Содержание
Сказочный изотоп: станет ли гелий-3 топливом будущего?
Search
Время на чтение 6 мин.
В контексте лунной гонки XXI века, в которую активно включились США, Китай и Россия, довольно часто упоминается гелий-3. Оно и понятно: огромным тратам на космические программы нужно придать хотя бы видимость какой-то осязаемой практической пользы. Гелий-3 называют элементом, который способен решить все энергетические проблемы человечества на тысячелетия вперед, а Луну — самым перспективным местом, где его можно добывать. Именно этим порой обуславливают пробудившийся интерес ведущих держав к освоению спутника. Но на сегодняшний день рассматривать гелий-3 как топливо будущего следует с большими оговорками. И вот почему.
Три-четыре
Итак, что такое гелий-3 и почему он, собственно, три? Здесь нужно вспомнить школьный курс химии.
Все химические элементы в этой Вселенной существуют в виде изотопов. Изотопы — это варианты одного элемента, у которых одинаковый заряд ядра (а следовательно, одинаковое количество протонов), но разное массовое число (из-за того, что в ядре разное количество нейтронов). Свойства изотопов могут различаться — самое известное неспециалистам различие в том, что изотопы могут быть стабильными и радиоактивными.
У интересующего нас гелия есть девять изотопов, но только два из них стабильны: это гелий-4 (его ядро состоит из двух протонов и двух нейтронов) и гелий-3 (в его ядре два протона и один нейтрон). Из этих двух изотопов и состоит природный гелий. Почему же его нужно искать на Луне?
Дело в том, что из всего гелия, который есть на нашей планете, 99,999863 % составляет гелий-4.
Оба изотопа из-за своей легкости постоянно улетают из нашей планеты в космос. Но запасы гелия-4 пополняются в результате альфа-распада природных радиоактивных элементов вроде урана или тория (альфа-частица и есть по сути ядро гелия-4).
А вот гелий-3 так не образуется, и весь его запас на нашей планете появился миллиарды лет назад, когда Земля только формировалась. С тех пор он постепенно улетучивается из мантии в атмосферу, а оттуда в космос.
А вот на других объектах Солнечной системы дела обстоят иначе. К ним гелий-3 заносится с солнечным ветром — поток частиц от нашей звезды. Земля защищена атмосферой и магнитным полем, так что сюда гелий-3 не поступает. А вот в лунном реголите (поверхностный слой лунного грунта) изотоп прекрасно накапливается. В результате за те миллиарды лет, которые существует наш спутник, там накопились значительные (по сравнению с земными) запасы гелия-3. Они оцениваются от 0,5 до 2,5 миллиона тонн. Кажется, что это не очень много, но на всей Земле его только 35 тысяч тонн.
Но зачем он вообще нам нужен?
Синтезируй и побеждай
То, что гелий-3 образуется на Солнце, в котором происходят термоядерные реакции, намекает на возможность использования изотопа в перспективном термоядерном реакторе.
Теоретически возможна реакция термоядерного синтеза между гелием-3 и дейтерием (тяжелым изотопом водорода). Использование такого топлива имеет ряд преимуществ перед традиционно рассматриваемой реакций слияния дейтерия и трития.
Во-первых, снижается проблема нейтронной радиации. При слиянии ядер дейтерия и трития высвобождается большой поток нейтронов, который не только опасен для всего живого и требует установки защиты вокруг реактора, но и разрушает само устройство. Поток нейтронов от слияния гелия-3 и дейтерия в десятки раз ниже.
Во-вторых, продуктом реакции гелия-3 и дейтерия является изотоп гелий-4 и протон. Вот этот протон можно поймать электромагнитным полем и использовать для получения электричества в специальном генераторе.
В-третьих, такой реактор абсолютно безопасен. Топливо не радиоактивно, а если произойдет авария, то выбросов не происходит.
В-четвертых, в результате такой реакции выделяется огромное количество энергии. По расчетам, слияние 1 тонны гелия-3 и 0,67 тонн дейтерия эквивалентно сжиганию 15 миллионов тонн нефти.
Если оценки содержания изотопа в лунном грунте верны, то при текущем потреблении гелий-3 сможет обеспечивать потребности человечества в течение 5 тысяч лет.
