Гелієва енергетика. Місяць та гріш, або історія гелієвої енергетики

Потрібно зрозуміти, що сьогодні дослідження Сонячної системи, вивчення позаземної речовини, хімічної будови Місяця та планет, пошук позаземних форм життя, розуміння фізики Всесвіту – це передова лінія фундаментальної науки. Сучасні космічні дослідження слід розглядати не як один із напрямів чи розділів науки, а як етап розвитку науки. Без результатів, отриманих у космічних дослідженнях, неповноцінними є ні фізика, ні біологія, ні хімія, ні геологічні науки.

Відступ на задній план країни, що має багатий досвід та традиції космічних досліджень, не може не викликати тривогу та бажання зрозуміти причини.

Е. М. Галімов

Гелій 3 – міфічне паливо майбутнього

Напевно мало чого в галузі термоядерної енергетики оточено міфами, як Гелій 3. У 80х-90х він був активно популяризований, як паливо, яке вирішить усі проблеми керованого термоядерного синтезу, а так само як один із приводів вибратися із Землі (т.к. землі його буквально лічені сотні кілограмів, а на місяці мільярд тонн) і зайнятися, нарешті, освоєнням Сонячної системи. Все це базується на дуже дивних уявленнях про можливості, проблеми та потреби неіснуючої сьогодні термоядерної енергетики, про що ми й поговоримо

Пам'ятаєте, я писав, що магніти тороїдального поля ІТЕР, які створюють протитиск плазмі – абсолютно рекордні вироби, єдині за параметрами у світі? Так ось, шанувальники He3 пропонують зробити магніти у 500 разів потужнішими.

Видобуток гелію-3 на Місяці забезпечить землян енергією на 5 тис. років

Наявні на Місяці запаси гелію-3 можуть забезпечити землян енергією на п'ять тисяч років уперед, заявив у середу на мультимедійній лекції в РІА «Новости» доктор фізико-математичних наук, завідувач відділу досліджень Місяця та планет Державного астрономічного інституту МДУ ім. Ломоносова Владислав Шевченко.

Можливості забезпечення мешканців Землі енергоносіями небезмежні, їх запаси на нашій планеті будуть вичерпані протягом найближчих століть. Разом з тим, у США вже підрахували, що запаси гелію-3, які є на Місяці, можуть забезпечити землян енергією, як мінімум, на п'ять тисяч років уперед, - сказав Шевченко.

Так, вартість однієї тонни гелію-3 складе приблизно мільярд доларів при тому, що буде створено необхідну інфраструктуру видобутку та доставки з Місяця. Але при цьому 25 тонн - а це всього 25 мільярдів доларів, що не так уже й багато в масштабах держав нашої планети - вистачить для забезпечення енергією землян протягом року. Нині щороку лише США витрачає на енергоносії приблизно 40 мільярдів доларів. Вигода очевидна, – зазначив Шевченко.

За його словами, у найближчому майбутньому партнерам із Міжнародної космічної станції (МКС) слід поступово переходити від її експлуатації до створення Міжнародної місячної станції (МЛС). Наш шлях зараз – від МКС до МЛС. Отримаємо велику практичну користь, - сказав учений.

В даний час ізотоп гелій-3 на Землі видобувають у дуже невеликих кількостях, що обчислюються кількома десятками грамів на рік.

На Місяці запаси цього цінного ізотопу становлять, за мінімальними оцінками, близько 500 тисяч тонн. При термоядерному синтезі, коли реакцію вступає 1 тонна гелію-3 з 0,67 тоннами дейтерію, вивільняється енергія, еквівалентна згорянню приблизно 15 мільйонів тонн нафти.

В інтерв'ю газеті «Праця» академік Роальд Зіннурович Сагдєєв назвав сенсацію, підняту навколо видобутку гелію-3 на Місяці. не стоїть і виїденого яйця.

Академік Сагдєєв сказав, що на останніх 30-х Королівських читаннях тон задавали прихильники місячних проектів, які доводили, що видобуток гелію-3 на Місяці вигідне та перспективне завдання. Вважається, що термоядерні реактори. працюючі на гелії-3, забезпечать людство енергією на тисячоліття.

Плани створення бази на Місяці до 2015 року та видобуток та транспортування гелію-3, які були представлені на читаннях, є абсолютно нереальними. Та й гелій-3 знадобиться не раніше ніж через 80-100 років.

Академік Сагдєєв сказав, що все ще не існують реактори, які працюють на дейтерії та тритії. Хоча запаси дейтерію в морській воді практично необмежені. Для створення термоядерного реактора, який працює на гелії-3, знадобиться ще близько 100 років. "Словом, побудова гелієвого реактора - завдання навіть не XXI, а XXII століття" - говорить Сагдєєв.

Тому плани створення бази на Місяці і видобуток там гелію-3 це ілюзія: «Насправді весь цей галас, пов'язаний з пропозицією добувати гелій-3 на Місяці, не варто і виїденого яйця».

Слова Сагдєєва з інтерв'ю: «Коли про видобуток гелію-3 на Місяці розповідає, наприклад, керівник РКК „Енергія“ Микола Севастьянов, я внутрішньо посміхаюся і навіть десь співчуваю такій захопленій людині, яка виявилася, як це не дивно, полонила» .

Гелій-3 був відкритий австралійським ученим Марком Оліфантом під час роботи в Кембриджському університеті.

Застосування 3 He

Гелій-3 застосовується для дослідження термоядерного синтезу. Він є побічним продуктом реакцій, що протікають на Сонці. На Землі його видобувають у дуже невеликих кількостях, які обчислюються кількома десятками грамів на рік. Причиною цього є наша атмосфера. сприяє процесам реакції Гелія-3 з іншими речовинами. При термоядерному синтезі 1 тонни гелію-3 вивільняється енергія, що дорівнює 15 млн т нафти.

Запаси 3 He на Землі

На Землі його запаси приблизно оцінюються в 500 -1000 кілограм і вкрай розпорошені в атмосфері та гірських породах.

Запаси 3 He на Місяці

Місячні ресурси Гелія-3 дуже великі і їх має вистачити щонайменше на найближче тисячоліття. Основною проблемою залишається те, що керований термоядерний синтез досі нездійснений, і за найоптимістичнішими прогнозами, можливість комерційного використання настане не раніше 2050 року.

