В последнее время, особенно после того, как США усилили темпы работ по своей лунной программе, все сильнее стала муссироваться тема о гелии-3, как основе ядерной энергетики будущего. О данном элементе даже снимают фантастические фильмы. Что же такое гелий-3, где его добыть и какие выгоды он сулит человечеству!
РЕАКТОР БЕЗ РАДИАЦИИ
Гелий-3 (³He) является одним из изотопов гелия, в ядре которого находится один нейтрон, а не два. На Земле запасы гелия-3 составляют 0,000137% от общего количества элементов и оцениваются в 35 тысяч тонн. Практически весь имеющийся в наличии гелий-3 сохранился с момента образования нашей планеты.
Интерес к этому изотопу гелия усилился после того, как стало ясно, что человечество вплотную приблизилось к серьезному энергетическому кризису. Запасы углеводородов подходят к концу, и уже через несколько десятилетий мы их полностью исчерпаем. Альтернативные источники энергии, такие как ветер, Солнце, приливы и отливы, геотермальная активность, не могут покрыть всех потребностей человечества. Остаются еще запасы каменного угля, которых хватит примерно на 200-300 лет. Однако по мере того, как доля угля в современной энергетике будет возрастать, этот срок может существенно сократиться. Кроме того, процессы сжигания и добычи угля серьезно ударяют по экосистеме планеты.
Таким образом, единственным источником энергии, которого хватит надолго, - это энергия, основанная на делении ядер урана. Уже сегодня атомная энергетика занимает почти 7% в мировом энергетическом балансе. И с каждым годом доля ее участия возрастает. Но вместе с этим все серьезнее встает вопрос о главной проблеме всех АЭС - утилизации и хранении радиоактивных отходов, которых с каждым годом становится все больше. И тут идеальным выходом было бы использование топлива, основанного на реакциях термоядерного синтеза с гелием-3.
Дело в этом, что ядерные реакции, протекающие с участием гелия-3, в отличие от других ядерных реакций, идут с выделением не нейтронов, а протонов. Нейтроны - крайне активные частицы, они способны глубоко проникнуть в конструкционные материалы ядерного реактора, разрушая их структуру и делая радиоактивными. Это приводит к тому, что отдельные детали и узлы каждые несколько лет приходится менять, чтобы реактор мог работать в штатном режиме. Кроме того, возникает проблема утилизации и захоронения ядерных отходов.
Протоны же, в отличие от нейтронов, не наводят радиоактивности и не способны проникать внутрь конструкций. Поток протонов - это, по сути, поток водорода. И материалы, из которых созданы узлы реактора, работающего на гелии-3, могут служить десятилетиями. В целом реакция с участием ³He в 50 раз менее радиоактивна, чем обычная реакция взаимодействия дейтерия с тритием (D + T).
Таким образом, главное достоинство гелия-3 не столько в его энергетической ценности, сколько в его практически полной экологической безопасности.
ЛУННЫЕ ЗАЛЕЖИ
Где же можно добывать гелий-3 в необходимых масштабах? На Земле этот изотоп содержится в таких ничтожно малых количествах, что о его промышленной добыче и речи быть не может. Ответ на этот вопрос известен давно - на Луне.
То, что Луна обладает огромными запасами гелия-3, стало известно, когда первые образцы лунного грунта были доставлены на Землю советскими автоматическими аппаратами «Луна» и американскими астронавтами во время выполнения программы «Аполлон».
Относительная концентрация изотопа в лунном грунте оказалась в 1000 раз выше, чем в земных недрах. Причина этого явления кроется в регулярном облучении поверхности Луны корпускулярным излучением Солнца. Дело в том, что, не имея защиты в виде сильного магнитного поля, поверхностный пылевидный слой (реголит) Луны регулярно получает огромную дозу облучения. Во время этого процесса в него внедряется большое количество элементов, в первую очередь изотопы водорода и гелия.
