо с заряженных частиц реакции, а не нагревом нейтронами воды - как в старых угольных электростациях.
Так вот, все это - неправда, точнее очень маленькая часть правды.
Начнем с того, что при одинаковой плотности плазмы и оптимальной температуре реакция He3 + D даст в 40 раз меньше энерговыделение на кубометр рабочей плазмы. При этом температура, нужная для хотя бы 40 кратного разрыва будет в 10 раз выше - 100 кЭв (или один миллиард градусов ) против 10 для D +T. Сама по себе, такая температура вполне достижима (рекорд токамаков на сегодня - 50 кЭв, всего в два раза хуже), но что бы завязать энергобаланс (скорость остывания VS скорость нагрева в т.ч. самонагрева) нам нужно поднять в 50 раз энерговыделение с кубометра He3 +D реакции, что можно сделать только подняв плотность в те же в 50 раз. В сочетании с выросшей в 10 раз температурой это дает увеличение давления плазмы в 500 раз - с 3-5 атм до 1500-2500 атм, и такое же увеличение противодавления, что бы эту плазму удержать.
Зато картинки вдохновляющие.
Помните, я писал, что магниты тороидального поля ИТЭР, которые создают противодавление плазме - абсолютно рекордные изделия, единственные по параметрам в мире? Так вот, поклонники He3 предлагают сделать магниты в 500 раз мощнее.
Ок, забудем про сложности, может преимущества этой реакции их окупают?
Разные термоядерные реакции, которые применимы для УТС. He3 + D дает слегка больше энергии, чем D + T, но на преодалевание кулоновского отталкивания тратится очень много энергии (заряд 3 а не 2), поэтому реакция идет медленно.
Начнем с нейтронов. Нейтроны в промышленном реакторе будут представлять собой серьезную проблему, повреждать материалы корпуса, греть все элементы обращенные к плазме настолько, что их придется охлаждать приличным расходом воды. А главное - активация материалов нейтронами приведут к тому, что и через 10 лет после остановки термоядерного реактора у нем будет тысячи тонн радиоактивных конструкций, которые невозможно разбирать руками, и которые будут вылеживаться уже в хранилище сотни и тысячи лет. Избавление от нейтронов очевидно бы облегчило задачу создания термоядерной электростанции.
Доля энергии, уносимая нейтронами. Если добавить побольше He3 в реактор, то можно снизить ее до 1%, но это еще ужесточит условия зажигания.
Ок, ну а как насчет прямого преобразования энергии заряженных частиц в электричество? Опыты показывают, что поток ионов с энергией 100 кЭв можно преобразовать в электричество с 80% кпд. У нас же тут нет нейтронов…. ну в смысле они не уносят всю энергию, которую мы можем получить только в виде тепла - давайте избавимся от паровых турбин и поставим ионные коллекторы?
Да, технологии прямого преобразования энергии плазмы в электроэнергию есть, они активно исследовались в 60х-70х, и показали кпд в районе 50-60% (не 80, надо заметить). Однако эта идея слабо применима как в D +T реакторах, так и в He3 +D. Почему это так, помогает понять вот эта картинка.
На ней показаны потери тепла плазмой по разным каналам. Сравните D+T и D + He3. Transport - это то, что можно использовать для прямого преобразования энергии плазмы в электричество. Если в D + T варианте у нас все забирают мерзкие нейтроны, то в случае He3 + D все забирает электромагнитное излучение плазмы, в основном синхротронное и рентгеновское тормозное (на картинке Bremsstrahlung). Ситуация практически симметричная, все равно надо отводить тепло от стенок и все равно прямым преобразованием мы не может вытащить больше 10-15% энергии термоядерного горения, а остальное - по старинке, через паросиловую машину.
Иллюстрация в исследовании по прямому преобразованию энергии плазмы на крупнейшей открытой ловушке Gamma-10 в японии.
Кроме теоретических ограничений есть и инженерные - в мире (в т.ч. в СССР) были потрачены гигантские усилия на создание установок прямого преобразования энергии плазмы в электричество для обычных электростанций, что позволяло поднять кпд с 35% до 55%. В основном на базе МГД-генераторов. 30 лет работы больших коллективов закончились пшиком - ресурс установки составлял сотни часов, когда энергетикам нужны тысячи и десятки тысяч. Гигантское количество ресурсов, потраченное на эту технологию привело, в частности, к тому, что наша страна отстала в производстве энергетических газовых турбин и установок парогазотурбинного цикла (которые дают ровно такое же повышение кпд - с 35 до 55%!).
Кстати, мощные сверхпроводящие магниты нужны и для МГД-генераторов. Здесь показаны СП магниты для 30 мегаваттного МГД-генератора.
Похожие статьи
