squirrelcat

Как солнечный элемент гелий дал новый толчок исследованиям Луны

Речь пойдет об изотопе Гелий-3. Луна обладает такими его запасами, что способна обеспечить все государства электричеством на тысячи лет.

Мы будем разбираться в энергетике и перспективах, но сначала о грустном. Дело в том, что несмотря на все преимущества гелия-3, он составляет жалкие 0,000137% от всего гелия на Земле, а 99,99986% — на гелий-4, который не имеет полезных свойств, интересных энергетикам.
Давайте-ка по порядку.

Изотоп

Гелий-3 рассматривается как перспективное топливо для термоядерных реакторов. Существует три типа водорода: 
  • Легкий (протий, ядро — один протон) 
  • Тяжелый (дейтерий, состав — протон + нейтрон)
  • Сверхтяжелый (тритий, состав — протон + два нейтрона)
Изначально исследователи пробовали использовать обычный водород, однако его энерговыход оказался недостаточным. Больше потратишь усилий и денег, чем получишь реального выхлопа. Водород - на выход. Следующий шаг — дейтерий, который дает больший выход энергии, но с калькулятором в руках просчитано, что затраты не окупаются.
После этого был выбран тритий, вот здесь результаты были приемлемыми, однако его плазма оказалась трудной в управлении.
В настоящее время ученые рассматривают гелий-3 (состав — два протона + нейтрон), и надо полагать , что изотоп может обеспечить больший энергопоток и будет легче в управлении.

Но, как мы помним, на Земле гелия-3 крайне мало. А гелий-4 (два протона + два нейтрона), хоть и  присутствует в больших количествах, но для термоядерных реакций не годится.

Ядерная реакция 3Не + D → 4Не + p (увы, малодостижимая в промышленных масштабах ввиду малого количества сырья) имеет ряд преимуществ по сравнению с более удобной и простой в земных условиях дейтериево-тритиевой реакцией T + D → 4Не + n.
К числу этих преимуществ относим значительно более низкий поток нейтронов из зоны реакции, а это ведет к серьезному снижению наведенной радиоактивности и уменьшению деградации материалов реактора. Про материалы реактора еще поговорим, там и без радиоактивности проблем хватает.
 Кроме того, одним из продуктов реакции являются протоны, которые, в отличие от нейтронов, легко улавливаются и могут быть использованы для дополнительной генерации электроэнергии.
О хранении сырья: и гелий-3, и дейтерий характеризуются неактивностью, что позволит складировать их без особых мер безопасности; даже в случае аварии с разгерметизацией активной зоны выброс даст практически нулевой  уровень радиоактивности. 

Плюсы синтеза между гелием-3 и дейтерием

Подробнее
  • Сни­жение 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.
  • Ис­поль­зо­вание в элек­три­чес­тве

    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.
  • Бе­зопас­ный ре­ак­тор

    Топ­ли­во не ра­ди­оак­тивно, а ес­ли про­изой­дет ава­рия, то выб­ро­сов не про­ис­хо­дит.
  • Ог­ромное ко­личес­тво энер­гии

    По рас­че­там, сли­яние 1 тон­ны ге­лия-3 и 0,67 тонн дей­те­рия эк­ви­вален­тно сжи­ганию 15 мил­ли­онов тонн неф­ти.

Мы пишем, что гелий-3 хранить достаточно безопасно, но помимо обеспечения безопасности есть много других требований. Гелий-3 хранится при крайне низких температурах и под высоким давлением, а значит потребуются сложные криогенные системы. Гелий-3 — лёгкий и подвижный газ, способный улетучиваться, проникая через мельчайшие поры материалов. Следовательно, кроме температуры и давления необходима абсолютная герметичность не только на этапе хранения, но и при транспортировке.

Но, конечно, все не настолько волшебно, как хотелось бы: существенный недостаток гелий-дейтериевой реакции — гораздо более высокий температурный порог, необходимый для ее запуска, который составляет около миллиарда градусов. И это вторая проблема материалов реактора.

О реакторах

Уже сейчас - и не первое десятилетие - существует несколько проектов и исследований, посвящённых возможности использования гелия-3 в термоядерном синтезе. ITER (Международный экспериментальный термоядерный реактор) - наиболее известный, распиаренный, и пожалуй, дорогостоящий.

В реакторе где создаются установки на основе плазменного термоядерного синтеза с использованием гелия-3 в качестве топлива. 

