Гелий-3 – все о космосе

Гелий-3: лунный источник энергии

В последнее время, особенно после того, как США усилили темпы работ по своей лунной программе, все сильнее стала муссироваться тема о гелии-3, как основе ядерной энергетики будущего. О данном элементе даже снимают фантастические фильмы. Что же такое гелий-3, где его добыть и какие выгоды он сулит человечеству!

РЕАКТОР БЕЗ РАДИАЦИИ

Гелий-3 (³He) является одним из изотопов гелия, в ядре которого находится один нейтрон, а не два. На Земле запасы гелия-3 составляют 0,000137% от общего количества элементов и оцениваются в 35 тысяч тонн. Практически весь имеющийся в наличии гелий-3 сохранился с момента образования нашей планеты.

Интерес к этому изотопу гелия усилился после того, как стало ясно, что человечество вплотную приблизилось к серьезному энергетическому кризису. Запасы углеводородов подходят к концу, и уже через несколько десятилетий мы их полностью исчерпаем.

Альтернативные источники энергии, такие как ветер, Солнце, приливы и отливы, геотермальная активность, не могут покрыть всех потребностей человечества. Остаются еще запасы каменного угля, которых хватит примерно на 200—300 лет.

Однако по мере того, как доля угля в современной энергетике будет возрастать, этот срок может существенно сократиться. Кроме того, процессы сжигания и добычи угля серьезно ударяют по экосистеме планеты.

Таким образом, единственным источником энергии, которого хватит надолго, — это энергия, основанная на делении ядер урана. Уже сегодня атомная энергетика занимает почти 7% в мировом энергетическом балансе. И с каждым годом доля ее участия возрастает.

Но вместе с этим все серьезнее встает вопрос о главной проблеме всех АЭС — утилизации и хранении радиоактивных отходов, которых с каждым годом становится все больше.

И тут идеальным выходом было бы использование топлива, основанного на реакциях термоядерного синтеза с гелием-3.

Дело в этом, что ядерные реакции, протекающие с участием гелия-3, в отличие от других ядерных реакций, идут с выделением не нейтронов, а протонов.

Нейтроны — крайне активные частицы, они способны глубоко проникнуть в конструкционные материалы ядерного реактора, разрушая их структуру и делая радиоактивными.

Это приводит к тому, что отдельные детали и узлы каждые несколько лет приходится менять, чтобы реактор мог работать в штатном режиме. Кроме того, возникает проблема утилизации и захоронения ядерных отходов.

Протоны же, в отличие от нейтронов, не наводят радиоактивности и не способны проникать внутрь конструкций. Поток протонов — это, по сути, поток водорода. И материалы, из которых созданы узлы реактора, работающего на гелии-3, могут служить десятилетиями. В целом реакция с участием ³He в 50 раз менее радиоактивна, чем обычная реакция взаимодействия дейтерия с тритием (D + T).

Таким образом, главное достоинство гелия-3 не столько в его энергетической ценности, сколько в его практически полной экологической безопасности.

ЛУННЫЕ ЗАЛЕЖИ

Где же можно добывать гелий-3 в необходимых масштабах? На Земле этот изотоп содержится в таких ничтожно малых количествах, что о его промышленной добыче и речи быть не может. Ответ на этот вопрос известен давно — на Луне.

То, что Луна обладает огромными запасами гелия-3, стало известно, когда первые образцы лунного грунта были доставлены на Землю советскими автоматическими аппаратами «Луна» и американскими астронавтами во время выполнения программы «Аполлон».

Относительная концентрация изотопа в лунном грунте оказалась в 1000 раз выше, чем в земных недрах. Причина этого явления кроется в регулярном облучении поверхности Луны корпускулярным излучением Солнца.

Дело в том, что, не имея защиты в виде сильного магнитного поля, поверхностный пылевидный слой (реголит) Луны регулярно получает огромную дозу облучения.

Во время этого процесса в него внедряется большое количество элементов, в первую очередь изотопы водорода и гелия.

По предварительным оценкам, общие запасы гелия-3 на Луне составляют около миллиона тонн. Такого количества изотопа человечеству хватило бы на тысячу лет.

Энергетическая эффектность его такова, что 1 тонна гелия-3 может заменить 20 млн тонн нефти, что позволит в течение года обеспечивать выходную мощность АЭС в 10 ГВт. В одной тонне лунного грунта содержится 10 мг гелия-3, что соответствует энерговыделению 1 м³ нефти.

Можно сказать, что поверхность Луны представляет собой сплошной океан нефти. Человечеству нужно 200 тонн ³He ежегодно, потребность российской энергетики оценивается в 20—30 тонн гелия-3 в год.

Однако как бы ни были велики общие запасы ³He, содержание изотопа в лунной почве все равно очень невелико (примерно 10 мг на тонну породы). Таким образом, чтобы обеспечить потребности человечества, нужно вскрывать 20 млрд тонн реголита в год. Учитывая среднюю толщину слоя реголита в 3 м, общая площадь добычи будет составлять 30 на 100 км.

Сегодня, когда доставка даже нескольких сот килограммов груза на Луну считается большим достижением, переработка миллиардов тонн лунного грунта воспринимается как совершенно фантастический проект.

Поэтому правильным решением было бы не транспортировка лунного грунта на Землю, а организация на самой Луне полного цикла получения готового изотопа гелия-3 — начиная от добычи породы и заканчивая ее обогащением.