Джерела: znaniya-sila.narod.ru, hodar.ru, ria.ru, ru.wikinews.org, traditio-ru.org

Ланчанське диво

Ангош

Повернення з Марса

Аномальні зони Росії

Міф про будівництво міста Фіви

Політики Сенусерту I дотримувалися його спадкоємці Аменемхет II і Сенусерт II. Остаточно колишню владу Єгипту над Нубією, Сирією та...

Як оновити інтер'єр квартири

Зміна обстановки у квартирі завжди буває на користь. Як мінімум, для покращення настрою. Але як бути, якщо на ремонт немає.

Привид на Берклі-сквер

Один із найзагадковіших будинків Англії, закутаний вуаллю таємниці та містики, знаходиться у самому її серці – Лондоні. Тут, на вулиці Беверлі-сквер, ...

Новий марсохід НАСА

Після тривалого процесу розробки, NASA тепер визначилися з дизайном нового апарату, який вирушить на Марс. У перспективі планується...

Чим відома Іспанія?

Іспанія відома своїм національним танцем фламенко, національною стравою паельєю, співаючими фонтанами Барселони, алькасаром у Кордові, кафедральним собором у Сантьяго-де-Компостела, кривавою...

Гелій-три. Дивне та незрозуміле словосполучення. Проте чим далі, тим більше ми чутимемо його. Тому що, на думку фахівців, саме гелій-три врятує наш світ від енергетичної кризи, що насувається. І на цьому підприємстві найактивніша роль відводиться Росії.

Місяць

Перспективна термоядерна енергетика, що використовує як основу реакцію синтезу дейтерій-тритій, хоча й безпечніша, ніж енергетика поділу ядра атома, яка використовується на сучасних АЕС, все ж таки має ряд істотних недоліків.

По перше, при цій реакції виділяється значно більше (на порядок!) Число високоенергетичних нейтронів. Настільки інтенсивного нейтронного потоку жоден із відомих матеріалів не може витримати понад шість років - при тому, що має сенс робити реактор з ресурсом як мінімум у 30 років. Отже, першу стінку тритієвого термоядерного реактора необхідно буде замінювати - а це дуже складна і дорога процедура, пов'язана до того ж із зупинкою реактора на досить тривалий термін.
По-друге, від потужного нейтронного випромінювання необхідно екранувати магнітну систему реактора, що ускладнює і, відповідно, дорожчає конструкцію.
По-третєБагато елементів конструкції тритієвого реактора після закінчення експлуатації будуть високоактивними і вимагатимуть поховання на тривалий термін у спеціально створених для цього сховищах.

У разі використання в термоядерному реакторі дейтерію з ізотопом гелію-3 замість тритію більшість проблем вдається вирішити. Інтенсивність нейтронного потоку падає в 30 разів - відповідно, можна легко забезпечити термін служби в 30-40 років. Після закінчення експлуатації гелієвого реактора високоактивні відходи не утворюються, а радіоактивність елементів конструкції буде така мала, що їх можна поховати буквально на міському звалищі, злегка присипавши землею.

У чому проблема? Чому ми досі не використовуємо такого вигідного термоядерного палива?

Насамперед тому, що на нашій планеті цього ізотопу надзвичайно мало. Народжується він на Сонці, через що іноді називається «сонячним ізотопом». Його загальна маса там перевищує вагу нашої планети. У навколишній простір гелій-3 розноситься сонячним вітром. Магнітне поле Землі відхиляє значну частину цього вітру, тому гелій-3 становить лише одну трильйонну частину земної атмосфери - приблизно 4000 т. На самій Землі його ще менше - близько 500 кг.

На Місяці цього ізотопу значно більше. Там він вкрапується в місячний ґрунт «реголіт», що за складом нагадує звичайний шлак. Йдеться про величезні - практично невичерпні запаси!

Аналіз шести зразків ґрунту, привезених експедиціями «Аполлон», та двох зразків, доставлених радянськими автоматичними станціями « Місяць», показав, що в реголіті, що покриває всі моря та плоскогір'я Місяця, міститься до 106 т гелію-3, що забезпечило б потреби земної енергетики, навіть збільшеної в порівнянні з сучасною у кілька разів, на тисячоліття! За сучасними підрахунками, запаси гелію-3 на Місяці на три порядки більше - 109 т.

Окрім Місяця, гелій-3 можна знайти в щільних атмосферах планет-гігантів, і, за теоретичними оцінками, запаси його лише на Юпітері становлять 1020 т, чого вистачило б для енергетики Землі до кінця часів.

Проекти видобутку гелію-3

Реголіт покриває Місяць шаром завтовшки кілька метрів. Реголить місячних морів багатше гелієм, ніж реголить плоскогір'я. 1 кг гелію-3 міститься приблизно 100 000 т реголіту.

Отже для того, щоб видобути дорогоцінний ізотоп, необхідно переробити величезну кількість розсипчастого місячного ґрунту.

З урахуванням усіх особливостей, технологія видобутку гелію-3 повинна включати такі процеси:

1. Видобуток реголіту.

Спеціальні «комбайни» збиратимуть реголіт із поверхневого шару завтовшки близько 2 м і доставлятимуть його на пункти переробки або перероблятимуть безпосередньо в процесі видобутку.

2. Виділення гелію з реголіту.

При нагріванні реголіту до 600?С виділяється (десорбується) 75% гелію, що міститься в реголіті, при нагріванні до 800?С - майже весь гелій. Нагрівання пилу пропонується вести у спеціальних печах, фокусуючи сонячне світло або пластмасовими лінзами, або дзеркалами.

3. Доставка Землю космічними кораблями багаторазового використання.

При видобутку гелію-3 з реголіту вилучаються також численні речовини: водень, вода, азот, вуглекислий газ, азот, метан, чадний газ - які можуть бути корисні для підтримки місячного промислового комплексу.

Проект першого місячного комбайна, призначеного для переробки реголіту та виділення з нього ізотопу гелію-3, було запропоновано ще групою Дж.Кульчинськи. В даний час приватні американські компанії розробляють кілька прототипів, які, мабуть, будуть представлені на конкурс після того, як НАСА визначиться з рисами майбутньої експедиції на Місяць.

