Helij na luni. Helij tri je energija prihodnosti. kje ali sončni gost

Možno je, da bomo v prihodnjih letih priča Lunarni dirki-2, katere zmagovalec (ali zmagovalci) bo dobil v roke skoraj neizčrpen vir energije. To pa bo človeštvu omogočilo vstop v kakovostno novo tehnološko strukturo, o parametrih katere lahko le ugibamo.

Kaj je helij-3?

Od šolski tečaj Kot fiziki se spomnimo, da je atomska masa helija štiri in je ta element inertni plin. Težavno ga je uporabljati v katerem koli kemične reakcije, predvsem ob sproščanju energije. Popolnoma druga zadeva je izotop helija z atomsko maso 3. Sposoben je vstopiti v termonuklearno reakcijo z devterijem (izotop vodika z atomsko maso 2), kar ima za posledico tvorbo velikanske energije zaradi sinteze navadnega helija. -4 s sprostitvijo protona (3 He + D → 4 Not + p + energija). Podobno lahko iz samo enega grama helija-3 pridobite enako energijo, kot bi zažgali 15 ton nafte.

Tona helija-3 zadostuje za sprostitev 10 GW energije za eno leto. Tako bo za zadostitev vseh trenutnih potreb Rusije po energiji letno potrebnih 20 ton helija-3, za celotno človeštvo pa približno 200 ton tega izotopa na leto. Hkrati ne bo treba kuriti nafte in plina, katerih zaloge niso neomejene, po zadnjih ocenah dokazanih zalog ogljikovodikov bo človeštvo zdržalo le še pol stoletja. Ne bo treba obratovati precej nevarnih jedrskih elektrarn, kar je po Černobilu in Fukušimi postalo še posebej pomembno.

Kje lahko dobim helij-3?

pri sodobni razvoj tehnologije je edini zares dostopen vir tega elementa površina Lune. Sam helij-3 nastane v notranjosti zvezd (na primer našega Sonca) kot posledica spoja dveh atomov vodika. V tem primeru je glavni produkt te reakcije navaden helij-4, izotop-3 pa nastane v majhnih količinah. Nekaj ​​ga odnese sončni veter in se enakomerno porazdeli po celotnem planetarnem sistemu.

Helij-3 praktično ne pade na Zemljo, saj njegove atome odklanja magnetno polje našega planeta. Toda na planetih, ki nimajo takšnega polja, se element odlaga v zgornje plasti zemlje in se postopoma kopiči. Najbližje nebesno telo Zemlji, ki nima magnetnega polja, je Luna, zato so tukaj koncentrirane zaloge tega dragocenega nosilca energije, ki je na voljo človeštvu.

To potrjujejo ne le teoretični izračuni, ampak tudi rezultati empiričnih raziskav. Helij-3 je bil najden v relativno visokih koncentracijah v vseh vzorcih lunine prsti, dostavljenih na Zemljo. V povprečju je 1 gram na 100 ton regolita. tega energijskega izotopa.

Tako bo za pridobitev zgoraj omenjenih 20 ton helija-3 za popolno zadovoljevanje letnih energetskih potreb Ruske federacije potrebno "odkopati" 2000 milijonov ton lunine zemlje.

Fizično to ustreza območju na Luni, ki meri 20 x 20 km z globino kamnoloma 3 m. Naloga organizacije tako velikega rudarjenja je precej zapletena, a povsem rešljiva, so prepričani sodobni inženirji. Očitno bo težji in dražji problem dostaviti na Zemljo več deset ton goriva za fuzijske peči.

Kaj človeštvu manjka za revolucijo helijeve energije?

Za razvoj na Zemlji polnopravnih termo jedrska energija Na podlagi helija-3 bodo morali ljudje rešiti tri glavne težave.

1. Ustvarjanje zanesljivih in zmogljivih sredstev za dostavo blaga po poti Zemlja-Luna in nazaj.

2. Gradnja lunarnih baz in kompleksov za pridobivanje helija-3, ki je povezana s številnimi tehnološkimi težavami.

3. Izgradnja dejanskih termonuklearnih elektrarn na Zemlji, za kar je treba premagati tudi določene tehnološke ovire.

Človeštvo se je približalo rešitvi prvega problema. Vse štiri države, ki sodelujejo v Moon Race 2 plus Evropska unija, so že razvili ali razvijajo težke rakete, ki lahko v lunino orbito vržejo tone tovora. Na primer, do leta 2027 v Rusiji načrtujejo strojno implementacijo nosilne rakete Angara-A5V, ki bo sposobna na Luno dostaviti najmanj 10 ton tovora. Povratni prevoz bo lažji, saj je gravitacijska sila Lune 6-krat manjša od Zemljine, vendar bo tu problem gorivo. Bodisi ga bo treba uvoziti z Zemlje ali proizvesti na površini našega satelita.