По предварительным оценкам, общие запасы гелия-3 на Луне составляют около миллиона тонн. Такого количества изотопа человечеству хватило бы на тысячу лет. Энергетическая эффектность его такова, что 1 тонна гелия-3 может заменить 20 млн тонн нефти, что позволит в течение года обеспечивать выходную мощность АЭС в 10 ГВт. В одной тонне лунного грунта содержится 10 мг гелия-3, что соответствует энерговыделению 1 м³ нефти. Можно сказать, что поверхность Луны представляет собой сплошной океан нефти. Человечеству нужно 200 тонн ³He ежегодно, потребность российской энергетики оценивается в 20-30 тонн гелия-3 в год.
Однако как бы ни были велики общие запасы ³He, содержание изотопа в лунной почве все равно очень невелико (примерно 10 мг на тонну породы). Таким образом, чтобы обеспечить потребности человечества, нужно вскрывать 20 млрд тонн реголита в год. Учитывая среднюю толщину слоя реголита в 3 м, общая площадь добычи будет составлять 30 на 100 км.
Сегодня, когда доставка даже нескольких сот килограммов груза на Луну считается большим достижением, переработка миллиардов тонн лунного грунта воспринимается как совершенно фантастический проект. Поэтому правильным решением было бы не транспортировка лунного грунта на Землю, а организация на самой Луне полного цикла получения готового изотопа гелия-3 - начиная от добычи породы и заканчивая ее обогащением.
ТРУДНОСТИ ДОБЫЧИ
Впрочем, 20 млрд тонн вскрышных работ лунного грунта только кажутся фантастическим мероприятием. На Земле сейчас добывают порядка 5 млрд тонн угля в год. Объем вскрышных работ земного грунта составляет порядка 50 млрд тонн. То есть нынешние темпы разработки земных недр вполне сопоставимы по масштабам с тем, что нас может ожидать на Луне. Б то же время на Луне не будет стоять проблем, связанных с экологическими последствиями проведения вскрышных работ, поэтому общая эффективность разработки лунного грунта может быть в несколько раз выше, чем на Земле. Не стоит забывать и о том, что сила тяжести на Луне в шесть раз меньше, чем на Земле. Это, в свою очередь, позволит серьезно увеличить скорость выработки грунта.
Что же касается технической стороны вопроса, то земная наука и техника достаточно развиты для того, чтобы начать организацию процесса переноса части горно-обогатительной и добывающей промышленности на Луну. Конечно, этот процесс займет не один десяток лет, поэтому чем раньше мы его начнем, тем быстрее получим необходимый результат.
Уже сейчас надо начинать подготовительный этап, содержащий в себе геологоразведочные и испытательные работы, которые должны проводиться в рамках общих исследовательских работ на Луне. Одними из первых должны быть работы по изучению внутреннего строения Луны, запланированные в программе «Луна-Глоб». В ходе выполнения этой программы планируется с помощью химико-минералогической интерпретации сейсмических данных получить данные о химическом строении нижней мантии Луны, а также определить размеры лунного ядра.
Следующим этапом работ будет доставка фунта с Луны на Землю. Основной упор здесь нужно сделать на беспилотные аппараты, которые будут собирать образцы лунного грунта и доставлять их к посадочным модулям. Кроме того, луноходам можно поручить задачу создания долговременной сети сейсмических датчиков, импульсы которых позволят получить исчерпывающее представление о том, что происходит в недрах Луны. Одновременно с этим необходимо будет проводить картирование лунной поверхности на предмет содержания гелия-3.
РЕАКТОР НА ГЕЛИИ-3
И наконец, остается последний вопрос - создание термоядерного реактора, в работе которого используется топливо на основе гелия-3. Сегодня такой реактор существует только в теории. Хотя работы над управляемым термоядерным синтезом уже переходят в практическую плоскость. Во Франции полным ходом идет строительство экспериментального термоядерного реактора ИТЭР, который будет использовать в своей работе реакцию синтеза дейтерия с тритием. Стоимость стройки изначально оценивалась в 5 млрд евро, а первую очередь реактора планировалось пустить к 2016 году. Однако позже расходы возросли вдвое, а срок начала эксплуатации сдвинулся на 2020 год. ИТЭР будет представлять собой сооружение высотой 60 метров и массой около 23 тысяч тонн. Особое внимание при его создании было уделено проблеме радиационной безопасности. Однако для работы с гелием-3 реактор типа ИТЭР не годится. Дело в том, что для такой реакции необходимо будет создать температуру, которая в три раза выше, чем температура в активной зоне ИТЭР.