ТРУДНОСТИ ДОБЫЧИ

Впрочем, 20 млрд тонн вскрышных работ лунного грунта только кажутся фантастическим мероприятием. На Земле сейчас добывают порядка 5 млрд тонн угля в год. Объем вскрышных работ земного грунта составляет порядка 50 млрд тонн. То есть нынешние темпы разработки земных недр вполне сопоставимы по масштабам с тем, что нас может ожидать на Луне.

Б то же время на Луне не будет стоять проблем, связанных с экологическими последствиями проведения вскрышных работ, поэтому общая эффективность разработки лунного грунта может быть в несколько раз выше, чем на Земле. Не стоит забывать и о том, что сила тяжести на Луне в шесть раз меньше, чем на Земле.

Это, в свою очередь, позволит серьезно увеличить скорость выработки грунта.

Что же касается технической стороны вопроса, то земная наука и техника достаточно развиты для того, чтобы начать организацию процесса переноса части горно-обогатительной и добывающей промышленности на Луну. Конечно, этот процесс займет не один десяток лет, поэтому чем раньше мы его начнем, тем быстрее получим необходимый результат.

Уже сейчас надо начинать подготовительный этап, содержащий в себе геологоразведочные и испытательные работы, которые должны проводиться в рамках общих исследовательских работ на Луне.

Одними из первых должны быть работы по изучению внутреннего строения Луны, запланированные в программе «Луна-Глоб».

В ходе выполнения этой программы планируется с помощью химико-минералогической интерпретации сейсмических данных получить данные о химическом строении нижней мантии Луны, а также определить размеры лунного ядра.

Следующим этапом работ будет доставка фунта с Луны на Землю. Основной упор здесь нужно сделать на беспилотные аппараты, которые будут собирать образцы лунного грунта и доставлять их к посадочным модулям.

Кроме того, луноходам можно поручить задачу создания долговременной сети сейсмических датчиков, импульсы которых позволят получить исчерпывающее представление о том, что происходит в недрах Луны.

Одновременно с этим необходимо будет проводить картирование лунной поверхности на предмет содержания гелия-3.

РЕАКТОР НА ГЕЛИИ-3

И наконец, остается последний вопрос — создание термоядерного реактора, в работе которого используется топливо на основе гелия-3. Сегодня такой реактор существует только в теории. Хотя работы над управляемым термоядерным синтезом уже переходят в практическую плоскость.

Во Франции полным ходом идет строительство экспериментального термоядерного реактора ИТЭР, который будет использовать в своей работе реакцию синтеза дейтерия с тритием. Стоимость стройки изначально оценивалась в 5 млрд евро, а первую очередь реактора планировалось пустить к 2016 году.

Однако позже расходы возросли вдвое, а срок начала эксплуатации сдвинулся на 2020 год. ИТЭР будет представлять собой сооружение высотой 60 метров и массой около 23 тысяч тонн. Особое внимание при его создании было уделено проблеме радиационной безопасности. Однако для работы с гелием-3 реактор типа ИТЭР не годится.

Дело в том, что для такой реакции необходимо будет создать температуру, которая в три раза выше, чем температура в активной зоне ИТЭР.

Учитывая, что с момента открытия ядерных реакций и до создания термоядерного реактора типа ИТЭР человечество шло долгих 50 лет, можно предположить, что создание реактора на гелии-3 займет примерно 20—30 лет.

Источник: http://mir-znaniy.com/geliy-3-lunnyiy-istochnik-energii/

Гелий-3 на Луне – будущее земной энергетики?

ЭНЕРГЕТИКА

В течение 2017 года все четыре ведущие космические державы мира (Россия, США, Китай и Индия) заявили о намерениях наладить добычу изотопа гелий-3 на Луне. Как известно, это – наиболее перспективный материал для получения энергии в термоядерных реакторах, массовое внедрение которых может произойти уже в 2040-х годах.

Не исключено, что в ближайшие годы мы станем свидетелями Лунной гонки-2, победитель (или победители) которой получит в свои руки практически неисчерпаемый источник энергии. Это в свою очередь, позволит человечеству выйти на качественно новый технологический уклад, о параметрах которого мы можем только догадываться.

Возможно, примерно так будет выглядеть рабочий поселок шахтеров-добытчиков гелия-3 на Луне

Что такое гелий-3?

Из школьного курса физики мы помним, что атомная масса гелия равняется четырем и этот элемент является инертным газом. Его проблематично использовать в каких-либо химических реакциях, тем более с выделением энергии. Совсем другое дело – изотоп гелия с атомной массой 3.

Он способен входить в термоядерную реакцию с дейтерием (изотопом водорода с атомной массой 2) в результате чего образуется гигантская энергия за счет синтеза обычного гелия-4 с выделением протона (3Не + D → 4Не + p + энергия).

Подобным образом из всего одного грамма гелия-3 можно получить такую же энергию, как при сжигании 15-ти тонн нефти.

Так происходит термоядерная реакция с участием гелия-3 и дейтерия

Тонны гелия-3 хватит для энерговыделения на уровне 10 ГВт в течение года. Таким образом, чтобы закрыть все сегодняшние энергопотребности России, ежегодно понадобится 20 тонн гелия-3, а для всего человечества потребуется примерно 200 тонн данного изотопа в год.

Читайте также:  Конденсат бозе — эйнштейна - все о космосе

При этом отпадет необходимость жечь нефть и газ, запасы которых не безграничны, по последним оценкам разведанных запасов углеводородов – человечеству хватит всего на полвека.

Не нужно будет эксплуатировать и достаточно опасные АЭС, что после Чернобыля и Фукусимы приобрело особую актуальность.