Druga naloga je veliko resnejša, saj bodo morali inženirji poleg organizacije dejanskega pridobivanja helija-3 iz regolita ustvariti zanesljive lunarne baze s sistemi za vzdrževanje življenja za rudarje prihodnosti. Pri tem bodo zelo pripomogle tehnologije, razvite z dolgoletnim delovanjem orbitalnih postaj, predvsem ISS in Mir. Tako v Rusiji kot v drugih državah se lunarne baze danes aktivno načrtujejo in morda ima naša država danes največjo tehnologijo za resnično izvedbo takšnih projektov.

Kar zadeva tretji problem, delo na ustvarjanju termonuklearnih reaktorjev poteka na Zemlji zadnja tri desetletja. Glavna tehnološka težava pri tem je problem zadrževanja visokotemperaturne plazme (potrebne za "vžig" termonuklearna fuzija) v ti "magnetne pasti".

To vprašanje je že rešeno za reaktorje, ki delujejo na principu združevanja devterija in tritija (D + T = 4 He + n + energija). Za vzdrževanje takšne reakcije zadostuje temperatura 100 milijonov stopinj.

Vendar takšni reaktorji ne bodo nikoli razširjeni, saj so izjemno radioaktivni. Za začetek reakcije, ki vključuje helij-3 in devterij, bodo potrebne temperature 300-700 milijonov stopinj. Takšne plazme zaenkrat še ni mogoče dolgo zadržati v magnetnih pasteh, morda pa bo preboj na tem področju prinesel zagon mednarodnega termonuklearnega eksperimentalnega reaktorja (ITER), ki ga trenutno gradijo v Franciji in bodo postavili v obratovanje do leta 2025.

Tako je desetletje med 2030-2040 ima vse možnosti, da postane izhodišče za razvoj energije na osnovi helija-3, saj bodo do takrat očitno premagane zgoraj navedene tehnološke ovire. V skladu s tem ostaja iskanje denarja za izvedbo energetskega projekta, ki je sposoben premakniti človeštvo v obdobje izjemno poceni (skoraj brezplačne) energije z vsemi posledicami, tako za gospodarstvo kot za kakovost življenja vsakega človeka.

Sestava in struktura

Fizikalne lastnosti

Uporaba

Nevtronski števci

Plinomeri, napolnjeni s helijem-3, se uporabljajo za zaznavanje nevtronov. To je najpogostejša metoda za merjenje nevtronskega toka. V njih je reakcija

n+ 3 He → 3 H + 1 H + 0,764 MeV.

Nabite produkte reakcije - triton in proton - beleži plinski števec, ki deluje v načinu proporcionalnega števca ali Geiger-Mullerjevega števca.

Prejemanje ultra nizkih temperatur

Temperature millikelvin se dosežejo z raztapljanjem tekočega helija-3 v heliju-4.

Zdravilo

Polarizirani helij-3 (shranjujemo ga lahko dlje časa) so pred kratkim začeli uporabljati pri slikanju z magnetno resonanco za slikanje pljuč z jedrsko magnetno resonanco.

Cena

Povprečna cena helija-3 je bila leta 2009 930 dolarjev za liter.

Helij-3 kot jedrsko gorivo

Reakcija 3 He + D → 4 He + p ima številne prednosti v primerjavi z reakcijo devterij-tritij T + D → 4 He + n, ki je najbolj dosegljiva v zemeljskih razmerah. Te prednosti vključujejo:

Pomanjkljivosti reakcije helij-devterij vključujejo bistveno višji temperaturni prag. Pred začetkom je treba doseči temperaturo približno milijardo stopinj.

Trenutno se helij-3 ne pridobiva iz naravnih virov, ampak se ustvari umetno iz razpada tritija. Slednji je bil proizveden za termonuklearno orožje z obsevanjem bora-10 in litija-6 v jedrskih reaktorjih.

Načrti za rudarjenje helija-3 na Luni

Helij-3 je stranski produkt reakcij, ki potekajo na Soncu. Na Zemlji ga kopljejo v zelo majhnih količinah, ki znašajo nekaj deset gramov na leto.