Разумеется, не все так гладко. Температура в активной зоне должна быть выше 109 градусов, иначе ядра дейтерия будут сливаться друг с другом, игнорируя гелия-3. При этом из-за излучения плазма будет остывать быстрее, чем подогреваться за счет реакции. А это значит, что придется искусственно поддавать жару, а сделать это в таких температурах довольно сложно. Иными словами, управляемый термоядерный синтез в принципе пока что не реализован в масштабах, предполагающих коммерческое использование.
Синтез гелия-3 и дейтерия — это даже для такой сложной проблемы задача со звездочкой.
С другой стороны, добыча гелия-3 — это тоже технологическая проблема. Пока что человечество смогло покататься на Луне на автомобиле и установить там флаг США. Для добычи гелия-3 нужно будет переработать прямо на спутнике миллионы тонн лунного грунта (даже при условии, что на Луне изотопа сильно больше, чем на Земле, его содержание все равно не больше 0,01 г на тонну).
Пока что технологии находятся на стадии написанных научных статей (например, этим занималось NASA: pdf и pdf). В 2006 году тогдашний глава РКК «Энергии» Николай Севастьянов прогнозировал, что уже через 10 лет (то есть в 2016-м) Россия создаст базу на Луне, а вскоре после этого начнет добычу гелия-3. Прогноз оказался слишком оптимистичным.
Разумеется, кроме добычи есть еще и вопросики с транспортировкой. У нас пока нет флота космических танкеров, которые могли бы регулярно совершать рейсы между Землей и спутником.
В общем, все выглядит так, что использования гелия-3 в качестве топлива — перспектива не ближайших десятилетий. А там, возможно, нам и не понадобится ничего добывать на спутнике. Как полагает доктор физико-математических наук, академик Лев Зеленый, если мы освоим промышленно пригодную технологию термоядерного синтеза, то в качестве топлива сможем использовать бор, которого на Земле завались. И тогда гелий-3 станет нам попросту ненужным.
Другие статьи
Добрый доктор гелий-3
Владимир Тесленко
«Популярная механика» №3, 2012
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.
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 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.
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.
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.
Достоинства МРТ с использованием гиперполяризованных газов этим не ограничиваются. Поскольку газ гиперполяризован, уровень полезного сигнала оказывается значительно выше (примерно в 10 000 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 12 000 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.
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-3 (He-3) — легкий нерадиоактивный изотоп гелия с двумя протонами и одним нейтроном, который редко встречается на Земле; он востребован для использования в исследованиях ядерного синтеза. Считается, что гелий-3 в большем количестве существует на Луне (внедренный в верхний слой реголита солнечным ветром в течение миллиардов лет) и газовых гигантах Солнечной системы (оставшихся от первоначальной солнечной туманности), хотя все еще в небольших количествах. (28 частей на миллион лунного реголита составляют гелий-4 и 0,01 частей на миллион составляют гелий-3). [1] Предлагается использовать в качестве термоядерного источника питания второго поколения. Гелион, ядро атома гелия-3, состоит из двух протонов и только одного нейтрона, в отличие от двух нейтронов в обычном гелии. Его существование было впервые предложено в 1934 году австралийским физиком-ядерщиком Марком Олифантом, когда он работал в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета в эксперименте, в котором быстрые дейтроны реагировали с другими дейтронными мишенями (первая демонстрация ядерного синтеза). Гелий-3 как изотоп считался радиоактивным, пока гелии из него не были случайно идентифицированы Луисом В. Альварес и Роберт Корног в эксперименте на циклотроне в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, 1939. [2] Дополнительные рекомендуемые знания
Физические свойстваАтомная масса гелия-3, равная 3,016, значительно меньше, чем у гелия-4, равная 4,0026, что приводит к тому, что его свойства существенно отличаются. Гелий-3 кипит при 3,19 кельвина по сравнению с гелием-4 при 4,23 К, и его критическая точка также ниже при 3,35 К по сравнению с гелием-4 при 5,19 К. Он имеет менее половины плотности в жидком состоянии при температуре кипения: 0,059 г. / мл по сравнению с 0,12473 г / мл гелия-4 при одной атмосфере. Его скрытая теплота парообразования также значительно ниже и составляет 0,026 кДж / моль по сравнению с 0,0829 кДж/моль гелия-4.кДж/моль. [3] Реакции синтеза