Зрозуміло, що, крім доставки комбайнів на Місяць, там доведеться звести сховища, базу (для обслуговування всього комплексу обладнання), космодром і багато іншого. Вважається, що високі витрати на створення розвиненої інфраструктури на Місяці окупляться сторицею в плані того, що наближається глобальна енергетична криза, коли від традиційних видів енергоносіїв (вугілля, нафта, природний газ) доведеться відмовитися.

Головна технологічна проблема

На шляху до створення енергетики на основі гелію-3 є одна важлива проблема. Справа в тому, що реакцію дейтерій-гелій-3 здійснити набагато складніше, ніж реакцію дейтерій-тритій.

Насамперед, надзвичайно важко підпалити суміш цих ізотопів. Розрахункова температура, за якої піде термоядерна реакція в дейтерій-тритієвій суміші, - 100-200 мільйонів градусів. При використанні гелію-3 потрібна температура на два порядки вище. Фактично ми повинні запалити на землі маленьке сонце.

Однак історія розвитку ядерної енергетики (останні півстоліття) демонструє збільшення температур, що генеруються, на порядок протягом 10 років. 1990 року на європейському токамаку JET вже палили гелій-3, при цьому отримана потужність склала 140 кВт. Приблизно тоді на американському токамаку TFTR було досягнуто температура, необхідна початку реакції в дейтерий-гелиевой суміші.

Втім, запалити суміш ще півсправи. Мінус термоядерної енергетики – складність отримання практичної віддачі, адже робочим тілом є нагріта до багатьох мільйонів градусів плазма, яку доводиться утримувати у магнітному полі.

Експерименти з приручення плазми проводяться вже багато десятиліть, але лише наприкінці червня минулого року в Москві представники низки країн підписали угоду про будівництво на півдні Франції в місті Кадараш Міжнародного експериментального термоядерного реактора (ITER) - прототипу практичної термоядерної електростанції. Як паливо ITER буде використовувати дейтерій із тритієм.

Термоядерний реактор на гелії-3 буде конструктивно складніше, ніж ITER, і поки що його немає навіть у проектах. І хоча фахівці сподіваються, що прототип реактора на гелії-3 з'явиться найближчими 20-30 роками, поки ця технологія залишається найчистішою фантастикою.

Питання видобутку гелію-3 аналізувалося експертами під час слухань з питань майбутнього дослідження та освоєння Місяця, що відбулися у квітні 2004 року в Підкомітеті з космосу та аеронавтики комітету з науки палати депутатів Конгресу США. Їхній висновок був однозначний: навіть у віддаленому майбутньому видобуток гелію-3 на Місяці зовсім невигідний.

Як зазначив Джон Логсдон, директор Інституту космічної політики з Вашингтона: «Космічна спільнота США не розглядає видобуток гелію-3 як серйозний привід для повернення на Місяць. Летіти туди по цей ізотоп все одно що п'ятсот років тому відправити Колумба до Індії за ураном. Привезти він його може, і привіз би, тільки ще кілька сотень років ніхто не знав би, що з ним робити».

Видобуток гелію-3 як національний проект

«Ми говоримо зараз про термоядерну енергетику майбутнього та новий екологічний тип палива, яке не можна видобути на Землі. Йдеться про промислове освоєння Місяця для видобутку гелію-3».

Цей вислів голови ракетно-космічної корпорації «Енергія» Миколи Севастьянова сприйняли російські наукові оглядачі як заявка на формування нового «національного проекту».

Адже, по суті, однією з головних функцій держави, особливо у XX столітті, було саме формулювання перед суспільством завдань на межі уяви. Це стосувалося і радянської держави: електрифікація, індустріалізація, створення атомної бомби, перший супутник, поворот річок.

Сьогодні у РФ держава намагається, але не може сформулювати завдання на межі неможливого. Державі потрібно, щоб хтось показав їй загальнонаціональний проект і обґрунтував вигоди, які з цього проекту теоретично випливають. Програма освоєння та видобутку гелію-3 з Місяця на Землю з метою постачання термоядерної енергетики паливом ідеально відповідає цим вимогам.

«Я просто думаю, що є дефіцит у якомусь великому технологічному завданні, - наголосив в інтерв'ю доктор фізико-математичних наук, вчений секретар Інституту космічних досліджень РАН Олександр Захаров. - Можливо, через це й виникли останнім часом усі ці розмови про видобуток на Місяці гелію-3 для термоядерної енергетики. Якщо Місяць- джерело з корисними копалинами, і звідти везти цей гелій-3, але в Землі не вистачає енергії… Усе це зрозуміло, звучить дуже красиво. І під це легко, можливо, умовити впливових людей виділити гроші. Я гадаю, що це так».

Мине зовсім небагато часу, за мірками життя людської цивілізації, як викопні природні багатства будуть вичерпані. Серед можливих кандидатур на заміну нафти і газу називають енергію сонця, силу вітру, водень. В останні роки все частіше можна почути про новий порятунок для планети під назвою гелій-3. Що цю речовину можна використовувати як сировину для електростанцій, додумалися відносно недавно.

Загальні дані про речовину: властивості

У 1934 році австралійський фізик Марк Оліфант, під час роботи в Кавендішській лабораторії Кембриджського університету в Англії, прийшов до чудового відкриття. У ході першої демонстрації ядерного синтезу під час бомбардування дейтронної мішені він висунув гіпотезу про існування нового ізотопу хімічного елемента під номером 2. Сьогодні він відомий як гелій-3.

Він має наступні властивостями:

Містить два протони, один нейтрон і два електрони;
Серед усіх відомих елементів є єдиним стабільним ізотопом, який має більше протонів, ніж нейтронів;
Кипить при 3,19 Кельвіна (-269,96 градусів Цельсія). Під час кипіння речовина втрачає половину своєї густини;
Момент імпульсу дорівнює ½, що робить його ферміоном;
Прихована теплота пароутворення становить 0,026 КДж/моль;

Через п'ять років після відкриття Марка Оліфанта його теоретичні побудови набули експериментального підтвердження. А ще через 9 років ученим удалося отримати з'єднання в рідкому вигляді . Як виявилося, в такому агрегатному стані гелій-3 має надплинні властивості.