Nestabilen (manj kot en dan): 5 He: Helij-5, 6 He: Helij-6, 7 He: Helij-7, 8 He: Helij-8, 9 He: Helij-9, 10 He: Helij-10

Fundacija Wikimedia.

2010.

Znanstveni in tehnični enciklopedični slovar Jaz, mož. , staro Eliy, I. Poročilo: Gelievich, Gelievna Izpeljanke: Gelya (Gela); Elya. Izvor: (Iz grškega hēlios sonce.) Imenski dan: 27. julij Slovar osebnih imen. Helij Glej Ellium. Angelski dan. Referenca...

Slovar osebnih imen HELIJ - kem. element, simbol He (lat. Helij), at. n. 2, pri. m. 4.002, se nanaša na inertne (žlahtne) pline; brez barve in vonja, gostota 0,178 kg/m3. V običajnih pogojih je plin enoatomski plin, katerega atom sestoji iz jedra in dveh elektronov; se oblikuje...

Velika politehnična enciklopedija - (Helij), He, kemijski element skupine VIII periodni sistem , atomsko število 2, atomska masa 4,002602; spada med žlahtne pline; snov z najnižjim vreliščem (vrelišča 268,93°C), edina, ki se pri normalnem tlaku ne strdi;... ... Sodobna enciklopedija - HELIJ, jaz, mož. Kemični element , inertni plin, brez barve in vonja, za vodikom najlažji plin. | prid. helij, oh, oh. Slovar Ozhegova. S.I. Ozhegov, N.Yu. Švedova. 1949 1992 …

- Plin (helij) je brez barve in vonja, kemično neaktiven, 7,2-krat lažji od zraka, ne gori. Najdemo ga v zelo majhnih količinah v ozračju (1/2000%). Zaradi svoje lahkosti in negorljivosti se uporablja predvsem za polnjenje zračnih ladij ... Marine Dictionary

Ta izotop naj bi pridobivali na Luni za potrebe termonuklearne energije. Vendar je to stvar daljne prihodnosti. Kljub temu je helij-3 danes izjemno povpraševanje, zlasti v medicini.

Vladimir Teslenko

Celotna količina helija-3 v Zemljini atmosferi je ocenjena na le 35.000 ton Njegovega izpusta iz plašča v ozračje (skozi vulkane in prelomnice v skorji) znaša nekaj kilogramov na leto. V luninem regolitu se je helij-3 postopoma kopičil v stotinah milijonov let obsevanja sončnega vetra. Kot rezultat, tona lunarne zemlje vsebuje 0,01 g helija-3 in 28 g helija-4; to izotopsko razmerje (~0,04 %) je znatno višje kot v zemeljski atmosferi.

Ambiciozni načrti za pridobivanje helija-3 na Luni, o katerih resno razmišljajo ne le vesoljski voditelji (Rusija in ZDA), ampak tudi novinke (Kitajska in Indija), so povezani z upanjem, ki ga energetski sektor polaga v to. izotop. Jedrska reakcija 3He+D→4He+p ima vrsto prednosti v primerjavi z reakcijo devterij-tritij T+D→4He+n, ki je najbolj dosegljiva v zemeljskih razmerah.

Te prednosti vključujejo desetkrat nižji nevtronski tok iz reakcijskega območja, kar močno zmanjša inducirano radioaktivnost in razgradnjo strukturnih materialov reaktorja. Poleg tega se eden od reakcijskih produktov - protoni - za razliko od nevtronov zlahka ujamejo in se lahko uporabijo za dodatno proizvodnjo električne energije. Hkrati sta tako helij-3 kot devterij neaktivna, njihovo shranjevanje ne zahteva posebnih previdnostnih ukrepov, v primeru nesreče reaktorja z znižanjem tlaka v jedru pa je radioaktivnost izpusta blizu nič. Reakcija helij-devterij ima tudi resno pomanjkljivost - bistveno višji temperaturni prag (za začetek reakcije je potrebna temperatura približno milijardo stopinj).

Čeprav je vse to stvar prihodnosti, je po heliju-3 še danes veliko povpraševanja. Resda ne za energijo, ampak za jedrska fizika, kriogena industrija in medicina.

Slikanje z magnetno resonanco

Odkar se je pojavila v medicini, je magnetna resonanca (MRI) postala ena glavnih diagnostičnih metod, ki nam omogoča nepoškodovan pogled »v notranjost« različnih organov.