Некоторые термоядерные процессы производят высокоэнергетические нейтроны, которые делают компоненты реактора радиоактивными при их бомбардировке, и выработка энергии должна происходить с помощью тепловых средств. However, since both reactants need to be mixed together to fuse, side reactions ( 2 1 H + 2 1 H and 3 2 He + 3 2 He ), первая из которых не анейтронная. Поэтому на практике эта реакция вряд ли когда-либо будет полностью «чистой», что сведет на нет часть ее привлекательности. Кроме того, из-за более высокого кулоновского барьера температуры, необходимые для 2 1 H + 3 2 He синтез намного выше, чем у обычного 2 H + 3 1 H синтез тритий (дейтерий. Количество гелия-3, необходимого для замены обычного топлива, не следует недооценивать. Общее количество энергии, выделяемой в реакции 3He + 2 1 H+, составляет 18,4 МэВ, что соответствует примерно 493 мегаватт-часам (4,93×10 8 Втч) на три грамма (один моль) 3He. Даже если бы это общее количество энергии могло быть преобразовано в электроэнергию со 100% эффективностью (что физически невозможно), это соответствовало бы приблизительно 30-минутной мощности электростанции мощностью в тысячу мегаватт; для годового производства на том же заводе потребуется около 17,5 кг гелия-3. Количество топлива, необходимого для крупномасштабных приложений, также может быть выражено в виде общего потребления: По данным Управления энергетической информации США, «потребление электроэнергии 107 миллионами домашних хозяйств США в 2001 году составило 1 140 миллиардов кВтч» (1,114×10 15 Втч). Опять же, предполагая 100% эффективность преобразования, 6,7 тонны гелия-3 потребуются только для этого сегмента потребности в энергии одной страны, от 15 до 20 тонн, учитывая более реалистичную сквозную эффективность преобразования. Обнаружение нейтроновГелий-3 — наиболее важный изотоп в приборах для обнаружения нейтронов. Он имеет высокое поперечное сечение поглощения для пучков тепловых нейтронов и используется в качестве конвертирующего газа в нейтронных детекторах. Нейтрон превращается в результате ядерной реакции
в заряженные частицы трития (T, 3 H) и протон (p, 1 H), которые затем обнаруживаются путем создания облака заряда в тормозном газе пропорционального счетчика или трубки Гейгера-Мюллера. [10] Кроме того, процесс поглощения сильно зависит от спина, что позволяет спин-поляризованному объему гелия-3 пропускать нейтроны с одним компонентом спина, поглощая другой. Этот эффект используется в анализе поляризации нейтронов, методе, который исследует магнитные свойства вещества. [11] [12] Криогеника Холодильник с гелием-3 использует гелий-3 для достижения температуры от 0,2 до 0,3 Кельвина. Важным свойством гелия-3, отличающим его от более распространенного гелия-4, является то, что его ядро является фермионом, поскольку содержит нечетное число частиц со спином 1/2. Ядра гелия-4 представляют собой бозоны, содержащие четное число частиц со спином 1/2. Это прямой результат правил сложения для квантованного углового момента. При низких температурах (около 2,17 К) гелий-4 претерпевает фазовый переход: часть его переходит в сверхтекучую фазу, которую можно грубо понимать как разновидность конденсата Бозе-Эйнштейна. Такой механизм недоступен для атомов гелия-3, которые являются фермионами. Однако было широко распространено предположение, что гелий-3 также может стать сверхтекучим при гораздо более низких температурах, если атомы сформируются в 9 атомов.0007 пар аналогичны куперовским парам в теории сверхпроводимости БКШ. В нулевом магнитном поле существуют две отдельные сверхтекучие фазы 3 Не, А-фаза и В-фаза. B-фаза представляет собой низкотемпературную фазу низкого давления с изотропной энергетической щелью. А-фаза — это фаза с более высокой температурой и более высоким давлением, которая дополнительно стабилизируется магнитным полем и имеет два точечных узла в своем промежутке. Наличие двух фаз является явным признаком того, что 3 He является нетрадиционной сверхтекучей жидкостью (сверхпроводником), поскольку наличие двух фаз требует нарушения дополнительной симметрии, отличной от калибровочной. Производство Из-за редкости гелия-3 на Земле его обычно производят, а не извлекают из природных месторождений. Гелий-3 является побочным продуктом распада трития, и тритий может быть получен путем бомбардировки мишеней из лития, бора или азота нейтронами. Медицинская визуализация легкихПоляризованный гелий-3 можно производить непосредственно с помощью лазеров соответствующей мощности, а с тонким слоем защитного металлического Cs на внутренней стороне баллонов намагниченный газ можно хранить при давлении 10 атм до 100 часов. При вдыхании смеси, содержащие газ, могут быть визуализированы с помощью МРТ-сканера, который создает изображения дыхания легких в режиме реального времени. Применение этой экспериментальной техники только начинает изучаться [18] . Наземное явление