Несмотря на вновь открываемые месторождения углеводородов, большинству стран их хватит всего лишь на полвека

Где взять гелий-3?

При современном развитии технологий единственным реально доступным источником этого элемента является поверхность Луны.

Сам по себе гелий-3 образуется в недрах звезд (например, нашего Солнца) в результате соединения двух атомов водорода.

При этом основным продуктом данной реакции является обычный гелий-4, а изотоп-3 образуется в малых количествах. Часть его выносится солнечным ветром и равномерно распределяется по планетной системе.

Зато на планетах, у которых такое поле отсутствует, элемент осаждается в верхних слоях грунта и постепенно накапливается. Ближайшим к Земле небесным телом, у которого отсутствует магнитное поле, является Луна, поэтому именно здесь сосредоточены доступные человечеству запасы этого ценного энергоносителя.

Еще в 1994 г. учеными была составлена карта прогнозных запасов гелия-3 в лунном реголите, созданная на основе исследований, проведенных космическим аппаратом «Клементина»

Подтверждением тому служат не только теоретические выкладки, но и результаты эмпирических исследований. Во всех пробах лунного грунта, доставленных на Землю, был обнаружен гелий-3 в относительно высоких концентрациях. В среднем – на 100 тонн реголита приходится 1 гр. данного энергоизотопа.

Физически это соответствует участку на Луне размерами 20х20 км с глубиной карьера 3 м. Задача по организации столь масштабной добычи – достаточно сложная, но вполне решаемая, уверены современные инженеры. Судя по всему, более трудной и дорогостоящей проблемой станет доставка десятков тонн топлива для теромоядерных печей на Землю.

Для добычи гелия-3 понадобится не только его получить, но и доставить на Землю

Чего не хватает человечеству для гелиевой энергореволюции?

Для развития на Земле полноценной термоядерной энергетики на базе гелия-3 людям предстоит решить три основных задачи.

К решению первой задачи человечество придвинулось практически вплотную. Все четыре страны, участвующие в Лунной гонке-2 плюс Европейский Союз, уже разработали или разрабатывают ракеты тяжелого класса, способны забрасывать тонны груза на лунную орбиту. Например, к 2027 г.

в России запланирована реализация «в железе» ракеты-носителя «Ангара-А5В», которая будет способна доставить к Луне не менее 10 тонн полезного груза. С обратной транспортировкой будет попроще, поскольку сила притяжения Луны в 6 раз меньше земной, но здесь проблемой будет топливо.

Его придется либо завозить с Земли, либо вырабатывать на поверхности нашего спутника.

Наиболее перспективной «лунной» ракетой России является «Ангара» в модификации А5В, а у американцев – «Falcon Heavy», которая, правда еще  только разрабатывается

Гораздо более серьезной является вторая задача, поскольку помимо организации собственно добычи гелия-3 из реголита инженерам придется создать надежные лунные базы с системами жизнеобеспечения для шахтеров будущего.

В этом сильно помогут технологии, наработанные благодаря многолетней эксплуатации орбитальных станций, прежде всего МКС и «Мир».

Как в России, так и в других странах сегодня активно проектируются лунные базы и, пожалуй, наша страна на сегодня имеет максимум технологий для реального воплощения подобных проектов.

В Америке уже разработан эскизный проект передвижной установки по добыче гелия-3

Что касается третьей проблемы, то работы по созданию термоядерных реакторов идут на Земле последние три десятилетия. Основной технологической трудностью здесь является проблема удержания высокотемпературной плазмы (необходимой для «розжига» термоядерного синтеза) в т.н. «магнитных ловушках».

Однако подобные реакторы никогда не станут массовыми, поскольку они чрезвычайно радиоактивны. Для запуска реакции с участием гелия-3 и дейтерия понадобятся температуры в 300-700 млн. градусов.

Пока такую плазму не удается длительно удерживать в магнитных ловушках, но возможно к прорыву в этой области приведет запуск Международного экспериментального термоядерного реактора (ITER), который сейчас строится во Франции и будет введен в эксплуатацию к 2025 г.

Плазма в международном реакторе ΙΤΕR будет разогреваться до 150 млн. градусов, чего достаточно для соединения дейтерия с тритием, для работы с гелием-3 понадобятся, как минимум, в 2 раза большие показатели

Таким образом, десятилетие между 2030-2040 гг. имеет все шансы оказаться стартовым в деле развития энергетики на базе гелия-3, поскольку к этому времени, судя по всему, будут преодолены технологические препятствия, указанные выше.

Соответственно, останется найти деньги на реализацию энергопроекта, который способен перевести человечество в эру чрезвычайно дешевой (почти дармовой) энергии со всеми вытекающими последствиями, как для экономики, так и качества жизни каждого человека.

Источник: http://glavmedia.net/energetika/315-gelij-3-na-lune-budushchee-zemnoj-energetiki

Гелий-3: как он используется… в медицине

Но, увы, такая замечательная методика, как МРТ, совершенно не приспособлена для изучения заполненных воздухом легких (даже если наполнить их водородом, сигнал от газообразной среды с низкой плотностью будет слишком слаб на фоне шумов). Да и мягкие ткани легких не слишком хорошо видны с помощью МРТ, поскольку они «пористые» и содержат мало водорода.

Можно ли обойти это ограничение? Можно, если использовать «намагниченный» газ — в этом случае средняя поляризация будет определяться не внешним полем, потому что все (или почти все) магнитные моменты будут ориентированы в одном направлении.