Іншими словами, при температурах, близьких до абсолютного нуля, він здатний проникати крізь капіляри та вузькі щілини, практично не відчуваючи протидії сили тертя.

Видобуток гелію-3 на Місяці

Сонячний вітер протягом мільярдів років завдав у поверхневий шар реголіту величезну кількість гелію-3. За оцінками, його кількість на земному супутнику може сягати 10 мільйонів тонн.

Багато космічних держав мають програму видобутку цієї речовини з метою подальшого термоядерного синтезу:

У січні 2006 року російська компанія «Енергія» заявила про плани розпочати геологічні роботи на Місяці до 2020 року. Сьогодні майбутнє проекту перебуває у підвішеному стані через важке економічне становище країни;
У 2008 році Індійська організація космічних досліджень відправила до поверхні земного супутника зонд, однією з цілей якого було заявлено вивчення мінералів, що містять гелій;
Власні види на поклади дорогоцінної сировини має Китай. Згідно з планами, передбачається відправляти до супутника щороку три човники. Енергія, вироблена з цього палива, з лишком покриє потреби всього людства.

Поки що залишається мрією, яку можна побачити хіба що у науково-фантастичних стрічках. Серед них – «Місяць» (2009) та «Залізне небо» (2012).

У цьому відео фізик Борис Романов розповість, в якому вигляді знаходиться речовина гелій-3 на Місяці, чи можна його звідти імпортувати:

Геохімічні дані

Ізотоп також присутній на планеті Земля, хоч і в менших кількостях:

Це головна складова земної мантії, синтезованої ще під час планетоутворення. Сукупна її маса у цій частині планети становить, за різними оцінками, від 0,1 до 1 мільйона тонн;
На поверхню він виходить у результаті діяльності вулканів. Так, сопки Гавайських островів виділяють близько 300 г цієї речовини на рік. Серединно-океанічні хребти – близько 3 кілограмів;
У місцях наїзду однієї літосферної плити на іншу можуть бути сотні тисяч тонн гелієвого ізотопу. Витягти це багатство промисловим способом на етапі технологічного розвитку неможливо;
Природа продовжує виробництво цієї сполуки досі, внаслідок розпаду радіоактивних елементів у корі та мантії;
У досить невеликих кількостях (до 0,5%) його можна знайти у деяких джерелах газу. Як зазначають експерти, щорічно у процесі транспортування газу відбувається відділення 26 м 3 гелію-3;
Також він присутній у земній атмосфері. Питома частка становить приблизно 7,2 частин на трильйон атомів інших газів атмосфери. Згідно з останніми підрахунками, загальна маса атмосферного 3 2 he досягає щонайменше 37 тисяч тонн.

Сучасне використання речовини

Практично весь ізотоп, що використовується в народному господарстві, отримують шляхом радіоактивного розпаду тритію, який бомбардують нейтронами літію-6 в ядерному реакторі.

Упродовж десятків років гелій-3 був лише побічним продуктом при виготовленні боєголовок атомної зброї. Однак після підписання договору СНО-1 у 1991 році наддержави знизили обсяги виготовлення ракет, через що продукти виробництва також пішли на спад.

Сьогодні масштаби виробництва ізотопу знаходяться на підйомі, оскільки йому знайшли нове застосування:

Завдяки відносно високому гіромагнітному співвідношенню частинки цієї речовини застосовуються при медичній томографії легень. Пацієнт вдихає газову суміш, яка містить гіперполяризовані атоми гелію-3. Потім під впливом лазерного випромінювання інфрачервоного діапазону комп'ютер малює анатомічні та функціональні зображення органів;
У наукових лабораторіях це з'єднання використовується з кріогенних цілях. Шляхом його випаровування з поверхні холодильника вдається досягти значень, близьких до 0,2 кельвіна;
В останні роки набирає популярності ідея використання речовини як сировина для електростанцій. Перша подібна установка була збудована у 2010 році у долині Теннесі (США).

Гелій-3 як паливо

Другий переглянутий підхід до використання контрольованої термоядерної енергії передбачає використання в якості сировини 3 2 he і дейтерію. Результатом такої реакції буде іон гелію-4 та високоенергетичні протони.

Теоретично дана технологія має такі переваги:

Високий ККД, оскільки контролю за злиттям іонів використовується електростатичне поле. Кінетична енергія протонів безпосередньо перетворюється на електрику з допомогою твердотільного перетворення. Немає необхідності будувати турбіни, що використовуються в АЕС для перетворення енергії протонів на тепло;
Нижчі, порівняно з іншими типами електростанцій, капітальні та експлуатаційні витрати;
Ні повітря, ні вода не забруднюються;
Щодо малі габарити завдяки використанню сучасних компактних установок;
Відсутнє радіоактивне паливо.

Проте критики відзначають значну «вогкість» такого рішення. У найкращому випадку комерційне використання термоядерного синтезу розпочнеться не раніше 2050 року.

Серед усіх ізотопів хімічного елемента з порядковим номером 2 окремо стоїть гелій-3. Що це, коротко можна описати наступними властивостями: він стабільний (тобто не відчуває перетворень в результаті випромінювання), має надплинні властивості в рідкому вигляді, має відносно малу масу.

Відео про утворення гелію-3 у Всесвіті

У цьому ролику фізик Данило Потапов розповість, як у Всесвіті утворився гелій-3, яку роль у формуванні всесвіту він грав:

Не виключено, що найближчими роками ми станемо свідками Місячної гонки-2, переможець (або переможці) якої отримає в свої руки практично невичерпне джерело енергії. Це, у свою чергу, дозволить людству вийти на якісно новий технологічний уклад, про параметри якого ми можемо лише здогадуватися.

Що таке гелій-3?

Зі шкільного курсу фізики ми пам'ятаємо, що атомна маса гелію дорівнює чотирьом і цей елемент є інертним газом. Його проблематично використовувати в якихось хімічних реакціях, тим більше з виділенням енергії. Зовсім інша справа – ізотоп гелію з атомною масою 3. Він здатний входити в термоядерну реакцію з дейтерієм (ізотопом водню з атомною масою 2) внаслідок чого утворюється гігантська енергія за рахунок синтезу звичайного гелію-4 з виділенням протону (3 Не + D → 4 Чи не p + енергія). Подібно з усього одного грама гелію-3 можна отримати таку ж енергію, як при спалюванні 15 тонн нафти.