3 Он является первичной субстанцией в мантии Земли, которая, как считается, оказалась в ловушке внутри Земли во время формирования планет. 3 Он присутствует в мантии в соотношении 200-300 частей 3 Не на миллион частей 4 Не. Соотношения 3 He/ 4 He сверх атмосферного указывают на вклад 3 He из мантии. В коровых источниках преобладает 4 Не, который образуется при распаде радиоактивных элементов в коре и мантии. 3 Он также присутствует в атмосфере Земли. Естественное содержание 3 He в природном газообразном гелии составляет 1,38×10 -6 . Парциальное давление гелия в атмосфере Земли составляет около 4 миллиторр, т. е. 5,2 части на миллион гелия. 3 Он образуется на Земле из трех источников: расщепления лития, космических лучей и распада трития ( 3 Н). Вклад космических лучей незначителен во всех материалах, за исключением самых старых материалов реголита, и реакции расщепления лития вносят меньший вклад, чем образование 4 He в результате испускания альфа-частиц. Общее количество гелия-3 в мантии может составлять от 100 тысяч до миллиона тонн. Однако этот мантийный гелий недоступен напрямую. Некоторое его количество просачивается через горячие точки с глубокими источниками вулканов, например, на Гавайских островах, но в атмосферу выбрасывается всего 300 граммов в год. Срединно-океанические хребты выбрасывают еще 3 килограмма в год. Вокруг зон субдукции различные источники производят гелий-3 в месторождениях природного газа, которые, возможно, содержат тысячу тонн гелия-3 (хотя их может быть 25 тысяч тонн, если такие месторождения есть во всех древних зонах субдукции). Внеземные припасыПоверхность Луны содержит гелий-3 в концентрациях порядка 0,01 ppm. [19] [20] Ряд людей, начиная с Джеральда Кульчински в 1986 году, [21] предлагали исследовать Луну, добывать лунный реголит и использовать гелий-3 для термоядерного синтеза. Из-за низких концентраций гелия-3 любое горнодобывающее оборудование должно будет перерабатывать большое количество реголита, [22] , и в некоторых предложениях предлагается объединить извлечение гелия-3 с более крупной добычей и разработкой. [ нужна ссылка ] Космохимик и геохимик Оуян Цзыюань из Китайской академии наук, который в настоящее время отвечает за Китайскую программу исследования Луны, уже неоднократно заявлял, что одной из основных целей программы будет добыча гелия-3, откуда «каждый год три миссии космических челноков могут доставлять достаточно топлива для всех людей во всем мире». В январе 2006 г. российская космическая компания РКК «Энергия» объявила, что рассматривает лунный гелий-3 как потенциальный экономический ресурс, который будет добывать к 2020 г. [24] , если удастся найти финансирование. [25] [26] Также предлагалась добыча гелия-3 на газовых гигантах. [27] Например, гипотетический проект межзвездного зонда Британского межпланетного общества «Дедал» работал на рудниках с гелием-3 на планете Юпитер. Однако высокая гравитация Юпитера делает эту операцию менее энергетически выгодной, чем извлечение гелия-3 из других газовых гигантов Солнечной системы. Производство электроэнергии Подход второго поколения к управляемой термоядерной энергии включает комбинирование гелия-3 ( 3 2 He ) и дейтерия ( 2 1 H). В результате этой реакции образуются ион гелия-4 ( 4 2 He ) и высокоэнергетический протон (положительно заряженный ион водорода) ( 1 1 p ) и (альфа-частица). Было много заявлений о возможностях силовых установок Гелий-3. По мнению сторонников, термоядерные электростанции, работающие на дейтерии и гелии-3, будут предлагать более низкие капитальные и эксплуатационные затраты, чем их конкуренты, из-за меньшей технической сложности, более высокой эффективности преобразования, меньших размеров, отсутствия радиоактивного топлива, загрязнения воздуха или воды и только требования к захоронению низкоактивных радиоактивных отходов. В реальности все не так однозначно. Наиболее продвинутыми программами термоядерного синтеза в мире являются термоядерный синтез с инерционным удержанием (например, National Ignition Facility) и термоядерный синтез с магнитным удержанием (например, ИТЭР и другие токамаки). Что касается первого, то четкой дорожной карты для производства электроэнергии не существует. В случае последнего коммерческого производства электроэнергии не ожидается примерно до 2050 [29] . В обоих случаях обсуждаемый тип слияния является самым простым: слияние DT. Чтобы попытаться обойти эту проблему огромных электростанций, которые могут оказаться неэкономичными даже при синтезе D-T, не говоря уже о гораздо более сложном синтезе D-He3, был предложен ряд других реакторов — Fusor, Polywell, Фокус-фьюжн и многое другое. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Эта статья находится под лицензией GNU Free Documentation License. Он использует материал из статьи Википедии «Гелий-3». Список авторов есть в Википедии. |
Ученые обнаружили необъяснимое изобилие редкого ядерного топлива на Земле
ABSTRACT рассказывает о головокружительных научных исследованиях, технологиях будущего, новых открытиях и крупных прорывах.
