Гелий 3 как топливо: Недопустимое название

Содержание

Запад тревожат успехи китайцев на Луне

05 декабря 2020
19:19

На этой неделе Китай принимал поздравления в связи с успешной посадкой беспилотной станции «Чанъэ-5» на Луну. В середине декабря аппарат должен доставить на Землю два килограмма лунной породы. Если миссия завершится удачно, то Китай станет первой за последние 44 года страной, реализовавшей проект по транспортировке геологических образцов с поверхности земного спутника.

Однако в зарубежной прессе китайский прорыв восприняли с тревогой. Дескать, Китай в случае успеха не только сможет хорошо изучить лунный грунт, но и найти в нем то, что способно навсегда изменить глобальный рынок энергоресурсов. В частности, полезное ископаемое гелий-3.

На самом деле, ученые рассуждают о больших перспективах этого вещества уже много лет. Гелий-3 – это стабильный изотоп гелия, только вместо двух нейтронов в его ядре – один. Получается, что в плане структуры от обычного газа он отличается всего единицей атомной массы, но свойства от этого меняются кардинально.

Отсутствие одного нейтрона превращает изотоп гелия в идеальное топливо. Например, специалисты приводят следующие расчеты: тонна гелия-3 с добавлением дейтерия в соотношении 3 к 2 могут дать столько же энергии, сколько 15 миллионов тонн нефти. Населению нашей планеты лунного ресурса гелия-3 могло бы хватить примерно на 5 тысячелетий.

«Мы считаем, его главная ценность в том, что это будущее топливо для термоядерных реакций.. Мы знаем, что это самый надежный, самый неисчерпаемый источник энергии. В Солнце, например. Поэтому Солнце уже 4 миллиарда лет светит. Это как раз термоядерная реакция», – пояснил Вадим Лукашевич, эксперт по технологиям авиакосмической отрасли, кандидат технических наук.

На Земле гелия-3 почти нет. По оценкам, его суммарные запасы составляют 35 тысяч тонн. И практически весь он – глубоко в земной мантии. Не достать. Но на Луне, как считается, его гораздо больше: миллион тонн как минимум.

Гелий-3 является побочным продуктом термоядерных реакций, протекающих на Солнц, поэтому его основной источник в нашей системе – это солнечный ветер. Земля надежно защищена от него атмосферой и магнитосферой, а вот поверхность Луны подвергалась облучению солнечным ветром в течение миллиардов лет, в результате содержание гелия-3 в лунном грунте намного больше, чем в земном. Но это не означает, что его добыча окажется простой задачей для человечества.

«Засада в том, что он на Луне распределен, что называется, размазан, очень тонким слоем. То есть в каждом кубометре грунта есть какая-то доля грамма этого вещества. Потребность в нем измеряется килограммами и десятками килограммов в год. Представьте себе, сколько надо перекопать на Луне, сколько надо переработать грунта, чтобы увезти оттуда килограмм этого самого гелия-3», – отметил Игорь Лисов, эксперт в области космонавтики и космической промышленности.

По предварительным расчетам, для получения одной тонны гелия-три нужно переработать примерно 150 миллионов тонн лунного грунта. Для этого на Луне должна появиться гелий-добывающая промышленность со всей необходимой инфраструктурой. А чтобы наладить поставки ресурса на Землю, надо соорудить на спутнике полноценный космодром, создать надежный многоразовый корабль. В общем, пока все эти планы, скорее, из области фантастики. Даже если оставить за скобками факт того, что и саму термоядерную реакцию человечество еще как следует не освоило.

«Это, наверное, дело следующего столетия. Потому что до сих пор даже дейтерий-тритиевую реакцию освоить не смогли, а реакция с гелием-3 на порядки сложнее. Гелий-3 в промышленных масштабах пока не нужен. Луна в качестве источника гелия-3 не востребована», – подчеркнул Виталий Егоров, популяризатор космонавтики, автор научно-популярных книг об освоении космоса.

Так что, несмотря на опасения западных журналистов, в ближайшие годы Китай вряд ли совершит революцию в энергетике с помощью Гелия-3. Да и в целом полномасштабное освоение Луны, вероятнее всего, потребует объединения усилий всех ведущих космических держав.