Тони гелію-3 вистачить для енерговиділення на рівні 10 ГВт протягом року. Таким чином, щоб закрити всі сьогоднішні енергопотреби Росії, щорічно знадобиться 20 тонн гелію-3, а для всього людства потрібно приблизно 200 тонн даного ізотопу на рік. При цьому відпаде необхідність палити нафту та газ, запаси яких не безмежні, за останніми оцінками розвіданих запасів вуглеводнів - людству вистачить лише на півстоліття. Не треба буде експлуатувати і досить небезпечні АЕС, що після Чорнобиля та Фукусіми набуло особливої актуальності.

Де взяти гелій-3?

За сучасного розвитку технологій єдиним реально доступним джерелом цього елемента є поверхня Місяця. Сам собою гелій-3 утворюється в надрах зірок (наприклад, нашого Сонця) в результаті з'єднання двох атомів водню.

При цьому основним продуктом реакції є звичайний гелій-4, а ізотоп-3 утворюється в малих кількостях. Частина його виноситься сонячним вітром і поступово розподіляється за планетною системою.

На Землю гелій-3 мало випадає, оскільки його атоми відхиляються магнітним полем нашої планети. На планетах, у яких таке поле відсутня, елемент осаджується у верхніх шарах грунту і поступово накопичується. Найближчим до Землі небесним тілом, яке не має магнітного поля, є Місяць, тому саме тут зосереджені доступні людству запаси цього цінного енергоносія.

Підтвердженням цього є не тільки теоретичні викладки, а й результати емпіричних досліджень. У всіх пробах місячного ґрунту, доставлених на Землю, було виявлено гелій-3 відносно високих концентраціях. У середньому – на 100 тонн реголіту припадає 1 гр. даного енергоізотопу.

Таким чином, щоб отримати вищезгадані 20 тонн гелію-3 для повного задоволення річних енергопотреб РФ, знадобиться «перелопатити» 2 000 млн. тонн місячного ґрунту.

Фізично це відповідає ділянці на Місяці розмірами 20х20 км з глибиною кар'єру 3 м. Завдання щодо організації такого масштабного видобутку - досить складне, але цілком вирішуване, впевнені сучасні інженери. Зважаючи на все, складнішою і найдорожчою проблемою стане доставка десятків тонн палива для теромоядерних печей на Землю.

Чого не вистачає людству для гелієвої енергореволюції?

Для розвитку на Землі повноцінної термоядерної енергетики на базі гелію-3 людям належить вирішити три основні завдання.

1. Створення надійних та потужних засобів доставки вантажів за маршрутом Земля-Місяць і назад.
2. Зведення місячних баз та комплексів з видобутку гелію-3, яке пов'язане з безліччю технологічних проблем.
3. Будівництво власне термоядерних електростанцій Землі, навіщо також належить подолати певні технологічні бар'єри.

До вирішення першого завдання людство присунулося практично впритул. Усі чотири країни, які беруть участь у Місячній гонці-2 плюс Європейський Союз, вже розробили або розробляють ракети важкого класу, здатні закидати тонни вантажу на орбіту місяця. Наприклад, до 2027 р. у Росії заплановано реалізацію «в залізі» ракети-носія «Ангара-А5В», яка буде здатна доставити до Місяця не менше 10 тонн корисного вантажу. Зі зворотним транспортуванням буде простіше, оскільки сила тяжіння Місяця в 6 разів менша за земне, але тут проблемою буде паливо. Його доведеться або завозити із Землі, або виробляти на поверхні нашого супутника.

Набагато серйознішим є друге завдання, оскільки крім організації власне видобутку гелію-3 з реголіту інженерам доведеться створити надійні місячні бази із системами життєзабезпечення для шахтарів майбутнього. У цьому сильно допоможуть технології, напрацьовані завдяки багаторічній експлуатації орбітальних станцій, насамперед МКС та «Мир». Як в Росії, так і в інших країнах сьогодні активно проектуються місячні бази і, мабуть, наша країна має максимум технологій для реального втілення подібних проектів.

Щодо третьої проблеми, то роботи зі створення термоядерних реакторів тривають на Землі останні три десятиліття. Основною технологічною складністю тут є проблема утримання високотемпературної плазми (необхідної для «розпалювання» термоядерного синтезу) у т.зв. "магнітних пастках".

Це питання вже вирішено для реакторів, що працюють на принципі з'єднання дейтерію та тритію (D + T = 4 He + n + енергія). Для підтримки такої реакції достатньо температури 100 млн. градусів.

Проте подібні реактори ніколи не стануть масовими, оскільки вони є надзвичайно радіоактивними. Для запуску реакції за участю гелію-3 та дейтерію знадобляться температури у 300-700 млн. градусів. Поки що таку плазму не вдається тривало утримувати в магнітних пастках, але можливо до прориву в цій галузі призведе запуск Міжнародного експериментального термоядерного реактора (ITER), який зараз будується у Франції та буде введений в експлуатацію до 2025 року.

Таким чином, десятиліття між 2030-2040 pp. має всі шанси виявитися стартовим у справі розвитку енергетики на базі гелію-3, оскільки до цього часу, зважаючи на все, будуть подолані технологічні перешкоди, зазначені вище. Відповідно, залишиться знайти гроші на реалізацію енергопроекту, який здатний перевести людство в еру надзвичайно дешевої (майже дармової) енергії з усіма наслідками, як для економіки, так і якості життя кожної людини.

Кандидат фізико-математичних наук О. ПЕТРУКОВИЧ.

З легкої руки американського президента наприкінці 2003 року на порядок денний постало питання про нові цілі людства в космосі. Висловлене серед інших пропозицій завдання створення населеної станції на Місяці частково ґрунтується на привабливій ідеї використовувати унікальні місячні запаси гелію-3 для отримання енергії на Землі. Стане в нагоді місячний гелій чи ні, покаже майбутнє, але розповідь про нього досить цікава і дозволяє порівняти наші знання про будову атомного ядра та Сонячної системи з практичними аспектами енергетики та гірничої справи.

