Гелий 3 как топливо: Недопустимое название | Mass Effect Wiki

Не вешайте нам гелий-3 на уши! / Наука / Независимая газета

«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 заявление главы ракетно-космической корпорации «Энергия» Николая Севастьянова, если и не потрясло воображение законопослушных россиян (им сейчас, как раз, накануне нового отопительного сезона только с гелием-3 разбираться), то уж воображение специалистов и людей заинтересованных не оставило равнодушным.

Оно и понятно: при, мягко говоря, не блестящем состоянии дел в отечественной аэрокосмической отрасли (космический бюджет России в 30 раз меньше, чем в США и в 2 раза меньше, чем в Индии; с 1989 по 2004-й годы мы запустили всего 3 исследовательских КА), вдруг, вот так, ни больше, ни меньше – россияне будут добывать гелий-3 на Луне! Напомню, что, теоретически, этот легкий изотоп гелия способен вступать в термоядерную реакцию с дейтерием. Соответственно, термояд многие ученые считают потенциально безграничным источником дешевой энергии. Однако проблемка есть: гелий-3 составляет менее одной миллионной доли от общего количества гелия на Земле. А вот в лунном грунте этот легкий изотоп содержится в изобилии: по оценке академика Эрика Галимова – около 500 млн. тонн…

Говорят, в свое время в США перед входом в Диснейленд висел огромный плакат: «Мы и наша страна можем все, единственное, что нас лимитирует, это границы нашего воображения». Все это было недалеко от истины: быстрый и эффективный атомный проект, фантастически успешная лунная программа, стратегическая оборонная инициатива (СОИ), вконец доконавшая советскую экономику. …

По существу, одной из главных функций государства, особенно в XX веке, было как раз формулирование перед научным сообществом задач на грани воображения. Это касается и советского государства: электрификация, индустриализация, создание атомной бомбы, первый спутник, поворот рек┘ Кстати, и у нас был свой «плакат» перед Диснейлендом – «Мы рождены, чтоб сказку сделать былью!»

«Я просто думаю, что есть дефицит в какой-то крупной технологической задаче, – подчеркнул в беседе со мной 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».

Но все дело в том, что сейчас на Земле нет технологии – и в ближайшие, как минимум, 50 лет не предвидится ее появления, – сжигания гелия-3 в термоядерной реакции. Нет даже эскизного проекта такого реактора. Строящийся сейчас во Франции международный термоядерный реактор ITER проектируется на «сжигание» изотопов водорода – дейтерия и трития. Расчетная температура «поджига» термоядерной реакции – 100–200 млн. градусов. Для использования гелия-3 температура должна быть на порядок-два выше.

Значит, руководитель крупнейшей в России ракетно-космической корпорации Николай Севастьянов, извините за выражение, пудрит нам мозги своим гелием-3? Не похоже. Зачем!?

«Космическая отрасль, естественно, заинтересована в таком крупном и дорогостоящем проекте, – считает Александр Захаров. – Но с точки зрения его практического использования, абсолютно очевидно, что это преждевременно».

Чтобы реализовать проект «гелий-3» нужно создавать специальную программу дополнительных исследований Луны, запускать целую эскадру космических аппаратов, решать вопросы с добычей гелия-3, его переработкой┘ Это разорит страну почище всякой СОИ.

«Я не хочу сказать, что Луна с научной точки зрения полностью закрыта – там остались и научные задачи, – подчеркивает Александр Захаров. – Но, как говорится, этим надо заниматься step by step, не забываю о других научных задачах. А то мы как-то шарахаемся: как только американцы объявили о программе пилотируемого полета на Марс – и сразу мы заявляем, что тоже готовы этим заниматься. Услышали про лунные программы – давайте тоже этим заниматься┘ У нас нет обдуманной, взвешенной, стратегической национальной задачи».