в мире
космос
Китай/КНР
Луна
гелий
общество
новости

Гелий-3

Гелий-3 в ядерных реакциях звезд

Гелий-3 — изотоп гелия, ядро которого состоит из двух протонов и одного нейтрона, что в сумме дает три адрона в ядре. В природе встречается очень редко и имеет широкую область применения, выступает главным кандидатом на топливо для термоядерных реакторов.

Содержание:

1 Формирование гелия-3
2 Применение изотопа гелий-3
3 Гелий-3 как термоядерное топливо
4 Распространенность гелия-3
5 Гелий-3 на Луне

Формирование гелия-3

В результате Большого Взрыва и дальнейшего расширения Вселенной, составляющие ее протоны и нейтроны стали образовывать стабильные структуры, химические элементы. Сегодня они являются наиболее легкими среди всех — это водород и гелий, а также их изотопы. Как известно, позже стали образовываться звезды первого поколения, которые состояли только из вышеупомянутых элементов. Далее, в результате их взрывов сформировались и более тяжелые элементы, которые позволили образоваться новым звездам, а также планетам и другим космическим телам.

Водород и гелий — основные составляющие Вселенной

Однако водород и гелий и сегодня являются наиболее распространенными элементами во Вселенной. Говоря конкретно об изотопе гелий-3, стоит отметить, что его формирование в природе происходит лишь вследствие ядерных реакций, протекающих в ядре Солнца и прочих звезд. При этом гелий-3 побочный продукт этих реакций, и его объем в десятки тысяч раз меньше, нежели объем вырабатываемого более тяжелого изотопа – гелий-4.

Примечательно, что искусственным путем гелий-3 в незначительных количествах формируется в результате распада искусственно полученного трития, который, в свою очередь, создается государствами для разработки ядерного оружия.

Тритий часто применяется и в быту. На фото — часы с тритиевой подсветкой.

Применение изотопа гелий-3

Данный изотоп, в отличие от своего тяжелого собрата гелия-4 обладает совсем другими физическими характеристиками. В их число входит иная атомная масса, температура кипения, удельная теплота испарения и плотность в жидком состоянии. В результате чего гелий-3 высоко ценится в научных и промышленных кругах и имеет несколько направлений для применения:

Криогеника. Растворение жидкого изотопа гелий-3 в более тяжелом гелие-4 позволяет получить сверхнизкие температуры, около 0,02 Кельвина. На основе этого процесса существует ряд криогенных устройств, таких как рефрижераторы растворения. Последние используются в различных низкотемпературных физических экспериментах, и не только в области криогеники.
Медицина. Для получения изображения человеческих легких используется рентген или магнитно-резонансная томография (МРТ). Оба эти способа открыты довольно давно, и качество получаемых снимков легких оставляет желать лучшего. В надежде шагнуть дальше, американскими учеными была изобретена ядерная МРТ с использованием намагниченного газа ксенона-129. Позже было обнаружено, что в отличие от ксенона-129, гелий-3 является безвредным для человека, позволяет получать снимки, разрешение которых в сотни раз лучше. Кроме того гелий-3 не требует дорогостоящего обогащения и дорогих мощных томографов.

Аппараты МРТ известны всем как современный способ диагностики

Ядерная физика. Гелий-3 имеет высокое сечение поглощения нейтронов, поэтому является основным из нескольких возможных газовых наполнителей для счетчиков (детекторов), регистрирующих нейтроны в различных физических экспериментах. Также подобные счетчики могут использоваться для обнаружения запасов плутония, что позволит ужесточить защитные меры против транспортировки топлива для ядерного оружия.

Гелий-3 как термоядерное топливо

Несмотря на полезность данного изотопа для вышеупомянутых сфер, главы государств рассматривают его в первую очередь как термоядерное топливо.