Približno 70 % mase človeško telo pade na vodik, katerega jedro, proton, ima določen spin in z njim povezan magnetni moment. Če postavite proton v zunanje konstantno magnetno polje, se vrtenje in magnetni moment so usmerjeni vzdolž polja ali proti njemu, energija protona pa bo v prvem primeru manjša kot v drugem. Proton lahko preidemo iz prvega stanja v drugo tako, da mu prenesemo strogo določeno energijo, ki je enaka razliki med tema ravni energije, - na primer z obsevanjem s kvanti elektromagnetno polje z določeno frekvenco.

Kako magnetizirati helij-3

Najenostavnejši in najbolj neposreden način magnetiziranja helija-3 je, da ga ohladimo v močnem magnetnem polju. Vendar je učinkovitost te metode zelo nizka, zahteva pa tudi močna magnetna polja in nizke temperature. Zato se v praksi uporablja metoda optičnega črpanja - prenos spina na atome helija iz polariziranih fotonov črpalke. V primeru helija-3 se to zgodi v dveh stopnjah: optično črpanje v metastabilnem stanju in spinska izmenjava med atomi helija v osnovnem in metastabilnem stanju. Tehnično se to izvede z obsevanjem celice s helijem-3 z laserskim sevanjem s krožno polarizacijo, ki jo v prisotnosti šibkega magnetnega polja prenese v metastabilno stanje s šibko visokofrekvenčno električno razelektritvijo. Polarizirani helij se lahko hrani v posodi, obloženi s cezijem, pri tlaku 10 atmosfer približno 100 ur.

Natančno tako deluje MRI skener, le da ne zazna posameznih protonov. Če postavite vzorec, ki vsebuje veliko število protonov v močno magnetno polje, potem bo število protonov z magnetnim momentom, usmerjenim vzdolž in proti polju, približno enako. Če začnete ta vzorec obsevati z elektromagnetnim sevanjem strogo določene frekvence, se bodo vsi protoni z magnetnim momentom (in vrtenjem) "vzdolž polja" obrnili in zavzeli položaj "proti polju". V tem primeru pride do resonančne absorpcije energije, med procesom vračanja v prvotno stanje, ki ga imenujemo relaksacija, pa do ponovnega oddajanja prejete energije, ki ga lahko zaznamo. Ta pojav imenujemo jedrska magnetna resonanca, NMR. Povprečna polarizacija snovi, od katere je odvisen uporabni signal pri NMR, je premo sorazmerna z jakostjo zunanjega magnetnega polja. Za pridobitev signala, ki ga je mogoče zaznati in ločiti od šuma, je potreben superprevodni magnet - le ta lahko ustvari magnetno polje z indukcijo približno 1-3 Tesla.

Magnetni plin

MRI skener »vidi« kopičenja protonov, zato je odličen za preučevanje in diagnosticiranje mehkih tkiv in organov, ki vsebujejo velike količine vodika (predvsem v obliki vode), poleg tega pa omogoča razlikovanje magnetnih lastnosti molekul. Na ta način lahko recimo ločite arterijsko kri, ki vsebuje hemoglobin (glavni prenašalec kisika v krvi) od venske krvi, ki vsebuje paramagnetni deoksihemoglobin – na tem temelji fMRI (funkcionalna MRI), ki omogoča spremljanje aktivnosti nevronov v možganih.

Ampak, žal, tako čudovita tehnika, kot je MRI, je popolnoma neprimerna za preučevanje pljuč, napolnjenih z zrakom (tudi če jih napolnite z vodikom, bo signal iz plinastega medija z nizko gostoto prešibek glede na hrup v ozadju). In mehka tkiva pljuč niso dobro vidna z MRI, saj so "porozna" in vsebujejo malo vodika.

Ali je to omejitev mogoče zaobiti? Možno je, če uporabite "magnetiziran" plin - v tem primeru povprečna polarizacija ne bo določena z zunanjim poljem, ker bodo vsi (ali skoraj vsi) magnetni momenti usmerjeni v isto smer. In to sploh ni znanstvena fantastika: leta 1966 je francoski fizik Alfred Kastler prejel Nobelova nagrada z besedilom "Za odkritje in razvoj optičnih metod za preučevanje Hertzovih resonanc v atomih." Ukvarjal se je z vprašanji optične polarizacije spinskih sistemov - to je natančno "magnetizacija" plinov (zlasti helija-3) z uporabo optičnega črpanja med resonančno absorpcijo krožno polariziranih fotonov.