И это вовсе не фантастика: в 1966 году французский физик Альфред Кастлер получил Нобелевскую премию с формулировкой «За открытие и разработку оптических методов исследования резонансов Герца в атомах».

Он занимался вопросами оптической поляризации спиновых систем — то есть как раз «намагничиванием» газов (в частности, гелия-3) с помощью оптической накачки при резонансном поглощении фотонов с круговой поляризацией.

Ядерный магнитный резонанс использует магнитные свойства ядер водорода — протонов. Без внешнего магнитного поля магнитные моменты протонов ориентированы произвольно (как на первом изображении). При наложении мощного магнитного поля магнитные моменты протонов ориентируются параллельно полю — либо «вдоль», либо «навстречу». Два этих положения имеют разную энергию (2).

Радиочастотный импульс с резонансной частотой, соответствующей разнице энергий, «переворачивает» магнитные моменты протонов «навстречу» полю (3). После окончания радиочастотного импульса происходит обратный «переворот», и протоны излучают на резонансной частоте.

Этот сигнал принимается радиочастотной системой томографа и используются компьютером для построения изображения (4).

Дышите глубже

Пионерами использования поляризованных газов в медицине стала группа исследователей из Принстона и Нью-йоркского университета в Стони-Брук. В 1994 году ученые опубликовали в журнале Nature статью, в которой впервые было продемонстрировано изображение легких мыши, полученное с помощью МРТ.

Правда, МРТ не совсем стандартной — методика была основана на отклике не ядер водорода (протонов), а ядер ксенона-129. К тому же газ был не совсем обычным, а гиперполяризованным, то есть заранее «намагниченным». Так родился новый метод диагностики, который вскоре начали применять и в человеческой медицине.

Гиперполяризованный газ (обычно в смеси с кислородом) попадает в самые дальние закоулки легких, что дает возможность получить МРТ-снимок с разрешением на порядок выше лучших рентгеновских снимков.

Можно даже построить детальную карту парциального давления кислорода в каждом участке легких и потом сделать заключение о качестве кровяного потока и диффузии кислорода в капиллярах.

Эта методика позволяет изучить характер вентиляции легких у астматиков и контролировать процесс дыхания критических пациентов на уровне альвеол.

Как работает МРТ. МР-томограф обнаруживает скопления протонов — ядер атомов водорода. Поэтому МР-томография показывает различия в содержании водорода (в основном воды) в различных тканях. Существуют и другие способы отличать одну ткань от другой (скажем, различия в магнитных свойствах), которые применяются в специализированных исследованиях.

Достоинства МРТ с использованием гиперполяризованных газов этим не ограничиваются. Поскольку газ гиперполяризован, уровень полезного сигнала оказывается значительно выше (примерно в 10000 раз).

Это означает, что отпадает необходимость в сверхсильных магнитных полях, и приводит к конструкции так называемых слабопольных МР-томографов — они дешевле, мобильнее и гораздо просторнее.

В таких установках используются электромагниты, создающие поле порядка 0,005 Тл, что в сотни раз слабее стандартных МР-томографов.

Маленькое препятствие

Хотя первые эксперименты в этой области проводились с гиперполяризованным ксеноном-129, вскоре его заменил гелий-3.

Он безвреден, позволяет получать более четкие изображения, чем ксенон-129, имеет в три раза больший магнитный момент, что обусловливает более сильный сигнал в ЯМР.

Кроме того, обогащение ксенона-129 из-за близости массы с другими изотопами ксенона — дорогой процесс, да и достижимая поляризация газа существенно ниже, чем у гелия-3. К тому же ксенон-129 обладает седативным эффектом.

Но если слабопольные томографы просты и дешевы, почему же метод МРТ с гиперполяризованным гелием не используется сейчас в каждой поликлинике? Есть одно препятствие. Но зато какое!

Источник: https://www.PopMech.ru/science/12447-dobryy-doktor-geliy-3/

Что такое гелий-3?

Краткое содержание статьи:

Пройдет совсем немного времени, по меркам жизни человеческой цивилизации, как ископаемые природные богатства будут исчерпаны.

Среди возможных кандидатур на замену нефти и газа называют то энергию солнца, то силу ветра, то водород. В последние годы все чаще можно услышать о новом спасении для планеты под названием гелий-3.

Что это вещество можно использовать в качестве сырья для электростанций, додумались относительно недавно.

Общие данные о веществе: свойства

В 1934 оду австралийский физик Марк Олифант, во время работы в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета в Англии пришел к замечательному открытию. В ходе первой демонстрации ядерного синтеза при бомбардировке дейтронной мишени, он выдвинул гипотезу о существовании нового изотопа химического элемента под номером 2. Сегодня он же известен как гелий-3.

Он обладает следующими свойствами:

  • Содержит два протона, один нейтрон и два электрона;
  • Среди всех известных элементов он является единственным стабильным изотопом, который имеет больше протонов, чем нейтронов;
  • Кипит при 3,19 по Кельвину (-269,96 градусов Цельсия). Во время кипения вещество теряет половину своей плотности;
  • Момент импульса равен ½, что делает его фермионом;
  • Скрытая теплота парообразования составляет 0,026 КДж/Моль;

Спустя пять лет после открытия Марка Олифанта его теоретические построения получили экспериментальное подтверждение. А еще спустя 9 лет ученым удалось получить соединение в жидком виде. Как оказалось, в таком агрегатном состоянии гелий-3 обладает сверхтекучими свойствами.

Другими словами, при температурах, близких к абсолютному нулю, он способен проникать сквозь капилляры и узкие щели, практически не испытывая противодействия силы трения.