Вот, опять вернулись к тому, с чего начали, – к стратегической национальной задаче. Беда в том, что в отличие от американцев мы лимитированы не столько своим воображением – с этим-то, как показывает заявление Николая Севастьянова, у нас все в порядке. Но вот на программу «гелий-3» (условно назовем ее так), по самым скромным расчетам, потребуется 5 млрд. долл. на пять лет исследований.

С чисто научной точки зрения, в проблеме термояда на основе ТОКАМАКов, даже несмотря на принятое решение о строительстве международного экспериментального реактора ITER, наметился некий застой. (Впрочем, это тема для отдельного разговора.) Как мне кажется, проблема гелия-3 для некоторой части влиятельного термоядерного лобби – новая ниша для реанимации и реализации профессиональных амбиций.

Мало того – и это уж совсем сенсационная вещь, и только поэтому я не начал с нее свою статью, — как нам сообщил эксперт из аэрокосмической отрасли, на российский проект добычи легкого изотопа гелия на Луне выделен┘ 1 млрд. долларов! Деньги эти, якобы, имеют американское происхождение.

Несмотря на всю замысловатость подобной комбинации, концы с концами в ней сходятся вполне успешно. Чтобы добиться выделения 104-х млрд. долл. на объявленную недавно программу создания лунной базы, Национальному агентству США по аэронавтике и космическим исследованиям надо было показать, что «стратегические конкуренты» тоже не дремлют. То есть, «российский» миллиард — это, своего рода, накладные расходы NASA… Отсюда и необъяснимый рациональными мотивами всплеск интереса к добыче гелия-3 в России.

Если это действительно так, то лишний раз нам всем придется убедиться в справедливости формулы, напечатанной лет десять назад в журнале Physics Today. Вот она: «Ученые – это не бескорыстные искатели истины, а скорее участники острой конкурентной борьбы за научное влияние, победители которой срывают банк».

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: 12244

Запись опубликована: 27.03.2016
Автор: Владимир Соловьев

Сказочный изотоп: станет ли гелий-3 топливом будущего?

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.

ExplainingTheFuture.

com : Энергия гелия-3

Вы находитесь в: Технологии будущего : Генерация энергии гелия-3

Гелий-3 Энергогенерация

Гелий-3 (He3) представляет собой газ, который потенциально может быть использован в качестве топлива в будущих термоядерных электростанциях. На Земле очень мало гелия-3. Однако считается, что на Луне есть значительные запасы. Несколько правительств впоследствии заявили о своем намерении отправиться на Луну для добычи гелия-3 в качестве топлива. Такие планы могут быть реализованы в ближайшие два-три десятилетия и спровоцировать новую космическую гонку.

В дополнение к приведенной ниже информации вы также можете узнать больше об этой теме в моем видео Mining the Moon или в моем интервью BBC здесь. В этой статье за ​​июнь 2014 года для The Diplomat есть хорошая статья Фабрицио Боззато, которая, в свою очередь, основана на его обширной и превосходной статье здесь. Здесь также есть очень хорошая недавняя статья.

Вы также можете проверить мою более широкую страницу о ресурсах из космоса.

Гелий-3 и ядерный синтез

Чтобы обеспечить небольшую предысторию — и не углубляясь в науку — все атомные электростанции используют ядерную реакцию для производства тепла. Это используется для превращения воды в пар, который затем приводит в действие турбину для производства электроэнергии. Нынешние атомные электростанции имеют ядерных реакторов деления , в которых ядра урана расщеплены. При этом высвобождается энергия, а также радиоактивность и отработавшее ядерное топливо, которое перерабатывается в уран, плутоний и радиоактивные отходы, которые должны безопасно храниться фактически в течение неопределенного времени. Обзор этого ядерного топливного цикла можно найти здесь.