Наука та життя // Ілюстрації

НАВІЩО? АБО ЯДЕРНИЙ СИНТЕЗ - АЛХІМІЯ НАЯВУ

Перетворити свинець на золото було мрією середньовічних алхіміків. Як завжди, природа виявилася багатшою за людські фантазії. Реакції ядерного синтезу створили всю різноманітність хімічних елементів, заклавши матеріальні основи нашого світу. Однак синтез може дати і щось набагато цінніше, ніж золото, – енергію. Ядерні реакції в цьому сенсі подібні до хімічних (тобто реакцій перетворення молекул): кожна складова речовина, будь то молекула або атомне ядро, характеризується енергією зв'язку, який необхідно витратити, щоб зруйнувати з'єднання, і яка вивільняється при його утворенні. Коли енергія зв'язку продуктів реакції вища, ніж вихідних матеріалів, - реакція йде з виділенням енергії, і, якщо навчитися її забирати в тому чи іншому вигляді, вихідні речовини можна використовувати як паливо. З хімічних процесів найбільш ефективна в цьому сенсі, як відомо, реакція взаємодії з киснем - горіння, яка сьогодні служить основним і незамінним джерелом енергії на електростанціях, на транспорті та в побуті (ще більше енергії виділяється в ході реакції фтору, особливо молекулярного, з воднем) проте і сам фтор, і фтористий водень - речовини надзвичайно агресивні).

Енергія зв'язку протонів і нейтронів у ядрі значно більша, ніж та, що пов'язує атоми в молекули, і її можна в прямому розумінні зважити, користуючись великою формулою Ейнштейна E = mc 2: маса атомного ядра помітно менша за маси окремих протонів і нейтронів, його складових. Тому тонна ядерного палива замінює багато мільйонів тонн нафти. Однак синтез недаремно називається термоядерним: щоб подолати електростатичне відштовхування при зближенні двох позитивно заряджених атомних ядер, потрібно як слід розігнати їх, тобто нагріти ядерне паливо до сотень мільйонів градусів (згадаймо, що температура є мірою кінетичної енергії частинок). По суті, за таких температур ми маємо справу вже не з газами чи рідинами, а з четвертим станом речовини – плазмою, в якій немає нейтральних атомів, а є лише електрони та іони.

У природі подібні умови, придатні для синтезу, існують лише у надрах зірок. Сонце своєю енергією завдячує так званому гелієвому циклу реакцій: синтезу ядра гелію-4 із протонів. У зірках-гігантах і під час вибухів наднових народжуються й важчі елементи, формуючи, таким чином, все розмаїття елементів у Всесвіті. (Правда, вважається, що частина гелію могла утворитися і безпосередньо при народженні Всесвіту, під час Великого вибуху.) Сонце в цьому сенсі не найефективніший генератор, тому що воно горить довго і повільно: процес гальмує перша і найповільніша реакція синтезу дейтерію з двох протонів. Всі наступні реакції йдуть набагато швидше і негайно пожирають доступний дейтерій, кілька етапів переробляючи його в ядра гелію. В результаті, навіть якщо припустити, що в синтезі бере участь лише одна сота сонячної речовини, що знаходиться в його ядрі, енерговиділення становить лише 0,02 Вт на кілограм. Втім, саме цієї повільності, що пояснюється в першу чергу невеликою, за зоряними мірками, масою світила (Сонце відноситься до категорії субкарликів) і забезпечує постійність потоку сонячної енергії на багато мільярдів років, ми завдячуємо самим існуванням життя на Землі. У зірках-гігантах перетворення матерії в енергію йде значно швидше, але в результаті вони спалюють себе повністю за десятки мільйонів років, не встигнувши навіть до ладу обзавестися планетними системами.

Задумавши провести термоядерний синтез у лабораторії, людина збирається таким чином перехитрити природу, створивши ефективніший і компактніший генератор енергії, ніж Сонце. Однак ми можемо вибрати набагато більш здійсненну реакцію - синтез гелію з дейтерій-тритієвої суміші. Планується, що проектований міжнародний термоядерний реактор - токамак "ІТЕР" зможе досягти порогу запалювання, від чого, втім, ще дуже і дуже далеко до комерційного використання термоядерної енергії (див. "Наука і життя", 2001 р.). Основна проблема, як відомо, у тому, щоб утримати плазму, нагріту до потрібної температури. Так як ніяка стінка за такої температури не уникне руйнування, то утримувати плазмову хмару намагаються магнітним полем. У водневій бомбі завдання вирішується вибухом невеликого атомного заряду, що стискає та нагріває суміш до необхідної кондиції, але для мирного отримання енергії цей спосіб мало підходить. (Про перспективи так званої вибухової енергетики див. "Наука та життя" № 7, 2002 р.)

Головний недолік дейтерій-тритієвої реакції – висока радіоактивність тритію, період напіврозпаду якого становить лише 12,5 років. Це радіаційно-брудна з доступних реакцій, причому настільки, що в промисловому реакторі внутрішні стінки камери згоряння необхідно буде змінювати через кожні кілька років через радіаційне руйнування матеріалу. Щоправда, найбільш шкідливі радіоактивні відходи, які вимагають безстрокового поховання глибоко під землею через велику розпаду, при синтезі не утворюються зовсім. Інша проблема полягає в тому, що енергію, що виділяється, виносять в основному нейтрони. Ці частинки, що не мають електричного заряду, не помічають електромагнітного поля і взагалі погано взаємодіють з речовиною, так що відібрати у них енергію непросто.

Реакції синтезу без тритію, наприклад за участю дейтерію та гелію-3, практично радіаційно безпечні, тому що в них використовуються тільки стабільні ядра і не виробляються незручні нейтрони. Однак, щоб "запалити" таку реакцію, потрібно, компенсуючи нижчу швидкість синтезу, нагріти плазму вдесятеро сильніше - до мільярда градусів (одночасно вирішивши завдання її утримання)! Тому сьогодні такі варіанти розглядають як основу майбутніх термоядерних реакторів другого, наступного за дейтерій-тритієвим, покоління. Однак ідея цієї альтернативної термоядерної енергетики набула і несподіваних союзників. Прихильники колонізації космосу вважають гелій-3 однією з основних економічних цілей місячної експансії, яка має забезпечити потреби людства у чистій термоядерній енергії.