Добыча гелия-3 на Луне

Солнечный ветер на протяжении миллиардов лет нанес в поверхностный слой реголита гигантское количество гелия-3. Согласно оценкам, его количество на земном спутнике может достигать 10 миллионов тонн.

Читайте также:  Эксцентриситет орбиты - все о космосе

Многие космические державы имеют программу добычи этого вещества для целей последующего термоядерного синтеза:

  • В январе 2006 года российская компания «Энергия» заявила о планах начать геологические работы на Луне к 2020 году. Сегодня будущее проекта находится в подвешенном состоянии, из-за тяжелого экономического положения страны;
  • В 2008 году Индийская организация космических исследований отправила к поверхности земного спутника зонд, одной из целей которого было заявлено изучение гелий-содержащих минералов;
  • Собственные виды на залежи драгоценного сырья имеет и Китай. Согласно планам, предполагается отправлять к спутнику ежегодно три челнока. Энергия, произведенная из этого топлива, с лихвой покроет потребности всего человечества.

Покорение лунных глубин пока остается мечтой, которую можно увидеть разве что в научно-фантастических лентах. Среди них – «Луна» (2009) и «Железное небо» (2012).

В данном видео физик Борис Романов расскажет, в каком виде находится вещество гелий-3 на Луне, возможно ли его оттуда импортировать:

Геохимические данные

Изотоп также присутствует на планете Земля, хотя и в меньших количествах:

  • Это главная составляющая земной мантии, которая была синтезирована еще во время планетообразования. Совокупная ее масса в этой части планеты составляет, по различным оценкам, от 0,1 до 1 миллиона тонн;
  • На поверхность он выходит в результате деятельности вулканов. Так, сопки Гавайских островов выделяют около 300 граммов этого вещества в год. Срединно-океанические хребты – около 3 килограммов;
  • В местах наезда одной литосферной плиты на другую могут находиться сотни тысяч тонн гелиевого изотопа. Извлечь это богатство промышленным способом на современном этапе технологического развития не представляется возможным;
  • Природа продолжает производство данного соединения до сих пор, в результате распада радиоактивных элементов в коре и мантии;
  • В довольно небольших количествах (до 0,5%) его можно найти в некоторых источниках природного газа. Как отмечают эксперты, ежегодно в процессе транспортировки природного газа происходит отделение 26 м3 гелия-3;
  • Также он присутствует в земной атмосфере. Удельная доля его составляет приблизительно 7,2 частей на триллион атомов прочих газов атмосферы. Согласно последним подсчетам, общая масса атмосферного 32he достигает минимум 37 тысяч тонн.

Современное использование вещества

Практически весь используемый в народном хозяйстве изотоп получают путем радиоактивного распада трития, который бомбардируют нейтронами лития-6 в ядерном реакторе.

На протяжении десятков лет гелий-3 был всего-навсего побочным продуктом при изготовлении боеголовок атомного оружия. Однако после подписания договора СНВ-1 в 1991 году сверхдержавы снизили объемы изготовления ракет, из-за чего продукты производства также пошли на убыль.

Сегодня масштабы производства изотопа находятся на подъеме, поскольку ему нашли новое применение:

  1. Благодаря относительно высокому гиромагнитному соотношению, частицы этого вещества применяются при медицинской томографии легких. Пациент вдыхает газовую смесь, содержащую гиперполяризованные атомы гелия-3. Затем под воздействием лазерного излучения инфракрасного диапазона компьютер рисует анатомические и функциональные изображения органов;
  2. В научных лабораториях данное соединение используется в криогенных целях. Путем его испарения с поверхности холодильника удается достичь значений, близких к 0,2 кельвина;
  3. В последние годы набирает популярность идея использования вещества в качестве сырья для электростанций. Первая подобная установка была построена в 2010 году в долине Теннеси (США).

Гелий-3 как топливо

Второй, пересмотренный подход к использованию контролируемой термоядерной энергии предполагает использование в качестве сырья 32he и дейтерия. Результатом такой реакции будет ион гелия-4 и высокоэнергетические протоны.

Теоретически данная технология обладает такими преимуществами:

  1. Высокий КПД, поскольку для контроля за слиянием ионов используется электростатическое поле. Кинетическая энергия протонов напрямую преобразуется в электричество за счет твердотельного преобразования. Нет необходимости строить турбины, которые используются в АЭС для превращения энергии протонов в тепло;
  2. Более низкие, в сравнении с прочими типами электростанций, капитальные и эксплуатационные затраты;
  3. Ни воздух, ни вода не загрязняются;
  4. Относительно малые габариты благодаря использованию современных компактных установок;
  5. Отсутствует радиоактивное топливо.

Однако критики отмечают значительную «сырость» такого решения. В самом лучшем случае коммерческое использование термоядерного синтеза начнется не ранее 2050 года.

Среди всех изотопов химического элемента с порядковым номером 2 особняком стоит гелий-3. Что это, вкратце можно описать следующими свойствами: он стабилен (то есть не испытывает превращений в результате излучения), обладает сверхтекучими свойствами в жидком виде, имеет относительно малую массу.

Видео про образование гелия-3 во Вселенной

В данном ролике физик Даниил Потапов расскажет, как во Вселенной образовался гелий-3, какую роль в формировании вселенной он играл:

Источник: https://znay.co/117-gelij-3-chto-ehto.html

Лунный Гелий-3 эффективное термоядерное горючее будущего

В конце 80-х — начале 90-х гг. появились публикации о возможном использовании Луны в качестве источника энергии для Земли.