Более 40 лет ученые работали над созданием ядерной энергии из ядерного синтеза , а не ядерного деления. В современных термоядерных реакторах изотопы водорода тритий и дейтерий используются в качестве топлива, при этом атомная энергия высвобождается, когда их ядра сливаются с образованием гелия и нейтрона. Ядерный синтез эффективно использует тот же источник энергии, который питает Солнце и другие звезды, и не производит радиоактивности и ядерных отходов, которые являются побочным продуктом современного производства энергии ядерного деления. Однако так называемые «быстрые» нейтроны, высвобождаемые термоядерными реакторами, работающими на тритии и дейтерии, приводят к значительным потерям энергии, и их чрезвычайно трудно сдержать. Одним из возможных решений может быть использование гелия-3 и дейтерия в качестве топлива в «анейтронных» (энергия без нейтронов) термоядерных реакторах. Связанная здесь ядерная реакция, когда гелий-3 и дейтерий сливаются, создает обычный гелий и протон, который тратит меньше энергии и его легче удерживать. Таким образом, термоядерные реакторы, использующие гелий-3, могут обеспечить высокоэффективную форму ядерной энергетики практически без отходов и без излучения. Короткую настенную диаграмму, объясняющую это более подробно, можно найти здесь. Вышеупомянутые ядерные реакции деления и синтеза также проиллюстрированы в анимации в моем видео Mining the Moon.

Добыча гелия-3 на Луне

Одна из многих проблем, связанных с использованием гелия-3 для получения энергии путем ядерного синтеза, заключается в том, что, по крайней мере, на Земле гелий-3 действительно очень и очень редок. Гелий-3 производится как побочный продукт технического обслуживания ядерного оружия, что может составить около 15 кг в год. Однако гелий-3 излучается Солнцем в составе его солнечных ветров. Наша атмосфера предотвращает попадание гелия-3 на Землю. Однако, поскольку у него нет атмосферы, ничто не препятствует попаданию гелия-3 на поверхность Луны и его поглощению лунным грунтом. В результате было подсчитано, что на поверхности Луны до глубины нескольких метров находится около 1 100 000 метрических тонн гелия-3. Этот гелий-3 потенциально может быть извлечен путем нагревания лунной пыли примерно до 600 градусов по Цельсию, прежде чем доставлять его обратно на Землю для топлива нового поколения термоядерных электростанций.

Как сообщается в документе Artemis Project, около 25 тонн гелия-3 — или полностью загруженного грузового отсека космического корабля — могли бы обеспечивать Соединенные Штаты в течение года. Это означает, что гелий-3 имеет потенциальную экономическую ценность порядка 3 миллиардов долларов за тонну, что делает его единственной экономически целесообразной добычей с Луны, учитывая текущие и, вероятно, ближайшие технологии и возможности космических путешествий.

В связи с вышесказанным вряд ли стоит удивляться серьезному интересу к лунному гелию-3. Сообщалось, что в 2006 году Николай Севастьянов, глава российской космической корпорации «Энергия», заявил, что Россия планирует добывать лунный гелий-3 с созданием постоянной лунной базы к 2015 году и началом промышленного производства гелия-3 к 2015 году. 2020. Этого явно не будет! Американские планы начала нулевых «создать постоянную базу на одном из полюсов Луны к 2024 году» с гелием-3, названным одной из причин этой миссии, также, к сожалению, скорее всего, ни к чему не приведут.

Как уже отмечалось выше, Китайская программа исследования Луны развивается быстрыми темпами, и ее возглавляет ученый, твердо убежденный в потенциальной добыче гелия-3 на Луне. В декабре 2013 года Китаю удалось посадить роботизированный посадочный модуль на Луну, тем самым успешно завершив этап 3 своей программы исследования Луны. К концу 2017 года пятый и последний этап текущей программы предполагает отправку на Луну роботизированного корабля, который вернет лунные камни на Землю. Если все пойдет хорошо, в 2020-х годах может последовать пилотируемая программа, что заложит потенциальную основу для добычи Китаем гелия-3 на Луне в 2030-х или позже. . .

Цветок во тьме?