Jedrska magnetna resonanca uporablja magnetne lastnosti vodikovih jeder – protonov. Brez zunanjega magnetnega polja so magnetni momenti protonov usmerjeni naključno (kot na prvi sliki). Ko se uporabi močno magnetno polje, so magnetni momenti protonov usmerjeni vzporedno s poljem - bodisi "vzdolž" bodisi "proti". Ta dva položaja imata različno energijo (2). Radiofrekvenčni impulz z resonančno frekvenco, ki ustreza energijski razliki, »obrne« magnetne momente protonov »proti« polju (3). Po koncu radiofrekvenčnega impulza pride do obratnega "obrata" in protoni se oddajajo pri resonančna frekvenca. Ta signal sprejme radiofrekvenčni sistem tomografa in ga računalnik uporabi za izdelavo slike (4).

Dihajte globlje

Uporabo polariziranih plinov v medicini je začela skupina raziskovalcev s Princetona in univerze New York v Stony Brooku. Leta 1994 so znanstveniki v reviji Nature objavili članek, ki je pokazal prvo MRI sliko mišjih pljuč.

Res je, MRI ni povsem standardna - tehnika je temeljila na odzivu ne vodikovih jeder (protonov), temveč jeder ksenona-129. Poleg tega plin ni bil čisto navaden, ampak hiperpolariziran, torej vnaprej "magnetiziran". Tako se je rodilo nova metoda diagnostiko, ki se je kmalu začela uporabljati v humani medicini.

Hiperpolariziran plin (običajno pomešan s kisikom) doseže najbolj oddaljene vdolbine pljuč, kar omogoča pridobitev MRI slike z ločljivostjo, ki je za red velikosti višja od najboljših rentgenskih slik. Možno je celo izdelati podroben zemljevid parcialnega tlaka kisika v vsakem delu pljuč in nato sklepati o kakovosti krvnega pretoka in difuzije kisika v kapilarah. Ta tehnika omogoča preučevanje narave pljučne ventilacije pri astmatikih in spremljanje dihanja kritičnih bolnikov na ravni alveolov.

Kako deluje MRI? MRI skener zaznava skupine protonov – jedra vodikovih atomov. Zato MR slikanje pokaže razlike v vsebnosti vodika (predvsem vode) v različnih tkivih. Obstajajo tudi drugi načini za razlikovanje enega tkiva od drugega (na primer razlike v magnetne lastnosti), ki se uporabljajo v specializiranih raziskavah.

Prednosti MRI z uporabo hiperpolariziranih plinov se tu ne končajo. Ker je plin hiperpolariziran, je nivo uporabnega signala veliko višji (približno 10.000-krat). To pomeni, da ni potrebe po super močnem magnetna polja, in vodi do oblikovanja tako imenovanih skenerjev MRI z nizkim poljem - so cenejši, bolj mobilni in veliko bolj prostorni. Takšne instalacije uporabljajo elektromagnete, ki ustvarjajo polje reda velikosti 0,005 Tesla, kar je več stokrat šibkejše od standardnih MRI skenerjev.

Majhna ovira

Čeprav so bili prvi poskusi na tem področju izvedeni s hiperpolariziranim ksenonom-129, ga je kmalu nadomestil helij-3. Je neškodljiv, daje jasnejše slike kot ksenon-129 in ima trikrat večji magnetni moment, zaradi česar je NMR signal močnejši. Poleg tega je obogatitev ksenona-129 zaradi bližine mase z drugimi izotopi ksenona drag postopek, dosegljiva polarizacija plina pa je bistveno nižja kot pri heliju-3. Poleg tega ima ksenon-129 sedativni učinek.

Toda če so tomografi z nizkim poljem preprosti in poceni, zakaj se metoda MRI s hiperpolariziranim helijem zdaj ne uporablja v vseh klinikah? Obstaja ena ovira. Ampak kaj!

Dediščina hladne vojne

Edini način za proizvodnjo helija-3 je razpad tritija. Večina zalog 3He izvira iz razpada tritija, proizvedenega med jedrsko oboroževalno tekmo med hladna vojna. V ZDA se je do leta 2003 nabralo približno 260.000 litrov "surovega" (neprečiščenega) helija-3, do leta 2010 pa je ostalo le še 12.000 litrov neporabljenega plina. Zaradi naraščajočega povpraševanja po tem redkem plinu so leta 2007 celo obnovili proizvodnjo omejenih količin tritija, do leta 2015 pa načrtujejo proizvodnjo dodatnih 8000 litrov helija-3 letno. Poleg tega je letna potreba po njem že najmanj 40.000 litrov (od tega se le 5 % porabi v medicini). Aprila 2010 je ameriški odbor za znanost in tehnologijo sklenil, da bi pomanjkanje helija-3 povzročilo resnične negativne posledice na številnih področjih. Celo znanstveniki, ki delajo v ameriški jedrski industriji, imajo težave pri pridobivanju helija-3 iz državnih rezerv.