Предлагались, например, проекты передачи на Землю собранной на поверхности Луны солнечной энергии в форме сфокусированного высокочастотного луча. Высказывалась и идея добычи и доставки лунного гелия-3.

Энтузиастом этой идеи, в частности, был побывавший на Луне американский астронавт Гарольд Шмидт. Он написал серьезную книгу о возможности использования гелия-3.

Призывая вернуться к исследованиям Луны, я помимо конкретной и актуальной задачи исследования внутреннего строения Луны, постоянно упоминал в качестве задачи, которую нужно иметь в виду в качестве отдаленной перспективы, освоение ресурсов лунного гелия-3.

Я думаю, что сегодня мы не предвидим в полной мере того, что даст нам освоение Луны, и потому приступаем к этому неуверенно, робко и с задержкой. Мне не раз приходилось писать о том, что исследование Луны имеет большое значение для фундаментальной геологии.

Реконструкция ранней истории Земли, возникновения на ней атмосферы, океанов и жизни, невозможна без изучения Луны. Хотя бы просто потому, что следы первых 500-600 млн. лет истории Земли полностью стерты в ее геологической летописи, а на Луне они сохранились.

И потому что Луна и Земля представляют генетически единую систему.

Но Луна может иметь огромное практическое значение. Прямолинейное воображение ищет расширения привычных возможностей. Но будущее, возможно, совсем не там, где мы его ждём. Использование лунного гелия-3 является новой уникальной перспективой, гигантской по своим масштабам и возможному влиянию на судьбы человечества, которая открылась взору с освоением космоса.

Когда мы говорим об освоении Луны и её ресурсов, надо понимать, что нет ни одного полезного ископаемого, вообще ни одного вещества, которое было бы экономически выгодно привозить с Луны на Землю, за одним исключением. Это исключение — гелий-3.

Реакция с гелием-3 имеет одно уникальное свойство: в отличие от большинства ядерных реакций, и в частности от реакции D + Т, она идет с выделением протонов (р), а не нейтронов (п). Нейтроны глубоко проникают в окружающие конструкционные материалы, делают их радиоактивными и разрушают их.

Поэтому каждые несколько лет приходится заменять конструкции и захоранивать радиоактивные отходы. Протоны не проникают глубоко вглубь и не наводят радиоактивность. Практически — это поток водорода. Поэтому материалы могут служить десятилетиями. Не возникает проблема захоронения радиоактивных отходов.

Удивительно, что ядерная реакция может быть практически «нерадиоактивной». Небольшая радиоактивность связана с побочной реакцией D + D. Но в целом реакция с гелием-3 в 50 раз менее радиоактивна, чем реакция дейтерия с тритием.

Главное преимущество гелия-3 состоит даже не в его энергетической ценности, а в уникальной экологической безопасности основанной на нём энергетики.

В последние десятилетия стало ясно, что мы находимся на пороге серьёзного энергетического кризиса. Запасы углеводородного сырья приближаются к концу и, очевидно, будут исчерпаны за несколько следующих десятилетий. Так называемые альтернативные источники — энергия ветра, фотоэлектрические батареи и т. п. — могут дать лишь частные решения.

Расчёты показывают, что они не смогут заменить углеводородное сырье в энергетическом балансе Земли. Есть ещё уголь. Считается, что его хватит лет на 200-300 при современных объёмах добычи. Доля угля в современном энергетическом балансе около 20 %. Если она возрастет до 70 % при попытке заменить им углеводородное сырье, то ресурс угля также окажется не таким долговременным.

К тому же это крайне экологически неблагоприятный источник энергии. Остается атомная энергетика, основанная на делении урана. Но опыт показал, что её страшный бич — радиоактивные отходы.

Сегодня атомная энергетика занимает 7 % в энергетическом балансе, но если переложить на ее плечи обеспечение всей потребности в энергии, тем более постоянно возрастающей потребности, человечество погрязнет в радиоактивных отходах.

Идеальным решением было бы освоение экологически чистого и эффективного во многих других отношениях термоядерного синтеза, основанного на реакции с 3Не. Но сырьё для этого есть только на Луне.

Но содержание 3Не в лунной почве (реголита) очень мало, всего около 10 мг на тонну. Это означает, что ежегодно придётся вскрывать порядка 20 млрд. т реголита, что эквивалентно площади 30 х 100 км при мощности реголита 3 м.

Конечно, переработка миллиардов тонн грунта на Луне кажется фантастичным предприятием. Сегодня мы рассматриваем как большое достижение доставку нескольких сот килограмм на лунную орбиту и лунную поверхность.

Речь же идёт о том, что на Луну, практически в полном объёме, должна быть переведена горнодобывающая индустрия Земли — её топливно-энергетический сырьевой комплекс. Процесс этот займет несколько десятков лет, но начинать нужно сегодня.

Наличие гелия-3 на Луне — это подарок природы. Приведу такое, как мне кажется, наглядное сравнение. Я отмечал, что одна тонна гелия-3 обеспечивает энерговыделение, эквивалентное 20 миллионам тонн нефти.

Можно сказать и по другому: 10 мг гелия-3, содержащиеся в одной тонне лунного реголита, соответствуют приблизительно энерговыделению одной тонны нефти. Иначе говоря, энерговыделение, связанное с 1 м3 реголита, соответствует энерговыделению 1 м3 нефти.