Тема добычи гелия-3 на Луне в качестве топлива для будущих экологически чистых и безопасных атомных электростанций является увлекательной и вызывает много вопросов. Некоторые из этих вопросов являются сугубо техническими и связаны с осуществимостью задействованной ядерной физики. Другие вопросы касаются немаловажных практических аспектов, связанных с полетом на Луну, добычей и перегревом больших количеств лунной породы (Space.com сообщил о предположении, что примерно один миллион тонн лунного грунта необходимо добывать и перерабатывать на каждые 70 тонн гелия-3), а затем вернуть драгоценный груз на Землю. Однако гораздо более интересные вопросы, возможно, связаны с тем, почему эта тема привлекает так мало внимания средств массовой информации и общественности.

Как отмечалось выше, несколько крупнейших правительств на планете неоднократно заявляли о том, что они либо активно рассматривают, либо хотели бы отправиться на Луну для добычи гелия-3. Независимо от того, будет ли наука работать на самом деле, это, безусловно, важная новость. Учитывая, что публичные дебаты о строительстве будущих атомных электростанций и даже ветряных электростанций в настоящее время бушуют с большой силой и широко освещаются в СМИ, почему гелий-3 электростанции как часть потенциальной будущей энергетической стратегии редко, если вообще упоминаются, является исключительным трудно понять.

Никто не пытается скрыть потенциал будущего лунного производства электроэнергии на гелии-3. Однако, подобно розе в темной комнате, существует потенциальная опасность того, что что-то прекрасное не получит нужного света, если больше внимания не начнет томиться на том, что может оказаться очень большой частью решения проблемы. Пик нефти и истощение других ресурсов ископаемого топлива, не говоря уже об изменении климата.

Теперь вы также можете прочитать и просмотреть мой более широкий и свежий контент о ресурсах из космоса.

Возврат к технологиям будущего.

Гелий-3 с поверхности Луны для ядерного синтеза?

С 1969 года возвращение человека на Луну никогда не казалось таким близким. Хотя научный интерес продолжал процветать, космические программы на протяжении многих десятилетий отказывались от него в пользу Международной космической станции и миссий по исследованию Солнечной системы. Возвращение на Луну, в котором доминирует растущая конкуренция между Соединенными Штатами и Китаем, теперь мотивировано желанием изучить и, возможно, использовать ресурсы, которые можно там найти.

Из них гелий-3 представляет наиболее значительный потенциал в области энергетики. Этот нерадиоактивный изотоп является идеальным топливом для работы термоядерного реактора; он состоит из сплава гелия-3 с дейтерием с тем преимуществом, что нейтроны не образуются. Хотя он все еще находится на экспериментальной стадии, способность удерживать такую ​​энергию в защитной камере реактора может сделать его жизнеспособным источником энергии.

В сентябре 2021 года американская компания Commonwealth Fusion Systems, базирующаяся в Массачусетсе, объявила о создании магнитного поля силой 20 тесла с использованием высокотемпературного сверхпроводящего электромагнита, что представляет собой значительный прогресс. С этой точки зрения добыча гелия-3 на Луне может способствовать развитию этой прорывной технологии.

Каков потенциал лунного гелия-3?

Еще в 1988 году в отчете НАСА о гелии-3 упоминалось о возможности использования этого изотопа в ядерном термоядерном реакторе ¹ . Теоретически он предлагает несколько преимуществ по сравнению с современной ядерной энергетикой, поскольку является обильным источником энергии с низким содержанием углерода и без ядерных отходов. На бумаге его преимущества делают его конкурентоспособным ресурсом, в то время как этот изотоп полезен для других приложений, включая криогенику, квантовые компьютеры и МРТ легких. Кроме того, Луна является его основным резервуаром.