Hlajenje z mešanjem

Druga industrija, ki ne more brez helija-3, je kriogena industrija. Za doseganje ultra nizkih temperatur, t.i. hladilnik za raztapljanje, ki uporablja učinek raztapljanja helija-3 v helij-4. Pri temperaturah pod 0,87 K se mešanica loči v dve fazi – bogato s helijem-3 in helijem-4. Prehod med temi fazami zahteva energijo, kar omogoča ohlajanje na zelo nizke temperature – do 0,02 K. Najenostavnejša taka naprava ima zadostno zalogo helija-3, ki postopoma prehaja preko vmesnika v fazo, bogato s helijem. -4 z absorpcijo energije. Ko zmanjka zaloge helija-3, naprava ne bo mogla več delovati - je "za enkratno uporabo".
To metodo hlajenja so zlasti uporabili v orbitalnem observatoriju Planck Evropske vesoljske agencije. Planckova naloga je vključevala snemanje anizotropije sevanja kozmičnega mikrovalovnega ozadja (s temperaturo približno 2,7 K) z visoka ločljivost z uporabo 48 bolometričnih detektorjev HFI (High Frequency Instrument), ohlajenih na 0,1 K. Preden je bila zaloga helija-3 v hladilnem sistemu izčrpana, je Planck uspel posneti 5 fotografij neba v mikrovalovnem območju.

Dražbena cena helija-3 se giblje okoli 2000 dolarjev na liter, trendov padanja pa ni opaziti. Pomanjkanje tega plina je posledica dejstva, da se glavnina helija-3 uporablja za izdelavo nevtronskih detektorjev, ki se uporabljajo v napravah za detekcijo jedrskih snovi. Takšni detektorji registrirajo nevtrone z reakcijo (n, p) - zajem nevtrona in emisija protona. In za odkrivanje poskusov uvoza jedrskih materialov je potrebnih veliko takšnih detektorjev - na stotine tisoč kosov. Prav zaradi tega je helij-3 postal fantastično drag in nedostopen množični medicini.

Vendar pa obstaja upanje. Res je, da ne temeljijo na lunarnem heliju-3 (njegovo pridobivanje ostaja oddaljena perspektiva), temveč na tritiju, proizvedenem v težkovodnih reaktorjih tipa CANDU, ki delujejo v Kanadi, Argentini, Romuniji, na Kitajskem in v Južni Koreji.

Helij-tri. Čudna in nerazumljiva fraza. Kljub temu, dlje kot gremo, bolj ga bomo slišali. Ker bo po mnenju strokovnjakov prav helij-3 rešil naš svet pred bližajočo se energetsko krizo. In v tem podjetju je najbolj aktivna vloga dodeljena Rusiji.

Luna

Obetavna termonuklearna energija, ki za osnovo uporablja reakcijo fuzije devterija in tritija, čeprav je varnejša od energije jedrske cepitve, ki se uporablja v sodobnih jedrskih elektrarnah, ima še vedno številne pomembne pomanjkljivosti.

• Prvič, ta reakcija sprosti veliko večje (za red velikosti!) število visokoenergijskih nevtronov. Noben od znanih materialov ne zdrži tako intenzivnega nevtronskega toka več kot šest let – kljub temu, da je smiselno narediti reaktor z življenjsko dobo vsaj 30 let. Posledično bo treba zamenjati prvo steno tritijevega fuzijskega reaktorja, kar je zelo zapleten in drag postopek, ki vključuje tudi zaustavitev reaktorja za precej dolgo obdobje.
• Drugič, potrebno je zaščititi magnetni sistem reaktorja pred močnim nevtronskim sevanjem, kar zaplete in posledično poveča stroške zasnove.
• Tretjič, bodo številni strukturni elementi tritijevega reaktorja po koncu delovanja zelo aktivni in bodo zahtevali dolgoročno zakopavanje v skladiščih, posebej ustvarjenih za ta namen.