Подробнее →
Ученые обнаружили доказательства того, что ключевой редкий ресурс, называемый гелием-3, потенциально встречается на Земле в десять раз чаще, чем было известно ранее, хотя источник всех этих дополнительных запасов остается загадочным, сообщается в новом исследовании. Это открытие важно, потому что гелий-3 может служить основой безграничной чистой энергии для нашей цивилизации, но считается недоступным, поскольку он в основном находится в космосе, особенно на Луне.
Реклама
Гелий-3 — это изотоп гелия, что означает, что он содержит такое же количество протонов, как и этот обычный элемент, но другое количество нейтронов. Этот изотоп считается потенциально мощным источником энергии для будущих термоядерных реакторов, что делает его звездой научной фантастики, а также востребованным ресурсом в реальном мире. Однако, хотя небольшое количество вещества образуется в результате геологических процессов и радиоактивных осадков при испытаниях ядерного оружия, считается, что на Земле очень мало гелия-3.
Теперь ученые во главе с Бенджамином Бирнером, ученым с докторской степенью в области наук о Земле в Калифорнийском университете в Сан-Диего, собрали доказательства ранее неизвестного содержания гелия-3 в атмосфере, что «представляет большую загадку в отношении гелия-3». бюджета» и «мотивирует поиск недостающих источников гелия-3 на Земле, тем более что гелий-3 считается важным, но дефицитным ресурсом», согласно исследованию, опубликованному в понедельник в журнале Nature Geoscience . По словам исследователей, на известные источники гелия-3 на Земле приходится лишь 10% избытка.
Бирнер и его коллеги по счастливой случайности обнаружили этот предполагаемый избыток гелия-3 (3Не), решая другую сложную проблему: измерение общего увеличения содержания гелия в атмосфере в результате потребления человеком ископаемого топлива. Группа разработала первый в своем роде метод оценки этих антропогенных выбросов гелия путем исследования другого изотопа, гелия-4 (4He), что, в свою очередь, привело к озадачивающему выводу, что на нашей планете есть какой-то неизвестный источник гелия-3. планета.
Реклама
«Мы измерили только изменение содержания 4He в атмосфере», — сказал Бирнер в электронном письме. «Однако предыдущая работа других исследователей указывает на то, что соотношение изотопов гелия в атмосфере (3He/4He) примерно стабильно. Вместе эти наблюдения подразумевают увеличение содержания 3He в атмосфере, которое соответствует увеличению содержания 4He, иначе мы увидим изменение соотношения изотопов в атмосфере».
Гелий-3 может быть идеальным топливом для ядерного синтеза, потенциальным источником энергии, имитирующим тот же процесс, что и звезды. Хотя ядерный синтез, возможно, не материализуется как практический источник энергии в течение десятилетий, если предположить, что он вообще осуществим, его потенциал для обеспечения чистой и безграничной энергии человечества делает его заманчивой областью изучения. С этой целью ученые из разных областей, вероятно, будут заинтересованы в обнаружении этого необъяснимого избытка гелия-3 на Земле, который предполагается новым исследованием.
«Это увеличение количества 3He вызывает недоумение, потому что у нас пока нет хорошего объяснения источника этого 3He», — заметил Бирнер. «Это довольно важная загадка, которую нужно решить еще и потому, что 3He является важным и дефицитным ресурсом для ядерных термоядерных реакторов. Основываясь на сообщениях о неопределенностях в предыдущих исследованиях тренда атмосферного 3He/4He, накопление 3He выглядит значительным, но наше исследование явно мотивирует более пристальное внимание к тренду атмосферного 3He/4He».