В течение миллиардов лет действие солнечного ветра высвобождало высокоэнергетические частицы, в том числе гелий-3, который скапливался на Луне в отсутствие атмосферы. Возобновляемый ресурс по определению, изотоп регулярно откладывается на поверхности Луны под постоянной активностью Солнца. Однако, как показывает Ян Кроуфорд, представление об изобилии этого ресурса необходимо взвесить: самая высокая концентрация, наблюдаемая при измерениях, проведенных на образцах, составляет 10 частей на миллиард (ppb), в зависимости от массы, при средней концентрации 4 ppb в слое реголита ² .

Планируемое возвращение на Луну

В качестве предварительного условия для установки человеческой базы многие государства (Индия, Россия, Китай, Объединенные Арабские Эмираты и др.) готовят в ближайшие годы новые лунные миссии. На сегодняшний день программа Artemis, поддерживаемая НАСА, является наиболее успешной на данном этапе для этого запланированного возвращения. Наряду с Соединенными Штатами к этому амбициозному проекту присоединились многие страны, такие как Австралия, Бразилия, Италия, Япония и Люксембург. Китай вместе с Россией также рассматривает возможность создания лунной базы. Однако спецификации для такого предприятия на данный момент остаются неполными, как с точки зрения финансовых ресурсов, так и технических механизмов для достижения цели, установленной на 2030 год.

Очевидно, что постоянная установка требует строительства и обслуживания инфраструктуры за счет использования местных ресурсов и интенсивного использования роботов. В связи с этим австралийская компания Luyten планирует внедрить технологию 3D-печати для предоставления строительных решений на месте ³ . Другими словами, цель состоит в том, чтобы создать искусственную лунную экосистему для облегчения путешествия на Землю. Для достижения этой цели французский инкубатор TechTheMoon, базирующийся в Тулузе, первым в мире занимается созданием постоянного поселения на Луне 9. 0062 4 . Несмотря на это подражание, создание человеческой колонии остается далекой перспективой. Недавний аудиторский отчет НАСА указывает на кумулятивные задержки в программе Artemis, особенно в разработке и тестировании лунного модуля, что де-факто откладывает миссию после 2024 ⁵ .

Китай начинает гонку за этот новый рубеж добычи полезных ископаемых

Китай продемонстрировал стремительный рост своей космической деятельности в направлении Луны – как в экономическом, так и в технологическом плане. В качестве фундаментального шага в развитии своей космической программы Китай отправил свой первый зонд на орбиту вокруг Луны в 2007 году. С тех пор миссии «Чанъэ-4» (2018 г.) и «Чанъэ-5» (2020 г.) достигли значительного прогресса в знание и изучение данных о рельефе и составе почвы. Одной из целей этих поездок является определение точного количества присутствующего гелия-3. С этой целью Пекинский научно-исследовательский институт геологии урана (BRIUG) измеряет содержание гелия-3 в лунном грунте, оценивает параметры его извлечения и изучает фиксацию этого изотопа землей. Эти успехи также отражают общую стратегию Пекина по контролю над земными полезными ископаемыми и металлами и их использованием.

В целом другие страны финансируют программы по анализу лунного грунта, такие как будущая миссия первого эмиратского марсохода, запланированная на 2022 год ⁶ . С помощью лунохода японской компании Ispace марсоход «Рашид» изучит его геологический состав и свойства. Эти миссии, несомненно, помогут оценить его потенциал добычи.

Много препятствий

Научные миссии будут продолжаться в течение следующего десятилетия для продолжения исследования реголитовых пород на новых лунных территориях. Это бесценная научная информация, отражающая одну из основ освоения космоса человеком; на возможности эксплуатации внеземных ресурсов, которые кажутся неограниченными. В любом случае, развитие внеземной горнодобывающей промышленности влечет за собой инвестиционные и инфраструктурные ограничения, так что развертывание существующих возобновляемых ресурсов на Земле останется менее затратным. Фактически, стоимость энергии лунного гелия-3 — от извлечения до использования в ядерном термоядерном реакторе — сделает его в лучшем случае довольно незначительным вкладом в наши долгосрочные потребности в энергии.