V primeru uporabe devterija z izotopom helija-3 namesto tritija v termonuklearnem reaktorju je večina težav rešljivih. Intenzivnost nevtronskega toka pade za 30-krat - v skladu s tem je mogoče enostavno zagotoviti življenjsko dobo 30-40 let. Po koncu delovanja helijevega reaktorja ne bodo nastajali visokoradioaktivni odpadki, radioaktivnost konstrukcijskih elementov pa bo tako nizka, da jih bo mogoče dobesedno zakopati na mestnem odlagališču, rahlo posute z zemljo.

v čem je problem? Zakaj še vedno ne uporabljamo tako koristnega termonuklearnega goriva?

Najprej zato, ker je tega izotopa na našem planetu izjemno malo. Rodi se v Soncu, zato ga včasih imenujejo "sončni izotop". Njegovo skupna masa presega težo našega planeta. Helij-3 v okoliški prostor prenaša sončni veter. Zemljino magnetno polje odkloni pomemben del tega vetra, zato helij-3 predstavlja le eno trilijonko Zemljine atmosfere - približno 4000 ton, na sami Zemlji pa še manj - približno 500 kg.

Tega izotopa je na Luni veliko več. Tam je vgrajena v lunino zemljo "regolit", katerega sestava je podobna navadni žlindri. Gre za o ogromnih – skoraj neizčrpnih rezervah!

Analiza šestih vzorcev tal, ki so jih prinesle odprave Apollo, in dveh vzorcev, ki jih je dostavila Sovjetska zveza avtomatske postaje « Luna«, je pokazala, da regolit, ki pokriva vsa morja in planote Lune, vsebuje do 106 ton helija-3, kar bi zadovoljilo potrebe zemeljske energije, celo nekajkrat povečane v primerjavi s sodobnimi, za tisočletje! Po sodobnih ocenah so zaloge helija-3 na Luni tri velikosti večje - 109 ton.

Poleg Lune je helij-3 mogoče najti v gosti atmosferi planetov velikanov, po teoretičnih ocenah pa znašajo njegove zaloge samo na Jupitru 1020 ton, kar bi zadostovalo za oskrbo Zemlje z energijo do konec časa.

Projekti rudarjenja helija-3

Regolit prekriva Luno s plastjo, debelo nekaj metrov. Regolit lunarna morja bogatejši s helijem kot planotasti regolit. 1 kg helija-3 je v približno 100.000 tonah regolita.

Zato je za pridobivanje dragocenega izotopa potrebno predelati ogromno količino drobljive lunine zemlje.

Ob upoštevanju vseh značilnosti mora proizvodna tehnologija helija-3 vključevati naslednje procese:

1. Pridobivanje regolita.

Posebni »kombajni« bodo zbirali regolit iz približno 2 m debele površinske plasti in ga dostavljali na predelovalna mesta ali predelovali neposredno med procesom rudarjenja.

2. Sproščanje helija iz regolita.

Pri segrevanju regolita na 600?C se sprosti (desorbira) 75% helija, ki ga vsebuje regolit, pri segrevanju na 800?C pa se sprosti skoraj ves helij. Predlagano je segrevanje prahu v posebnih pečeh, fokusiranje sončna svetloba plastične leče ali ogledala.

3. Dostava na Zemljo vesoljske ladje za večkratno uporabo.

Pri ekstrakciji helija-3 iz regolita se ekstrahirajo tudi številne snovi: vodik, voda, dušik, ogljikov dioksid, dušik, metan, ogljikov monoksid – kar bi lahko bilo koristno pri vzdrževanju lunarnega industrijskega kompleksa.

Projekt prvega lunarnega kombajna, namenjenega obdelavi regolita in izločanju izotopa helija-3 iz njega, je predlagala skupina J. Kulczynskega. Trenutno zasebna ameriška podjetja razvijajo več prototipov, ki bodo očitno prijavljeni na natečaj, potem ko se bo NASA odločila o značilnostih prihodnje odprave na Luno.

Jasno je, da bo treba tam poleg dostave kombajnov na Luno zgraditi skladišča, bazo s posadko (za servisiranje celotnega kompleksa opreme), kozmodrom in še veliko več. Menijo pa, da se bodo visoki stroški oblikovanja razvite infrastrukture na Luni izdatno obrestovali v smislu prihajajoče svetovne energetske krize, ko bo treba opustiti tradicionalne vrste energetskih virov (premog, nafta, zemeljski plin). .

Glavna tehnološka težava

Obstaja ena pomembna težava na poti do ustvarjanja energije na osnovi helija-3. Dejstvo je, da je reakcijo devterij-helij-3 veliko težje izvesti kot reakcijo devterij-tritij.