Учитывая, что с момента открытия ядерных реакций и до создания термоядерного реактора типа ИТЭР человечество шло долгих 50 лет, можно предположить, что создание реактора на гелии-3 займет примерно 20-30 лет.
Этот изотоп планируется добывать на Луне для нужд термоядерной энергетики. Однако это дело далекого будущего. Тем не менее гелий-3 чрезвычайно востребован уже сегодня — в частности, в медицине.
Владимир Тесленко
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.
Гелий-три. Странное и непонятное словосочетание. Тем не менее чем дальше, тем больше мы будем слышать его. Потому что, по мнению специалистов, именно гелий-три спасет наш мир от надвигающегося энергетического кризиса. И в этом предприятии активнейшая роль отводится России.
Луна
Перспективная термоядерная энергетика, использующая в качестве основы реакцию синтеза дейтерий-тритий, хотя и более безопасна, чем энергетика деления ядра атома, которая используется на современных АЭС, все же имеет ряд существенных недостатков.
- Во-первых , при этой реакции выделяется куда большее (на порядок!) число высокоэнергетичных нейтронов. Столь интенсивного нейтронного потока ни один из известных материалов не может выдержать свыше шести лет - при том, что имеет смысл делать реактор с ресурсом как минимум в 30 лет. Следовательно, первую стенку тритиевого термоядерного реактора будет необходимо заменять - а это очень сложная и дорогостоящая процедура, связанная к тому же с остановкой реактора на довольно длительный срок.
- Во-вторых , от мощного нейтронного излучения необходимо экранировать магнитную систему реактора, что усложняет и, соответственно, удорожает конструкцию.
- В-третьих , многие элементы конструкции тритиевого реактора после окончания эксплуатации будут высокоактивными и потребуют захоронения на длительный срок в специально созданных для этого хранилищах.
В случае же использования в термоядерном реакторе дейтерия с изотопом гелия-3 вместо трития большинство проблем удается решить. Интенсивность нейтронного потока падает в 30 раз - соответственно, можно без труда обеспечить срок службы в 30-40 лет. После окончания эксплуатации гелиевого реактора высокоактивные отходы не образуются, а радиоактивность элементов конструкции будет так мала, что их можно захоронить буквально на городской свалке, слегка присыпав землей.
В чем же проблема? Почему мы до сих пор не используем такое выгодное термоядерное топливо?
Прежде всего, потому, что на нашей планете этого изотопа чрезвычайно мало. Рождается он на Солнце, отчего иногда называется «солнечным изотопом». Его общая масса там превышает вес нашей планеты. В окружающее пространство гелий-3 разносится солнечным ветром. Магнитное поле Земли отклоняет значительную часть этого ветра, а потому гелий-3 составляет лишь одну триллионную часть земной атмосферы - примерно 4000 т. На самой Земле его еще меньше - около 500 кг.
На Луне этого изотопа значительно больше. Там он вкрапляется в лунный грунт «реголит», по составу напоминающий обычный шлак. Речь идет об огромных - практически неисчерпаемых запасах!
Анализ шести образцов грунта, привезенных экспедициями «Аполлон», и двух образцов, доставленных советскими автоматическими станциями «Луна », показал, что в реголите, покрывающем все моря и плоскогорья Луны, содержится до 106 т гелия-3, что обеспечило бы потребности земной энергетики, даже увеличенной по сравнению с современной в несколько раз, на тысячелетие! По современным прикидкам, запасы гелия-3 на Луне на три порядка больше - 109 т.
Кроме Луны, гелий-3 можно найти в плотных атмосферах планет-гигантов, и, по теоретическим оценкам, запасы его только на Юпитере составляют 1020 т, чего хватило бы для энергетики Земли до скончания времен.
Проекты добычи гелия-3
Реголит покрывает Луну слоем толщиной в несколько метров. Реголит лунных морей богаче гелием, чем реголит плоскогорий. 1 кг гелия-3 содержится приблизительно в 100 000 т реголита.
Следовательно для того, чтобы добыть драгоценный изотоп, необходимо переработать огромное количество рассыпчатого лунного грунта.