Как известно, современные атомные электростанции используют ядерную цепную реакцию, в результате которой происходит ядерный распад с выделением энергии. Термоядерный же реактор, синтезирующий более тяжелое вещество с выделением энергии, имеет ряд преимуществ перед ядерным реактором, работа которого основывается на реакциях распада:

Использование в реакторах гелия-3 снижает риск повторения Чернобыльской катастрофы

Минимальная вероятность того, что мощность реакции в термоядерном реакторе внезапно подскочит.
Отсутствие продуктов сгорания.
Для работы термоядерного реактора не требуется топливо, которое используется для разработки ядерного оружия. Это не позволит вести террористическую деятельность, выработку термоядерного топлива для оружия, под предлогом добычи энергии за счет этого топлива.
Радиоактивные отходы, вырабатываемые такими реакторами, несут меньше вреда для окружающей среды, а также имеют значительно меньший период полураспада.
Водород, выступающий в роли топлива для термоядерных реакторов, может добываться из морской воды, а значит, представлен на Земле в практически неисчерпаемом объеме.

Добыча водорода достаточно проста — добыть немного можно даже в домашних условиях

Несмотря на то, что в промышленных рамках термоядерный реактор еще не будет использоваться в ближайшее десятилетие, ученым уже удалось выяснить перспективность гелия-3 как будущего топлива для такого рода реакторов.

Первым аргументом в пользу использования данного изотопа в управляемом ядерном синтезе является тот факт, что в результате реакции будет излучаться в десятки раз меньший поток нейтронов. Что не только позволит избежать значительной направленной радиоактивности, но и заметно увеличит сроки эксплуатации оборудования.

Вместо нейтронов такой реактор будет излучать протоны, что является вторым аргументом в пользу гелия-3. В отличие от нейтронов, протоны можно легко использовать для дополнительной выработки электроэнергии (в магнитогидродинамическом генераторе).

Модель магнитогидродинамической установки

Кроме того, гелий-3 не несет опасности во время хранения и не требует больших затрат на содержание, а в случае аварии на реакторе радиоактивность его выброса будет практически нулевая. Для сравнения, реакция ядерного синтеза с участием гелия-3 принесет количество энергии, равное энергии, высвободившейся в результате сгорания 15 млн тонн нефти. По оценкам американских ученых 40 000 кг гелия-3 достаточно, чтобы выработать электричество, потребляемое США за год. В 2009-м году же изотоп оценивался около 930 долларов за литр .

Распространенность гелия-3

В Солнечной системе наибольший запас гелия-3 имеется в недрах газовых гигантов, таких как Юпитер или Сатурн. Однако, в отличие от звезд, постоянно вырабатывающих данный изотоп, близкие к нам планеты-гиганты получили его на этапе своего формирования, и теперь лишь хранят запасы гелия-3 в своих слоях.

Баллон с гелием-3

На Земле этот изотоп распространен в мизерных объемах, примерно в 7300 раз меньше, чем гелий-4. Масса гелия-3 в земной атмосфере оценивается всего в 35 000 тонн, в то время как полная масса атмосферы 5,2×10¹⁵ тонн. Постепенно данный изотоп улетучивается в космос, однако его небольшой запас находится в недрах нашей планеты и в малом количестве выходит наружу из различных ущелий в земной коре и вместе с извержениями вулканов, что позволяет восполнить его объем в атмосфере.

Гелий-3 на Луне

Так как на Луне нет атмосферы, изотопы гелия постоянно попадают на ее поверхность вместе с солнечным ветром. Таким образом, объем гелия-3 в лунном реголите в десятки или даже сотни тысяч раз превышает объем данного изотопа в земной атмосфере. В результате чего космические агентства различных государств упорно работают над созданием возможности добычи этого полезного химического элемента с поверхности нашего спутника.

Добыча гелия-3 может стать реальным стимулом колонизации Луны

Добыча гелия-3 на Луне имеет пару серьезных проблем, решением которых и занимаются ученые:

Несмотря на относительно высокую концентрацию гелия-3 в лунном реголите, все же его объем на 100 тонн грунта составляет всего 1 грамм. Это означает, что лунные шахты или буровые машины для добычи данного изотопа должны постоянно и в больших объемах перерабатывать лунный грунт.
Доставка на Луну машин, добывающих данный изотоп, с обратной транспортировкой добытого ресурса потребует значительных финансовых вложений. Так для разработки космического корабля и термоядерных реакторов, требуемых для получения энергии, потребуется около 20 млрд долларов, согласно подсчетам американских исследователей. Однако, после — тонна добытого гелия-3 будет обходиться около 3 млрд долларов, что все же выгоднее добычи, транспортировки и использования эквивалентного объема нефти.