Это значит, что покрытая реголитом поверхность Луны представляет как бы сплошной океан нефти. Но использовать эту нефть было бы практически невозможно. Мы не можем перевозить с Луны сотни миллионов тонн груза. Однако представим на минуту, что приходит гениальный инженер и говорит: я знаю, как превратить 20 млн.

т нефти в 1 т вещества, перевести его с Луны, что не составляет труда, а затем на Земле получить из этой 1 т вещества энергию, эквивалентную 20 млн. т нефти. Думаю, что, если бы такая возможность представилась, уже сегодня развернулась бы работа по реализации этого проекта. Но это ведь и есть гелий-3.

Это ведь и есть концепция его добычи из миллиардов тонн реголита, доставка немногих тонн гелия-3 на Землю и получение энергии, эквивалентной современным ресурсам углеводородного сырья на Земле.

Читайте также:  Специальная теория относительности - все о космосе

Можно спросить, а готова ли инфраструктура термоядерной энергетики к потреблению и использованию 3Не? Нет, сегодня она отсутствует.

Хотя управляемый термоядерный синтез в промышленных масштабах ещё не осуществлён, работы в этом направлении уже выходят в практическую плоскость.

Во Франции начинается строительство Международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР, который сможет поставлять энергию термоядерного синтеза. Используется реакция дейтерия с тритием: D + Т = п + 4Не (+17,59 МэВ).

Реакция дейтерия с гелием-3: D + 3He = p + 4He (+18,35 МэВ) требует для зажигания плазмы в три раза более высоких температур, чем реакция дейтерия с тритием.

Реализация контролируемого ядерного синтеза в самом простом варианте D + Т заняла более 50 лет. Для реакции D + 3Не требуются более жесткие условия. Однако нельзя забывать, что за эти пятьдесят лет человечество научилось контролировать температуру от нескольких тысяч градусов, в середине прошлого века, до сотни миллионов градусов сегодня.

Предстоит сделать ещё один гораздо более короткий шаг — увеличить контролируемую температуру ещё в три раза. При этом современная инженерная технология не идёт в сравнение с технологиями пятидесятилетней давности. Накоплен огромный опыт работы с высокотемпературной плазмой.

Можно ли в этих условиях надеяться, что достижение контролируемой реакции D + 3Не займет не более 20-30 лет?

Раньше чем через 20-40 лет, лунный гелий не потребуется. В течение этого времени, нужно ожидать, будет решена задача промышленного освоения управляемого термоядерного синтеза с участием гелия-3.

Для экспериментов, даже для создания достаточно мощного опытного термоядерного реактора, перевозить лунный гелий не потребуется. Имеются запасы изотопа 3Не, накопленные в результате радиоактивного превращения трития (Т), используемого в термоядерном оружии.

Поэтому у стран, располагающих термоядерным оружием (Россия и США), имеются в распоряжении несколько сот килограммов гелия-3.

Источник: http://znaniya-sila.narod.ru/live/anknown_14_1.htm

Гелий 3

Нужно понять, что сегодня исследование Солнечной системы, изучение внеземного вещества, химического строения Луны и планет, поиск внеземных форм жизни, понимание физики Вселенной — это передовая линия фундаментальной науки.

Современные космические исследования следует рассматривать не как одно из направлений или разделов науки, а как этап развития науки.

Без результатов, полученных в космических исследованиях, неполноценны ни физика, ни биология, ни химия, ни геологические науки.

Отступление на задний план страны, имеющей богатый опыт и традиции космических исследований, не может не вызывать тревогу и желание понять причины.

 Э. М. Галимов

Гелий 3 – мифическое топливо будущего

Наверное мало чего в области термоядерной энергетики окружено мифами, как Гелий 3. В 80х-90х он был активно популяризирован, как топливо, которое решит все проблемы управляемого термоядерного синтеза, а так же как один из поводов выбраться с Земли (т.к.

на земле его буквально считанные сотни килограмм, а на луне миллиард тонн) и заняться, наконец, освоением Солнечной системы.

Все это базируется на очень странных представлениях о возможностях, проблемах и потребностях несуществующей сегодня термоядерной энергетики, о чем мы и поговорим

Помните, я писал, что магниты тороидального поля ИТЭР, которые создают противодавление плазме – абсолютно рекордные изделия, единственные по параметрам в мире? Так вот, поклонники He3 предлагают сделать магниты в 500 раз мощнее.

Добыча гелия-3 на Луне обеспечит землян энергией на 5 тыс лет

Имеющиеся на Луне запасы гелия-3 могут обеспечить землян энергией на пять тысяч лет вперед, заявил в среду на мультимедийной лекции в РИА Новости доктор физико-математических наук, заведующий отделом исследований Луны и планет Государственного астрономического института МГУ им. Ломоносова Владислав Шевченко.

Возможности обеспечения жителей Земли энергоносителями небезграничны, их запасы на нашей планете будут исчерпаны в ближайшие столетия. Вместе с тем, в США уже подсчитали, что имеющиеся на Луне запасы гелия-3 могут обеспечить землян энергией, как минимум, на пять тысяч лет вперед, – сказал Шевченко.

Да, стоимость одной тонны гелия-3 составит примерно миллиард долларов при том, что будет создана необходимая инфраструктура добычи и доставки с Луны.

Но при этом 25 тонн – а это всего 25 миллиардов долларов, что не так уж много в масштабах государств нашей планеты – хватит для обеспечения энергией землян в течение года.

В настоящее время в год только США тратит на энергоносители примерно 40 миллиардов долларов. Выгода очевидна, – отметил Шевченко.