С учетом всех особенностей технология добычи гелия-3 должна включать следующие процессы:
1. Добыча реголита.
Специальные «комбайны» будут собирать реголит с поверхностного слоя толщиною около 2 м и доставлять его на пункты переработки или перерабатывать непосредственно в процессе добычи.
2. Выделение гелия из реголита.
При нагреве реголита до 600?С выделяется (десорбируется) 75% содержащегося в реголите гелия, при нагреве до 800?С - почти весь гелий. Нагрев пыли предлагается вести в специальных печах, фокусируя солнечный свет либо пластмассовыми линзами, либо зеркалами.
3. Доставка на Землю космическими кораблями многоразового использования.
При добыче гелия-3 из реголита извлекаются также многочисленные вещества: водород, вода, азот, углекислый газ, азот, метан, угарный газ, - которые могут быть полезны для поддержания лунного промышленного комплекса.
Проект первого лунного комбайна, предназначенного для переработки реголита и выделения из него изотопа гелия-3, был предложен еще группой Дж.Кульчински. В настоящее время частные американские компании разрабатывают несколько прототипов, которые, видимо, будут представлены на конкурс после того, как НАСА определится с чертами будущей экспедиции на Луну.
Понятно, что, кроме доставки комбайнов на Луну, там придется возвести хранилища, обитаемую базу (для обслуживания всего комплекса оборудования), космодром и многое другое. Считается, тем не менее, что высокие затраты на создание развитой инфраструктуры на Луне окупятся сторицей в плане того, что грядет глобальный энергетический кризис, когда от традиционных видов энергоносителей (уголь, нефть, природный газ) придется отказаться.
Главная технологическая проблема
На пути к созданию энергетики на основе гелия-3 есть одна немаловажная проблема. Дело в том, что реакцию дейтерий-гелий-3 осуществить гораздо сложнее, чем реакцию дейтерий-тритий.
В первую очередь, необычайно трудно поджечь смесь этих изотопов. Расчетная температура, при которой пойдет термоядерная реакция в дейтерий-тритиевой смеси, - 100-200 миллионов градусов. При использовании гелия-3 требуемая температура на два порядка выше. Фактически мы должны зажечь на Земле маленькое солнце.
Однако история развития ядерной энергетики (последние полвека) демонстрирует увеличение генерируемых температур на порядок в течение 10 лет. В 1990 году на европейском токамаке JET уже жгли гелий-3, при этом полученная мощность составила 140 кВт. Примерно тогда же на американском токамаке TFTR была достигнута температура, необходимая для начала реакции в дейтерий-гелиевой смеси.
Впрочем, зажечь смесь еще полдела. Минус термоядерной энергетики - сложность получения практической отдачи, ведь рабочим телом является нагретая до многих миллионов градусов плазма, которую приходится удерживать в магнитном поле.
Эксперименты по приручению плазмы проводятся уже многие десятилетия, но лишь в конце июня прошлого года в Москве представителями ряда стран было подписано соглашение о строительстве на юге Франции в городе Кадараш Международного экспериментального термоядерного реактора (ITER) - прототипа практической термоядерной электростанции. В качестве топлива ITER будет использовать дейтерий с тритием.
Термоядерный реактор на гелии-3 будет конструктивно сложнее, чем ITER, и пока его нет даже в проектах. И хотя специалисты надеются, что прототип реактора на гелии-3 появится в ближайшие 20-30 лет, пока эта технология остается чистейшей фантастикой.
Вопрос добычи гелия-3 анализировался экспертами в ходе слушаний по вопросам будущего исследования и освоения Луны, состоявшихся в апреле 2004 года в Подкомитете по космосу и аэронавтике комитета по науке палаты депутатов Конгресса США. Их вывод был однозначен: даже в отдаленном будущем добыча гелия-3 на Луне совершенно невыгодна.
Как отметил Джон Логсдон, директор Института космической политики из Вашингтона: «Космическое сообщество США не рассматривает добычу гелия-3 в качестве серьезного предлога для возвращения на Луну. Лететь туда за этим изотопом все равно что пятьсот лет назад отправить Колумба в Индию за ураном. Привезти-то он его может, и привез бы, только еще несколько сотен лет никто не знал бы, что с ним делать».