В то время как существующие технологические и финансовые барьеры якобы препятствуют запуску такого предприятия за пределами земной системы ⁷ , устойчивая политика исследований и разработок в некоторых странах в этом смысле является способом сохранения возможности открытой. В целом, эта осуществимость может быть разгадана, когда будет преодолен технологический порог, который коррелирует с его экономической рентабельностью. Наконец, действующие международные договоры не обеспечивают политической и правовой базы для добычи полезных ископаемых на Луне. В то же время необходимо подумать о статусе небесного объекта, который в конечном итоге может стать подобным Антарктиде, став нейтральным пространством, посвященным науке.

1https://​ntrs​.nasa​.gov/​c​i​t​a​t​i​o​n​s​/​1​9​8​9​0​0​05471↑

2http://www. homepages.ucl.ac.uk/~ucfbiac/Lunar_resources_review_preprint_accepted_manuscript.pdf↑

3https://www​.luyten3d​.com/​p​r​o​j​e​c​ t​-​m​e​e​k​a​-​p​r​e​s​s​-​r​e​lease↑

4https://​techthe​moon​.com/↑

5https://oig.nasa.gov/docs/IG-22–003.pdf↑

6https://​www​.nation​al​geo​ic​.com/​s​c​i ​e​n​c​e​/​a​r​i​c​l​e​/​p​a​i​d​-​c​o​n​t​e​n​t ​-​u​a​e​s​-​g​i​a​n​t​-​l​e​a​p​-​i​n​t​o​-пространство; // https://www.nature.com/articles/d41586-020–03054‑1↑

7https://​the​con​ver​sa​tion​.com/​d​e​s​t​i​n​a​t​i​o​n​-​m​o​o ​n​-​i​s​-​i​t​-​t​i​m​e​-​f​o​r​-​u​s​-​t​o​-​s​e ​n​d​-​a​s​t​r​n​a​u​t​s​-​b​a​c​k​-​1​59486↑

Что такое Гелий-3 и почему это так важно?

Предыстория и история

Все узнают о гелии в школе. Это второй элемент в периодической таблице, имеющий 2 протона, 2 нейтрона и 2 электрона, с атомной массой 4 . Но в последнее время в новостях упоминается другая форма гелия, и она называется гелий-3. Гелий-3, также пишется как ³ He — легкий изотоп гелия, имеющий 2 протона, но только один нейтрон, и атомную массу 3 . Существование гелия-3 было впервые предложено в 1934 году австралийским физиком-ядерщиком Марком Олифантом. Первоначально считалось, что гелий-3 является радиоактивным изотопом, пока он не был обнаружен в образцах природного гелия, взятых как из земной атмосферы, так и из скважин с природным газом. Помимо 1H, гелий-3 является единственным стабильным изотопом любого элемента с большим количеством протонов, чем нейтронов. Его присутствие на Земле редко, его ищут для использования в исследованиях ядерного синтеза, и его много в лунной почве.

Реакции деления и синтеза

В настоящее время все атомные электростанции используют ядерную реакцию для производства тепла, которое превращает воду в пар, который затем приводит в действие турбину для производства электроэнергии. Атомные электростанции имеют ядерные реакторы деления , в которых ядра урана являются расщепленной частью. Это высвобождает энергию, но также производит радиоактивные отходы, которые должны безопасно храниться фактически в течение неопределенного времени. Ядерный синтез эффективно использует тот же источник энергии, который питает Солнце и другие звезды, и не производит радиоактивности и ядерных отходов, которые являются побочным продуктом современного производства энергии ядерного деления.

Ядерный синтез использует тот же источник энергии, что и Солнце и другие звезды. В отличие от ядерного деления, оно не производит радиоактивности и ядерных отходов, которые являются побочным продуктом современного производства энергии ядерного деления.