По его словам, в ближайшем будущем партнерам по Международной космической станции (МКС) следует постепенно переходить от ее эксплуатации к созданию Международной лунной станции (МЛС). Наш путь сейчас – от МКС к МЛС. Получим большую практическую пользу, – заключил ученый.

В настоящее время изотоп гелий-3 на Земле добывают в очень небольших количествах, исчисляемых несколькими десятками граммов в год.

На Луне же запасы этого ценного изотопа составляют, по минимальным оценкам, около 500 тысяч тонн. При термоядерном синтезе, когда в реакцию вступает 1 тонна гелия-3 с 0,67 тоннами дейтерия, высвобождается энергия, эквивалентная сгоранию примерно 15 миллионов тонн нефти.

В интервью газете «Труд» академик Роальд Зиннурович Сагдеев назвал, сенсацию, поднятую вокруг добычи гелия-3 на Луне. не стоящей и выеденного яйца .

Академик Сагдеев сказал, что на недавно прошедших 30-х Королёвских чтениях тон задавали сторонники лунных проектов, которые доказывали, что добыча гелия-3 на Луне выгодная и перспективная задача. Считается, что термоядерные реакторы. работающие на гелии-3, обеспечат человечество энергией на тысячелетия.

Планы создания базы на Луне к 2015 году и добыча и транспортировка гелия-3, которые были представлены на чтениях— совершенно нереальны. Да и гелий-3 понадобится не ранее чем через 80— 100 лет.

Академик Сагдеев сказал, что всё еще не существуют реакторы, работающие на дейтерии и тритии. Хотя, запасы дейтерия в морской воде практически неограничены. Для создания термоядерного реактора, работающего на гелии-3, понадобится ещё около 100 лет. «Словом, построение гелиевого реактора— задача даже не XXI, а XXII века»— говорит Сагдеев.

Поэтому планы создания базы на Луне и добыча там гелия-3— это иллюзия: «На самом деле вся эта шумиха, связанная с предложением добывать гелий-3 на Луне, не стоит и выеденного яйца».

Слова Сагдеева из интервью: «Когда о добыче гелия-3 на Луне рассказывает, например, руководитель РКК „Энергия“ Николай Севастьянов, я внутренне улыбаюсь и даже где-то сочувствую такому увлеченному человеку, оказавшемуся, как это ни удивительно, в плену иллюзий».

Гелий-3 был открыт австралийским ученым Марком Олифантом, во время работы в Кембриджском университете.

Применение 3 He

Гелий-3 применяется при исследовании термоядерного синтеза. Он является побочным продуктом реакций, протекающих на Солнце.

На Земле его добывают в очень небольших количествах, исчисляемых несколькими десятками граммов за год. Причиной тому служит наша атмосфера. способствующая процессам реакции Гелия-3 с другими веществами.

При термоядерном синтезе 1 тонны гелия-3 высвобождается энергия, равная 15 млн. т. нефти .

Запасы 3 He на Земле

На Земле его запасы приблизительно оцениваются в 500 -1000 килограмм и крайне распылены в атмосфере и горных породах.

Запасы 3 He на Луне

Лунные ресурсы Гелия-3 весьма велики и их должно хватить как минимум на ближайшее тысячелетие. Основной проблемой остаётся то, что управляемый термоядерный синтез до сих пор неосуществлён, и по самым оптимистическом прогнозам, возможность коммерческого использования наступит не раньше 2050 года.

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

Для многих людей электромобили «Tesla» стали автомобилями мечты, так как воплощают собой частичку будущего, электрического будущего транспорта. Поэтому, прежде чем переходить …

Живописный город Карпенисион

В Греции есть живописный город Карпенисион. Он включает в себя четырнадцать районов и административный центр Эвритани. Территория города 250 квадратных километра. Население …

Талисман Пушкина – перстень из сердолика

Величайший поэт России Александр Пушкин известен во всем мире. Его биография досконально исследована и в ней как будто все …

Пещерные города Крыма – Кыз-Кермен

В юго-западной части крымского полуострова расположено 14 пещерных городов. Пещерные города расположены на внутренней гряде Крымских гор. Этим горам присущи обрывистые …

Стресс и экзема

На состояние кожи неблагоприятно влияет не только отсутствие гигиены, но также и большой стресс. Если он спорадический и на обычном …

Явление шаровой молнии остается тайной

Шарова́я мо́лния — светящийся сгусток горячего ионизованного газа, изредка появляющийся в грозовых погодных условиях. Несмотря на то, что это явление пока ещё …

Снежный леопард

Снежный леопард – одна из самых красивых и таинственных разновидностей тигров. Немного известно об их жизни и повадках, потому …

Объект из Шайтан-Мазар

История с урочищем Шайтан-Мазар имела следующее продолжение. В августе 1998 года с целью проверки поступивших сведений о НЛО в Киргизию была …

Поющие фонтаны в Дубае

Дубай мекка для любителей шикарного отдыха, незабываемых впечатлений и глобального шоппинга. Современные здания изящно вплетаются в морские пейзажи, белоснежные песчаные …

Есть ли жизнь на Марсе?

В красной пыли при температуре 80 градусов Цельсия около марсианского экватора навсегда застыли обломки гигантского звездного корабля, который разбился на …

Древний город Фивы

На самом деле Фивы отнюдь не настоящее название древнего города на восточном берегу Нила. Так греки называли столицу Египта, город Но-Аммон Фивы …

Источник: http://www.objectiv-x.ru/zagadki-nauki/gelij-3.html

Ссылка на основную публикацию