Prvič, nenavadno težko je vžgati mešanico teh izotopov. Ocenjena temperatura, pri kateri bo prišlo do termonuklearne reakcije v mešanici devterija in tritija, je 100-200 milijonov stopinj. Pri uporabi helija-3 je zahtevana temperatura dva reda velikosti višja. Pravzaprav moramo prižgati majhno sonce na Zemlji.

Vendar pa zgodovina razvoja jedrske energije (zadnjega pol stoletja) kaže, da so se ustvarjene temperature v 10 letih povečale za red velikosti. Leta 1990 je evropski tokamak JET že zgoreval helij-3, nastala moč pa je bila 140 kW. Približno v istem času je ameriški tokamak TFTR dosegel temperaturo, potrebno za začetek reakcije v mešanici devterija in helija.

Vendar pa je osvetlitev mešanice še vedno pol uspeha. Pomanjkljivost termonuklearne energije je težko doseganje praktičnih donosov, ker je delovna tekočina plazma, segreta na več milijonov stopinj, ki jo je treba hraniti v magnetnem polju.

Poskusi krotenja plazme potekajo že več desetletij, a šele konec junija lani so predstavniki številnih držav v Moskvi podpisali sporazum o izgradnji mednarodnega eksperimentalnega termonuklearnega reaktorja (ITER) na jugu Francije. v mestu Cadarache - prototip praktične termonuklearne elektrarne. ITER bo kot gorivo uporabljal devterij in tritij.

Termonuklearni reaktor helij-3 bo konstrukcijsko bolj zapleten kot ITER in ga zaenkrat niti ni v projektih. In čeprav strokovnjaki upajo, da se bo prototip reaktorja helij-3 pojavil v naslednjih 20-30 letih, za zdaj ta tehnologija ostaja čista fantazija.

Vprašanje rudarjenja helija-3 so analizirali strokovnjaki med zaslišanjem o prihodnosti raziskovanja in razvoja lune, ki je potekalo aprila 2004 v pododboru za vesolje in aeronavtiko znanstvenega odbora predstavniškega doma ameriškega kongresa. Njihov zaključek je bil jasen: tudi v daljni prihodnosti je rudarjenje helija-3 na Luni povsem nerentabilno.

Kot je zapisal John Logsdon, direktor Inštituta za vesoljsko politiko v Washingtonu: »Ameriška vesoljska skupnost rudarjenja helija-3 ne vidi kot resen izgovor za vrnitev na Luno. Leteti tja po ta izotop je enako, kot bi poslali Kolumba v Indijo po uran pred petsto leti. Lahko bi ga prinesel in bi ga prinesel, a še nekaj sto let nihče ne bo vedel, kaj bi z njim.«

Pridobivanje helija-3 kot nacionalni projekt

»Zdaj govorimo o termonuklearni energiji prihodnosti in novi ekološki vrsti goriva, ki ga na Zemlji ni mogoče proizvesti. Govorimo o industrijskem razvoju Lune za pridobivanje helija-3.«

To izjavo vodje raketno-vesoljske korporacije Energija Nikolaja Sevastjanova so ruski znanstveni opazovalci razumeli kot prijavo za oblikovanje novega »nacionalnega projekta«.

Dejansko je bila ena glavnih funkcij države, zlasti v 20. stoletju, prav oblikovanje nalog za družbo na meji domišljije. To je tudi veljalo Sovjetska država: elektrifikacija, industrializacija, ustvarjanje atomska bomba, prvi satelit, obrat rek.

Danes se država v Ruski federaciji trudi, vendar ne more oblikovati nalog, ki so na meji nemogočega. Država potrebuje nekoga, ki ji pokaže nacionalni projekt in utemelji koristi, ki teoretično izvirajo iz tega projekta. Program za razvoj in pridobivanje helija-3 z Lune na Zemljo za oskrbo termonuklearne energije z gorivom idealno izpolnjuje te zahteve.

»Samo mislim, da je v nekem večjem tehnološkem problemu pomanjkanje,« je v intervjuju poudaril doktor fizikalnih in matematičnih znanosti, znanstveni sekretar Inštituta. raziskovanje vesolja RAS Aleksander Zakharov. - Morda so zaradi tega nastali v v zadnjem času ves ta govor o pridobivanju helija-3 na Luni za termonuklearno energijo. če Luna- vir mineralov, in od tam prinesti ta helij-3, vendar na Zemlji ni dovolj energije ... Vse to je razumljivo, sliši se zelo lepo. In morda je enostavno prepričati vplivne ljudi, da za to namenijo denar. Mislim, da."