Добыча гелия-3 как национальный проект
«Мы говорим сейчас о термоядерной энергетике будущего и новом экологическом типе топлива, которое нельзя добыть на Земле. Речь идет о промышленном освоении Луны для добычи гелия-3».
Это высказывание главы ракетно-космической корпорации «Энергия» Николая Севастьянова было воспринято российскими научными обозревателями как заявка на формирование нового «национального проекта».
Ведь по сути, одной из главных функций государства, особенно в XX веке, было как раз формулирование перед обществом задач на грани воображения. Это касалось и советского государства: электрификация, индустриализация, создание атомной бомбы, первый спутник, поворот рек.
Сегодня в РФ государство пытается, но не может сформулировать задачи на грани невозможного. Государству нужно, чтобы кто-то показал ему общенациональный проект и обосновал выгоды, которые из этого проекта в теории проистекают. Программа освоения и добычи гелия-3 с Луны на Землю с целью снабжения термоядерной энергетики топливом идеально отвечает этим требованиям.
«Я просто думаю, что есть дефицит в какой-то крупной технологической задаче, - подчеркнул в интервью доктор физико-математических наук, ученый секретарь Института космических исследований РАН Александр Захаров. - Может быть, из-за этого и возникли в последнее время все эти разговоры о добыче на Луне гелия-3 для термоядерной энергетики. Если Луна - источник полезных ископаемых, и оттуда везти этот гелий-3, а на Земле не хватает энергии… Все это понятно, звучит очень красиво. И под это легко, может быть, уговорить влиятельных людей выделить деньги. Я думаю, что это так».
Пройдет совсем немного времени, по меркам жизни человеческой цивилизации, как ископаемые природные богатства будут исчерпаны. Среди возможных кандидатур на замену нефти и газа называют то энергию солнца, то силу ветра, то водород. В последние годы все чаще можно услышать о новом спасении для планеты под названием гелий-3 . Что это вещество можно использовать в качестве сырья для электростанций, додумались относительно недавно.
Общие данные о веществе: свойства
В 1934 оду австралийский физик Марк Олифант, во время работы в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета в Англии пришел к замечательному открытию. В ходе первой демонстрации ядерного синтеза при бомбардировке дейтронной мишени, он выдвинул гипотезу о существовании нового изотопа химического элемента под номером 2. Сегодня он же известен как гелий-3.
Он обладает следующими свойствами :
- Содержит два протона, один нейтрон и два электрона;
- Среди всех известных элементов он является единственным стабильным изотопом, который имеет больше протонов, чем нейтронов;
- Кипит при 3,19 по Кельвину (-269,96 градусов Цельсия). Во время кипения вещество теряет половину своей плотности;
- Момент импульса равен ½, что делает его фермионом;
- Скрытая теплота парообразования составляет 0,026 КДж/Моль;
Спустя пять лет после открытия Марка Олифанта его теоретические построения получили экспериментальное подтверждение. А еще спустя 9 лет ученым удалось получить соединение в жидком виде . Как оказалось, в таком агрегатном состоянии гелий-3 обладает сверхтекучими свойствами.
Другими словами, при температурах, близких к абсолютному нулю, он способен проникать сквозь капилляры и узкие щели, практически не испытывая противодействия силы трения.
Добыча гелия-3 на Луне
Солнечный ветер на протяжении миллиардов лет нанес в поверхностный слой реголита гигантское количество гелия-3. Согласно оценкам, его количество на земном спутнике может достигать 10 миллионов тонн.
Многие космические державы имеют программу добычи этого вещества для целей последующего термоядерного синтеза:
- В январе 2006 года российская компания «Энергия» заявила о планах начать геологические работы на Луне к 2020 году. Сегодня будущее проекта находится в подвешенном состоянии, из-за тяжелого экономического положения страны;
- В 2008 году Индийская организация космических исследований отправила к поверхности земного спутника зонд, одной из целей которого было заявлено изучение гелий-содержащих минералов;
- Собственные виды на залежи драгоценного сырья имеет и Китай. Согласно планам, предполагается отправлять к спутнику ежегодно три челнока. Энергия, произведенная из этого топлива, с лихвой покроет потребности всего человечества.