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Просмотров записи: 12485

Запись опубликована: 27.03.2016
Автор: Владимир Соловьев

Решение климатического и энергетического кризисов: добывать гелий-3 на Луне?

Недавно U. S. Nuclear Corp. и Solar System Resources Corporation подписали письмо о намерениях, которое либо изменит мировую историю, либо станет лишь сноской в стремлении человечества разработать чистые, богатые источники энергии.

Компания Solar System Resources согласилась предоставить 500 кг гелия-3, добытого на Луне, американской ядерной корпорации в период с 2028 по 2032 год.

Согласно статье, опубликованной Джеффом Бондом и Энтони Торторелло, гелий-3 — это изотоп, который в течение миллиардов лет откладывался в лунном грунте солнечным ветром. Примерно 1,1 миллиона метрических тонн изотопа находится на Луне на глубине в несколько метров. Двадцати пяти метрических тонн гелия-3, что составляет около четверти грузоподъемности космического корабля SpaceX, хватило бы, чтобы удовлетворить все энергетические потребности Соединенных Штатов в течение года.

В объявлении не говорится, как ресурс Солнечной системы предлагает добывать гелий-3. Веб-сайт компании изобилует захватывающими вдохновляющими формулировками и освещает то, как компания собирается собрать деньги и разработать технологию добычи ресурсов Солнечной системы. Тем не менее, в документе предполагается, что марсоход может собирать лунный реголит, отделять гелий-3 вместе с кислородом и водородом, хранить их и выбрасывать обработанный лунный грунт. Газы будут доставлены обратно на лунную базу, где кислород и водород будут использованы с пользой, а гелий-3 будет храниться для последующего экспорта на Землю.

В объявлении также не раскрывается, что U.S. Nuclear Corp. намерена делать с гелием-3 после его доставки. У компании, которая производит устройства для обнаружения радиации, есть дочерняя компания Magneto-Inertial Fusion Technology, Inc., которая исследует технологию термоядерного синтеза, называемую поэтапным Z-пинчем. Это создаст реакцию синтеза, достаточно продолжительную и устойчивую, чтобы стать источником энергии. Предположительно, обильные запасы гелия-3 могут быть полезными для этих экспериментов.

Синтез с использованием гелия-3 имеет преимущества и недостатки по сравнению с использованием дейтерия, изотопа водорода, и трития, другого изотопа водорода.

При синтезе дейтерия и трития выделяются радиоактивные нейтроны, которые повреждают и ослабляют защитную оболочку. Периодически термоядерный реактор, использующий этот метод, должен быть отключен для дезактивации. Тритий также радиоактивен, что делает обращение с ним трудным и опасным. Слияние дейтерия и гелия-3 создает гелий и заряженные протоны в качестве побочных продуктов, а также мало или совсем не содержит радиоактивных частиц.

Основной недостаток термоядерного синтеза с использованием гелия-3 заключается в том, что для его достижения требуется гораздо больше энергии, чем при использовании обычных разновидностей дейтерия и трития. Согласно Open Mind, Фрэнк Клоуз, физик из Оксфордского университета, считает синтез с использованием гелия-3 «самогоном». Клоуз предполагает, что синтез дейтерия и гелия-3 по-прежнему будет производить некоторое количество радиоактивных нейтронов.

Джеральд Кульчински, директор Института термоядерных технологий Висконсинского университета в Мэдисоне, не согласен. Возражение Клоуза основано на использовании традиционной технологии термоядерного синтеза. Институт термоядерных технологий добился определенного прогресса в минимизации производства радиоактивных нейтронов с использованием различных технологий.

Термоядерный синтез гелия-3 — еще более перспективная технология, хотя и более трудная и сложная в разработке. По общему мнению, такие реакторы не будут созданы в течение нескольких десятилетий, скажем, середины века.

Никто не может гарантировать, что на Луне будет добыто достаточно гелия-3, чтобы в обозримом будущем дать толчок серьезному развитию технологии использования изотопа в качестве термоядерного топлива. Нет никакой гарантии, что такая разработка даст практические результаты в ближайшее время. Тем не менее, эти усилия стоили бы того, чтобы за ними стояли значительные деньги и усилия. Если не две вышеупомянутые компании, то кто-то должен предпринять усилия. Термоядерный синтез с использованием гелия-3 в качестве топлива изменит мир очень благотворно.