ДЕ? АБО СОНЯЧНИЙ ГІСТ

На перший погляд проблем з тим, де взяти гелій, не повинно бути: він другий за поширеністю у Всесвіті елемент, а відносний вміст у ньому легкого ізотопу становить трохи менше однієї тисячної частки. Однак для Землі гелій – екзотика. Це дуже леткий газ. Земля не може утримати його своїм тяжінням, і майже весь первинний гелій, що потрапив на неї з протопланетної хмари при утворенні Сонячної системи, повернувся з атмосфери назад у космос. Навіть виявлено гелій спочатку на Сонці, чому і отримав назву на честь давньогрецького бога Геліоса. Пізніше його знайшли в мінералах, що містять радіоактивні елементи, і нарешті виловили в атмосфері серед інших шляхетних газів. Земний гелій має переважно не космічне, а вторинне, радіаційне, походження: при розпаді радіоактивних хімічних елементів вилітають альфа-частинки - ядра гелію-4. Гелій-3 так не утворюється, і тому його кількість на Землі мізерна і обчислюється буквально кілограмами.

Запастись гелієм космічного походження (з відносно великим вмістом гелію-3) можна в атмосферах Урану чи Нептуна – планет досить великих, щоб утримати цей легкий газ, або Сонце. Виявилося, що до сонячного гелію підібратися простіше: весь міжпланетний простір заповнений сонячним вітром, у якому на 70 тисяч протонів припадає 3000 альфа-часток - ядер гелію-4 та одне ядро гелію-3. Вітер цей надзвичайно розріджений, за земними мірками він є справжнісіньким вакуумом, і "сачком" його зловити неможливо (див. Наука і життя" № 7, 2001 р.) Зате сонячна плазма осідає на поверхні небесних тіл, що не мають магнітосфери і атмосфери, наприклад на Місяці, і, отже, можна спустошити якусь природну пастку, яка справно поповнювалася останні чотири мільярди років.В результаті плазмового бомбардування на Місяць за цей час випало кілька сотень мільйонів тонн гелію-3. Якби весь сонячний вітер залишався на поверхні Місяця, то крім 5 грамів гелію-3 на кожному квадратному метрі поверхні виявилося б у середньому ще 100 кілограмів водню і 16 - гелію-4. океан рідкого газу двометрової глибини!

Однак нічого подібного на Місяці немає, і лише дуже мала частка іонів сонячного вітру назавжди залишається у верхньому шарі місячного ґрунту – реголіті. Дослідження місячного ґрунту, привезеного на Землю радянськими станціями "Місяць" та американськими "Аполлонами", показали, що гелію-3 у ньому приблизно 1/100-мільйонна частина, або 0,01 грама на 1 тонну. А всього на Місяці близько мільйона тонн цього ізотопу, за земними мірками, дуже багато. За сучасного рівня світового енергоспоживання місячного палива вистачило б на 10 тисяч років, що приблизно в десять разів більше, ніж енергетичний потенціал всього видобутого хімічного палива (газу, нафти, вугілля) на Землі.

ЯК? АБО "У ГРАМ ВИДОБУТУВАННЯ, У РІК ПРАЦІ"

На жаль, ніяких "озер" гелію на Місяці немає, він більш менш рівномірно розсіяний по всьому приповерхневому шару. Проте з технічного погляду процес видобутку досить простий і в деталях розроблений ентузіастами колонізації Місяця (див., наприклад, www.asi.org).

Щоб забезпечити сучасну річну потребу Землі в енергії, необхідно завезти з Місяця лише близько 100 тонн гелію-3. Саме ця кількість, що відповідає трьом-чотирьом рейсам космічних човників - шатлів, і заворожує своєю доступністю. Однак спочатку треба перекопати близько мільярда тонн місячного ґрунту - не така вже велика кількість за мірками гірничої промисловості: наприклад, вугілля за рік у світі видобувають два мільярди тонн (у Росії - близько 300 мільйонів тонн). Звичайно, вміст гелію-3 у породі не надто великий: наприклад, розробка родовищ вважається економічно ефективною, якщо золота в них міститься не менше кількох грамів, а алмазів – не менше двох каратів (0,4 г) на тонну. У цьому сенсі гелій-3 можна порівняти хіба що з радієм, якого з початку ХХ століття було отримано лише кілька кілограмів: після обробки тонни чистого урану виходить лише 0,4 грама радію, не кажучи вже про проблеми видобутку самого урану. На початку минулого століття, в період романтичного ставлення до радіоактивності, радій був досить популярний і відомий не тільки фізикам, а й лірикам: згадаємо фразу В. В. Маяковського: "Поезія - той самий видобуток радію. У грам видобуток, у рік праці" . Натомість гелій-3 дорожчий за будь-яку речовину, яка використовується людиною, - одна тонна коштувала б як мінімум мільярд доларів, якщо перерахувати енергетичний потенціал гелію в нафтовий еквівалент за незначною ціною 7 доларів за барель.

Газ легко виділяється з реголіту, нагрітого до кількох сотень градусів, скажімо за допомогою дзеркала-концентратора сонячних променів. Не забудемо, що ще треба відокремити гелій-3 від значно більшої кількості інших газів, переважно від гелію-4. Це роблять, охолоджуючи гази до рідкого стану і користуючись незначною різницею температур кипіння ізотопів (4,22 для гелію-4 або 3,19 для гелію-3). Інший витончений спосіб поділу заснований на використанні властивості надплинності рідкого гелію-4, який може самостійно перетекти через вертикальну стінку в сусідню ємність, залишивши після себе лише ненаплинний гелій-3 (див. "Наука і життя" № 2, 2004).