Пока остается мечтой, которую можно увидеть разве что в научно-фантастических лентах. Среди них - «Луна» (2009) и «Железное небо» (2012).
В данном видео физик Борис Романов расскажет, в каком виде находится вещество гелий-3 на Луне, возможно ли его оттуда импортировать:
Геохимические данные
Изотоп также присутствует на планете Земля, хотя и в меньших количествах:
- Это главная составляющая земной мантии, которая была синтезирована еще во время планетообразования. Совокупная ее масса в этой части планеты составляет, по различным оценкам, от 0,1 до 1 миллиона тонн;
- На поверхность он выходит в результате деятельности вулканов. Так, сопки Гавайских островов выделяют около 300 граммов этого вещества в год. Срединно-океанические хребты - около 3 килограммов;
- В местах наезда одной литосферной плиты на другую могут находиться сотни тысяч тонн гелиевого изотопа. Извлечь это богатство промышленным способом на современном этапе технологического развития не представляется возможным;
- Природа продолжает производство данного соединения до сих пор, в результате распада радиоактивных элементов в коре и мантии;
- В довольно небольших количествах (до 0,5%) его можно найти в некоторых источниках природного газа. Как отмечают эксперты, ежегодно в процессе транспортировки природного газа происходит отделение 26 м 3 гелия-3;
- Также он присутствует в земной атмосфере. Удельная доля его составляет приблизительно 7,2 частей на триллион атомов прочих газов атмосферы. Согласно последним подсчетам, общая масса атмосферного 3 2 he достигает минимум 37 тысяч тонн.
Современное использование вещества
Практически весь используемый в народном хозяйстве изотоп получают путем радиоактивного распада трития, который бомбардируют нейтронами лития-6 в ядерном реакторе.
На протяжении десятков лет гелий-3 был всего-навсего побочным продуктом при изготовлении боеголовок атомного оружия . Однако после подписания договора СНВ-1 в 1991 году сверхдержавы снизили объемы изготовления ракет, из-за чего продукты производства также пошли на убыль.
Сегодня масштабы производства изотопа находятся на подъеме, поскольку ему нашли новое применение:
- Благодаря относительно высокому гиромагнитному соотношению, частицы этого вещества применяются при медицинской томографии легких. Пациент вдыхает газовую смесь, содержащую гиперполяризованные атомы гелия-3. Затем под воздействием лазерного излучения инфракрасного диапазона компьютер рисует анатомические и функциональные изображения органов;
- В научных лабораториях данное соединение используется в криогенных целях. Путем его испарения с поверхности холодильника удается достичь значений, близких к 0,2 кельвина;
- В последние годы набирает популярность идея использования вещества в качестве сырья для электростанций. Первая подобная установка была построена в 2010 году в долине Теннеси (США).
Гелий-3 как топливо
Второй, пересмотренный подход к использованию контролируемой термоядерной энергии предполагает использование в качестве сырья 3 2 he и дейтерия. Результатом такой реакции будет ион гелия-4 и высокоэнергетические протоны.
Теоретически данная технология обладает такими преимуществами:
- Высокий КПД, поскольку для контроля за слиянием ионов используется электростатическое поле. Кинетическая энергия протонов напрямую преобразуется в электричество за счет твердотельного преобразования. Нет необходимости строить турбины, которые используются в АЭС для превращения энергии протонов в тепло;
- Более низкие, в сравнении с прочими типами электростанций, капитальные и эксплуатационные затраты;
- Ни воздух, ни вода не загрязняются;
- Относительно малые габариты благодаря использованию современных компактных установок;
- Отсутствует радиоактивное топливо.
Однако критики отмечают значительную «сырость» такого решения. В самом лучшем случае коммерческое использование термоядерного синтеза начнется не ранее 2050 года .
Среди всех изотопов химического элемента с порядковым номером 2 особняком стоит гелий-3. Что это, вкратце можно описать следующими свойствами: он стабилен (то есть не испытывает превращений в результате излучения), обладает сверхтекучими свойствами в жидком виде, имеет относительно малую массу.
Видео про образование гелия-3 во Вселенной
В данном ролике физик Даниил Потапов расскажет, как во Вселенной образовался гелий-3, какую роль в формировании вселенной он играл:
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.
Loading...