Большой проблемой цивилизации является доступ к чистой, недорогой и надежной энергии. Недавние события в Техасе доказывают, что отсутствие энергии даже в течение нескольких дней может иметь катастрофические последствия. В то же время человечеству нужны источники энергии, которые не наносят вреда окружающей среде, особенно выбросами парниковых газов.

Похоже, человечество наконец-то возвращается на Луну. Президент Трамп запустил проект Artemis. Президент Байден поддержал эти усилия. Есть много причин вернуться на Луну: от науки до коммерции и мягкой политической силы. Решение многолетнего энергетического кризиса может стать исключительным преимуществом для распространения человеческой деятельности на ближайших соседей Земли.

Марк Уиттингтон, который часто пишет о космосе и политике, опубликовал политическое исследование освоения космоса под названием «Почему так сложно вернуться на Луну?». а также «Луна, Марс и не только». Он ведет блог в Curmudgeons Corner. Он публикуется в Wall Street Journal, Forbes, The Hill, USA Today, LA Times и Washington Post, а также на других площадках.

Гелий-3: Лунная золотая лихорадка | OpenMind

В 1986 году ученые Института термоядерных технологий Университета Висконсина подсчитали, что лунный «грунт», называемый реголитом, содержит один миллион тонн гелия-3 (³ He), материал, который можно использовать в качестве топлива для производства энергии путем ядерного синтеза. Согласно исследованию, его добыча была бы прибыльным делом: энергия, производимая гелием-3, была бы в 250 раз больше той, которая необходима для извлечения этого ресурса с Луны и транспортировки его на Землю, где находятся лунные запасы гелия-3. может удовлетворить потребности человека на протяжении столетий.

Анализ, проведенный исследователями на основе образцов, собранных миссиями Аполлона, вызвал лихорадку в отношении этого нового лунного золота, которое будет стоить миллиарды долларов для тех, кто его контролирует. Однако спустя более 30 лет до сих пор не собрано ни грамма, и есть те, кто говорит, что этого никогда не произойдет, потому что, по их мнению, гелий-3 лишь надул огромный шар необоснованных домыслов.

Ядерный синтез легких атомов, таких как изотопы водорода дейтерий (² H) и тритий (³ H), на протяжении десятилетий рассматривался как источник энергии будущего, неисчерпаемый и гораздо менее загрязняющий окружающую среду, чем деление тяжелых атомов, таких как уран. Тем не менее, технологическое развитие, необходимое для того, чтобы это было практичным и энергоэффективным вариантом, по-прежнему занимает исследователей, и это не совсем чистая энергия: синтез дейтерия и трития производит нейтроны, частицы, которые вызывают радиоактивное загрязнение , и его нельзя сдержать с помощью электромагнитных полей, поскольку они не имеют электрического заряда.

Напротив, гелий-3 (нерадиоактивный изотоп газа, используемого для надувания воздушных шаров) обладает замечательными преимуществами: его синтез с дейтерием более эффективен, чем дейтерий-тритий, и он высвобождает не нейтроны, а протоны, которые могут быть легко содержится благодаря их положительному заряду. Кроме того, можно улавливать его энергию для производства электроэнергии напрямую, без необходимости нагрева воды для вращения турбин, как в современных атомных электростанциях.

Основные препятствия

Проблема в том, что гелия-3 на Земле крайне мало . Этот изотоп поступает в основном из солнечного ветра, но Земля защищена щитом своей атмосферы и своего магнитного поля. Напротив, за миллиарды лет Луна накопила невероятное количество этого материала в своем поверхностном слое, хотя и в таких низких концентрациях, что для его сбора потребовалось бы перерабатывать огромное количество реголита, нагревая его до 600 °C. К этому добавится трудность и Стоимость доставки на Землю.

Аэрофотоснимок строительной площадки ИТЭР. Кредит: Окриджская национальная лаборатория

Несмотря на серьезные препятствия, «могут быть некоторые шансы использовать гелий-3 в качестве топлива второго поколения», — сообщает OpenMind физик-ядерщик Джон Райт из Массачусетского технологического института. Однако, по мнению Райта, «прежде чем нам придется беспокоиться о добыче полезных ископаемых, все равно потребуются значительные улучшения в технологии синтеза».