На жаль, займатися всім цим доведеться у безповітряному просторі, не "в тепличних" умовах Землі, а на Місяці. Доведеться переселити туди кілька шахтарських міст, що означає колонізацію Місяця. Зараз за безпекою кількох космонавтів на навколоземній орбіті стежать сотні фахівців і будь-якої миті екіпаж може повернутися на Землю. Якщо в космосі виявляться десятки тисяч людей, їм доведеться жити в умовах вакууму самостійно, без детального нагляду із Землі, та забезпечувати себе водою, повітрям, паливом, основними будівельними матеріалами. Втім, водню, кисню та металів на Місяці достатньо. Багато хто з них може бути отриманий як побічний продукт видобутку гелію. Тоді, мабуть, гелій-3 зможе стати вигідним товаром для торгівлі із Землею. Але оскільки люди, що перебувають у таких складних умовах, потребуватимуть набагато більшої кількості енергії, ніж земляни, місячні запаси гелію-3 можуть здатися нашим нащадкам не такими вже безмежними та привабливими.

До речі, на цей випадок є альтернативне рішення. Якщо вже інженери та фізики знайдуть спосіб впоратися з утриманням у десять разів гарячішою, ніж потрібно для сучасного токамака, гелієвої плазми (завдання, що здається зараз абсолютно фантастичною), то, збільшивши температуру ще всього вдвічі, ми "запалимо" і реакцію синтезу за участю протонів та бору. Тоді всі проблеми з паливом будуть вирішені, причому за набагато меншу ціну: бору в земній корі більше, ніж, наприклад, срібла чи золота, він широко використовується як добавка до металургії, електроніки, хімії. Різних боровмісних солей гірничозбагачувальні комбінати випускають сотні тисяч тонн на рік, а якщо нам не вистачить запасів на суші, то в кожній тонні морської води міститься кілька грамів бору. І той, у кого в домашній аптечці припасений пляшечку борної кислоти, може вважати, що у нього є власний енергетичний резерв на майбутнє.

Література

Бронштейн М. П. Сонячна речовина. – Терра-книжковий клуб, 2002.

Місячний ґрунт із моря достатку. - М: Наука, 1974.

Підписи до ілюстрацій

Ілл. 1. Гелієвий цикл реакцій ядерного синтезу починається зі злиття двох протонів у ядро дейтерію. На наступних етапах утворюються складніші ядра. Випишемо кілька перших найпростіших реакцій, які знадобляться нам надалі.
p + p → D + e - + n
D + D → T + p або
D + D → 3 He + n
D + T → 4 He + n
D + 3 He → 4 He +2p
p + 11 Be → 3 4 He
Швидкість реакції визначається ймовірністю подолання електростатичного бар'єру при зближенні двох позитивно заряджених іонів та ймовірністю власне злиття ядер (так званим перерізом взаємодії). Зокрема, що вища кінетична енергія ядра і що менше його електричний заряд, то більше вписувалося шансів пройти електростатичний бар'єр і тим вище швидкість реакції (див. графік). Ключовий параметр теорії термоядерної енергетики - критерій запалення реакції - визначає, при якій щільності та температурі плазмового палива енергія, що виділяється при синтезі (пропорційна швидкості реакції, помноженої на щільність плазми та час горіння), перевищить витрати на нагрівання плазми з урахуванням втрат та коефіцієнта . Найбільша швидкість реакції дейтерію і тритію, і, щоб досягти запалення, плазму з концентрацією близько 10 14 см -3 необхідно нагріти до півтори сотні мільйонів градусів і утримувати 1-2 секунди. Щоб досягти позитивного балансу енергії в реакціях на інших компонентах - гелії-3 або борі, меншу швидкість треба компенсувати, збільшуючи в десятки разів температуру і щільність плазми. Зате при успішному зіткненні двох ядер виділяється енергія, що в тисячу разів перевершує енергію, витрачену на їхнє нагрівання. Початкові реакції гелієвого циклу, що утворюють дейтерій та тритій у сонячному ядрі, йдуть настільки повільно, що відповідні криві у поле цього графіка не потрапили.

Ілл. 2. Сонячний вітер - це потік розрідженої плазми, що витікає з сонячної поверхні в міжпланетний простір. Вітер забирає лише близько 3х10 -14 сонячної маси на рік, але саме він виявляється основним компонентом міжпланетного середовища, що витісняє міжзоряну плазму з околиць Сонця. Так створюється геліосфера - своєрідна бульбашка радіусом приблизно сто астрономічних одиниць, що рухається разом із Сонцем через міжзоряний газ. До її кордону сьогодні, як сподіваються астрономи, підлітають американські супутники "Вояджер-1" і "Вояджер-2", які незабаром стануть першими космічними апаратами, що залишили межі Сонячної системи. Вперше сонячний вітер виявила радянська міжпланетна станція "Луна-2" у 1959 році, проте непрямі свідчення про наявність корпускулярного потоку від Сонця були відомі і раніше. Саме сонячному вітру жителі Землі завдячують магнітним бурям (див. "Наука і життя" № 7, 2001 р.). У орбіти Землі вітер містить у середньому лише шість іонів на один кубічний сантиметр, що рухаються з дивовижною швидкістю 450 км/с, що, втім, за масштабами Сонячної системи не так вже й швидко: на подорож до Землі йде три доби. Сонячний вітер на 96% складається з протонів та на 4% з ядер гелію. Домішка інших елементів незначна.

Ілл. 3. Місячний реголіт - це досить пухкий шар на поверхні Місяця завтовшки кілька метрів. В основному він складається з дрібних уламків із середнім розміром менше міліметра, що накопичилися протягом мільярдів років внаслідок руйнування місячних порід при перепадах температури та ударах метеоритів. Дослідження місячного ґрунту показали, що чим більше в реголіті оксидів титану, тим більше і атомів гелію.

Ілл. 4. Наявність титану в приповерхневому шарі досить легко виявляється при дистанційному спектроскопічному аналізі (червоний колір на правому зображенні малюнка, отриманому супутником "Клементину"), і, таким чином, виходить карта "родовищ" гелію, які загалом збігаються з розташуванням місячних морів.

Ілл. 5. Щоб видобути одну тонну гелію-3, потрібно переробити поверхневий шар реголіту на площі щонайменше 100 квадратних кілометрів. Принагідно вдасться отримати і значну кількість інших газів, які стануть у пригоді для облаштування життя на Місяці. Малюнки взяті із сайту