Уравнения деления и синтеза:

При делении одного атома урана-235 генерируется энергия 202,5 ​​МэВ = 3,24 × 10 ⁻¹¹ Дж, что соответствует 19,54 ТДж/моль или 83,14 ТДж/кг. Это примерно в 2,5 миллиона раз больше энергии, выделяемой при сжигании угля. Когда ²³⁵ ₉₂ Нуклиды урана бомбардируются нейтронами, одна из многих реакций деления, которым он может подвергнуться, следующая.

FISSION REACTION OF URANIUM 235 BOMBRADED BY NEUTRONS:

¹ ₀ n + ²³⁵ ₉₂ U → ¹⁴¹ ₅₆ Ba + ⁹² ₃₆ Kr + 3 ¹ ₀ n

РЕАКЦИЯ СИНТЕЗА ДВУХ АТОМОВ ГЕЛИЯ-3:

³ ₂ He + ³ ₂ He —> ⁴ ₂ He+ 2 ¹ ₁ p + 12. 86 MeV or

² ₂ HE + ³ ₂ HE —> ⁴ ₂ HE + ¹ ₁ P + 18,3 MEV

FUSION из DEUTERIM 2 ₁ Н) + ³ ₂ HE —> ⁴ ₂ HE + ¹ ₁ P + 18,4 MEV

Температурные барьеры в гелиус-3 реакциях Fusion:

.

В декабре 2013 года Китаю удалось посадить роботизированный посадочный модуль на Луну, тем самым успешно завершив этап 3 своей лунной программы исследования. Предполагалось, что к концу 2017 года пятый и последний этап программы вернет лунные породы на Землю. Если все пойдет хорошо, в 2020-х годах может последовать пилотируемая программа, что заложит потенциальную основу для добычи Китаем гелия-3 на Луне в 2030-х или позже. В 2006 году российская компания «Энергия» заявила, что в 2015 году у нее будет постоянная лунная база, а к 2020 году будет производиться сбор гелия-3. Но компания, похоже, сильно отстает в реализации этих заявлений.

Сколько гелия-3 на Луне?

На Луне имеются большие запасы гелия-3, легкого и нерадиоактивного термоядерного топлива, которого практически нет на Земле. Поскольку на Луне нет атмосферы и она подвергалась бомбардировке солнечными ветрами, содержащими гелий-3, в течение миллиардов лет, Луна имеет огромные объемы изотопа. По некоторым оценкам, на поверхности Луны находится не менее 1,1 миллиона метрических тонн гелия-3, что достаточно для удовлетворения потребностей человечества в энергии на срок до 10 000 лет.

Можно ли будет использовать гелий-3 в ближайшем будущем, или до технологии еще много десятилетий?

Итак, теперь на Землю? Какова реальность фактического использования Гелия-3. Реальность не так однозначна. Самые передовые программы термоядерного синтеза в мире — это термоядерный синтез с инерционным удержанием (например, Национальная установка зажигания и термоядерный синтез с магнитным удержанием (например, ИТЭР) и другие. В случае первого нет надежной дорожной карты для производства электроэнергии. В случае В последнем случае коммерческое производство электроэнергии не ожидается примерно до 2050 г. В обоих случаях обсуждаемый тип синтеза является простейшим: дейтериево-тритиевый синтез. Причиной этого является очень низкий кулоновский барьер для этой реакции; барьер намного выше, а для 3He–3He он еще выше. Огромная стоимость реакторов, таких как ITER и National Ignition Facility , во многом обусловлена ​​их огромными размерами, однако для масштабирования до более высоких температур плазмы потребуются реакторы еще большего размера. Протон с энергией 14,7 МэВ и альфа-частица с энергией 3,6 МэВ в результате синтеза D-3He, а также более высокая эффективность преобразования означают, что на килограмм получается больше электричества, чем при синтезе DT (17,6 МэВ), но не намного больше. д., скорость реакции для реакций синтеза гелия-3 не особенно высока, и для производства такого же количества электроэнергии требуется еще более крупный реактор или несколько реакторов.