Основное возражение против синтеза с гелием-3 сформулировал Фрэнк Клоуз, физик из Оксфордского университета. В 2007 году Клоуз написал в журнале Physics World , что «дейтерий реагирует с гелием-3 в 100 раз медленнее, чем с тритием», что потребует гораздо более высоких температур плавления, чем в современных реакторах. На практике, указал Клоуз, дейтерий имеет тенденцию сливаться сам с собой с образованием трития, который затем снова реагирует с дейтерием, как при обычном синтезе, с образованием нейтронов. Подводя итог, Клоуз назвал идею выработки электроэнергии на лунном гелио-3 чепухой.

«Гелий-3 не имеет отношения к синтезу», подчеркивает Близко к OpenMind ; «Ничего не изменилось в законах физики со времени моей статьи 2007 года». Хотя физик считает, что мы можем увидеть развитие добычи полезных ископаемых на Луне, «нет смысла лететь на Луну за гелием-3, если ваша цель — синтез».

Новые стратегии термоядерного синтеза

Однако возражения Клоуза основаны на обычных термоядерных реакторах, таких как ИТЭР, международный проект, строящийся во Франции, который будет весить в три раза больше Эйфелевой башни и достигать температуры 150 миллионов градусов по Цельсию. . Конструкция того же типа для синтеза гелия потребует более высоких температур и еще более массивных размеров . Поэтому нужны новые стратегии. «Задача состоит в том, чтобы контролировать количество трития, остающегося в плазме в результате этих побочных реакций, чтобы свести к минимуму образование дейтериево-тритиевых нейтронов», — пишет Райт.

И кто-то сделал это возможным, хотя и без положительного энергетического баланса. Джеральд Кульчински, директор Института термоядерных технологий Университета Висконсина и один из авторов новаторского исследования 1986, занимается термоядерным синтезом гелия-3 в течение десятилетий. «Это верно, что энергия, необходимая для синтеза дейтерия-гелия-3, примерно в два-три раза выше, чем для дейтерия-трития», — говорит Кульчински OpenMind .

Джеральд Кульчински десятилетиями занимался термоядерным синтезом гелия-3. Credit: University of Wisconsin-Madison

Небольшой реактор, разработанный исследователем, преодолевает препятствие, сводя к минимуму производство нейтронов и уменьшая их энергию. Еще более многообещающим, добавляет Кульчински, является синтез гелия-3-гелия-3, более сложный, но полностью безнейтронный . «Это действительно изменило бы правила игры, но я не уверен, что увижу это в своей жизни», — заключает он. По мнению аналитика Томаса Симко из Университета RMIT в Австралии, «гелиевые термоядерные реакторы, вероятно, не будут разработаны до середины века».

Но даже при преодолении камней преткновения термоядерной технологии все равно остается лунная добыча полезных ископаемых. Однако Симко указывает, что первые исследовательские шаги мы, вероятно, увидим уже в ближайшие годы, так что «когда понадобится гелий-3, уже будет известно, где он находится и как его добывать и доставлять».

Первые шаги по добыче полезных ископаемых на Луне

Действительно, кажется, что эти первые шаги уже делаются. Некоторые национальные космические агентства, а также различные частные компании нацелены на добычу полезных ископаемых на Луне, к чему добавляется интерес развивающихся держав: китайский зонд Chang’e 4 , расположенный на скрытой стороне Луны, может включать в себя среди его целей предварительное отслеживание присутствия гелия-3, то же самое было сказано и о лунной миссии Chandrayaan 2 , который Индия запустит в апреле.

Эскизный проект добычи лунного гелия-3. Предоставлено: Университет Висконсин-Мэдисон

Со своей стороны, Европейское космическое агентство подписало контракт с несколькими компаниями для изучения будущей эксплуатации ресурсов лунного реголита для поддержки обитаемой колонии ; в этом случае гелий-3 можно было бы использовать для питания местного реактора или даже в качестве топлива для космических кораблей, работающих на ядерном синтезе.