Реклама
Гелий является вторым самым легким и наиболее распространенным элементом в природе после водорода, но он также может быть получен при потреблении человеком ископаемого топлива, особенно природного газа. Гелий принадлежит к особому классу элементов, называемых инертными газами, которые относительно не вступают в реакцию с другими веществами. В результате он не считается парниковым газом или опасным загрязнителем, в отличие от других антропогенных выбросов, таких как углекислый газ и метан. Но хотя атмосферный гелий не способствует антропогенному изменению климата, он является важным индикатором других, более опасных выбросов.
«Изменение содержания гелия в атмосфере — это вопрос химии атмосферы, которому уже несколько десятилетий, и гелий должен дать нам представление об использовании ископаемого топлива», — пояснил Бирнер. «С 1980-х годов люди подозревали, что в атмосфере должно происходить накопление 4He, но четких наблюдательных данных не было».
«Мои коллеги и я некоторое время работали над благородными газами в атмосфере как индикаторами изменения температуры океана, но до сих пор не применяли такой же аналитический подход к гелию», — добавил он. «В некотором роде это был логичный следующий шаг, потому что благодаря своей связи с использованием ископаемого топлива гелий является довольно интересным благородным газом для изучения».
Предыдущие исследования производили оценки антропогенного гелия, сосредоточив внимание на соотношении между 3He и 4He, но небольшое количество 3He делает это «чрезвычайно сложным измерением», отметил Бирнер.
Advertisement
Чтобы обойти эту проблему, команда разработала сложный метод, который измеряет отношение 4He к газообразному азоту (N2), который является одновременно наиболее распространенным элементом в атмосфере и имеет относительно стабильную концентрацию во времени.
«Наш подход не только позволяет избежать измерения редкого изотопа» — то есть 3He — «что повышает точность наших измерений, но также нормализует содержание 4He по N2», — сказал Бирнер, который также руководил исследованием в прошлом году в Atmospheric Measurement Techniques . который углубляется во многие концептуальные достижения и технические инновации этого нового метода.
«N2 очень стабилен в атмосфере, что делает отношение 4He/N2 индикатором концентрации гелия. 3He/4He, напротив, может измениться, потому что изменится числитель или знаменатель», — отметил он.
Команда применила новую технику к 46 пробам воздуха, взятым в период с 1974 по 2020 год, и получила новую оценку изменений атмосферного гелия-4 на временной шкале в несколько десятилетий. Результаты показали, что «концентрации гелия-4 значительно увеличились за последние пять десятилетий» и что, следовательно, изобилие гелия-3 «значительно превышает оценки антропогенных выбросов от природного газа, ядерного оружия и атомной энергетики, что указывает на потенциальные проблемы с предыдущие измерения изотопов или неверная оценка известных источников», — говорится в новом исследовании.
Реклама
«Когда мы начинали, мы совсем не были уверены, насколько велики будут изменения содержания гелия в атмосфере и сможем ли мы вообще их измерить», — сказал Бирнер. «Потребовалось три года, чтобы разработать и отточить аналитический метод для 4He/N2, поэтому, когда я сделал первые воспроизводимые измерения, мы все были очень взволнованы тем, что вся эта тяжелая работа увенчалась успехом. Последствия для 3He мы поняли только позже, когда просматривали наши данные и сравнивали их с предыдущей работой, и это стало для меня неожиданностью».
«Предполагаемое изменение 3He более чем в 10 раз превышает естественные геологические потоки», — добавил Бирнер. «Мы знаем, что 3He образуется также при распаде трития. Тритий был выброшен людьми при испытаниях ядерных бомб, нынешних запасов ядерных боеголовок и, вероятно, также производится на некоторых атомных электростанциях. Однако наша оценка этих источников предполагает, что они могут составлять только около 10% предполагаемого увеличения 3He. Откуда берется остальное, вообще непонятно».
Бирнер и его коллеги надеются искоренить этот скрытый источник гелия-3, будь он естественным или антропогенным. В более широком смысле исследователи планируют применить свою новую технику для распутывания различных источников антропогенных парниковых газов на Земле, что может помочь в информировании нашей реакции на изменение климата, вызванное деятельностью человека.
«Гелий может помочь нам распутать и проверить пропорцию выбросов углерода из природного газа по сравнению с другими источниками, такими как уголь или нефть», — сказал Бирнер. «Ученые часто выполняют так называемые «инверсии», чтобы сделать вывод о выбросах двуокиси углерода (CO2) в локальном или глобальном масштабе.