О проекте

Подробнее
  • О проекте

    Подробнее
  • Что та­кое ITER

    Что та­кое ITER

    Это кол­ла­бора­ция го­сударств, за­дав­шихся целью най­ти гло­баль­ную аль­тер­на­тиву уг­ле­род­ной энер­ге­тике, ре­сур­сы ко­торой не­бес­пре­дель­ны. А ис­точник топ­ли­ва (дей­те­рий и три­тий) для тер­мо­ядер­ной энер­ге­тики прак­ти­чес­ки не­ис­черпа­ем и рас­простра­нен по пла­нете так же рав­но­мер­но, как во­да Ми­рово­го оке­ана.
  • Ос­новная цель

    Ос­новная цель

    До­казать, что в ре­зуль­та­те тер­мо­ядер­ной ре­ак­ции мо­жет про­из­во­дить­ся зна­читель­но боль­ше энер­гии по срав­не­нию с тем ко­личес­твом, ко­торое зат­ра­чива­ет­ся на за­пуск са­мого про­цес­са ре­ак­ции, т. е. что про­ис­хо­дит об­щее уве­личе­ние мощ­ности.
  • Ре­ак­тор

    Ре­ак­тор

    Та­кие ре­ак­то­ры, как ITER, на­зыва­ют­ся то­кама­ками. В них ис­поль­зу­ет­ся со­чета­ние сис­тем наг­ре­ва, силь­ных маг­ни­тов и дру­гих ус­трой­ств для про­веде­ния вы­деля­ющих энер­гию тер­мо­ядер­ных ре­ак­ций в свер­хго­рячей плаз­ме. Воз­ни­ка­ющие маг­нитные по­ля удер­жи­ва­ют и вра­ща­ют за­ряжен­ные час­ти­цы в кор­пу­се ре­ак­то­ра, по фор­ме на­поми­на­ющем буб­лик, что­бы они мог­ли сли­вать­ся и про­из­во­дить тер­мо­ядер­ную энер­гию.

Ни один из существующих материалов не способен выдержать длительный нагрев до таких температур — любой, даже самый прочный сплав, разработанный в секретных военных лабораториях, деформируется и распадается на пыль, если реакция продолжается чуть дольше, чем положено. Именно поэтому термоядерная реакция на текущем этапе не может длиться более одной минуты.
Идея получения энергии через "обратное деление", основанная на разнице масс, привлекала физиков на протяжении многих лет. Проблемы первых термоядерных реакторов, или устройств, которые были похожи на них, заключались не только в высоком энергопотреблении, но и в отсутствии реальных результатов. 


События

Подробнее

Есть такой проект и у России, и у Китая - в общем, не единичная разработка. Главная нерешённая проблема термоядерных реакторов, предназначенных для разогрева дейтерия и трития до температуры в сотню миллионов градусов, заключается в отсутствие эффективности. Удержать разогретые до состояния плазмы дейтерий и тритий в реакторе уже умеют, но энергия, выделяющаяся во время процесса синтеза, оказывается меньше той, что потребляет реактор. 
Но затраты во имя науки - это затраты во имя науки.
Все не так плохо как может показаться: технология термоядерного синтеза отрабатывалась ещё в СССР, а в 1997-ом году на реакторе Jet в Великобритании удалось достичь мощности ядерного энерговыделения более 16 МВт, что примерно сравнялось с мощностью плазменных потерь.

Используемый способ получения гелия-3

Гелий-3 может быть получен только через распад трития, и основные его запасы возникли в результате этого процесса. Когда? Во время ядерной гонки в период холодной войны. Например, американцами к 2003 году было накоплено примерно 260 тыс. литров неочищенного гелия-3, но уже спустя 7 лет объемы неиспользуемого газа сократились до 12 тыс. литров.

  • Применение Гелия-3

    Подробнее
  • Ядер­ная энер­ге­тика

    Ядер­ная энер­ге­тика

    Мо­жет ис­поль­зо­вать­ся в ядер­ных ре­ак­то­рах в про­цес­се тер­мо­ядер­но­го син­те­за.
  • На­уч­ные ис­сле­дова­ния

    На­уч­ные ис­сле­дова­ния

    Ис­поль­зу­ет­ся в раз­личных на­уч­ных ис­сле­дова­ни­ях, осо­бен­но в об­ласти фи­зики и ас­тро­физи­ки.
  • Маг­нитно-ре­зонан­сная то­мог­ра­фия

    Маг­нитно-ре­зонан­сная то­мог­ра­фия

    Ис­поль­зу­ет­ся в ка­чес­тве кон­рас­тно­го аген­та в МРТ ис­сле­дова­ни­ях лег­ких.
  • В инер­ци­аль­но-кон­фай­нмен­тных сис­те­мах

    В инер­ци­аль­но-кон­фай­нмен­тных сис­те­мах

    Мо­жет ис­поль­зо­вать­ся в раз­личных тех­но­логи­ях, свя­зан­ных с инер­ци­аль­ным кон­фай­нмен­том плаз­мы для уп­равля­емо­го тер­мо­ядер­но­го син­те­за.

Спрос на редкий газ рос (и тут вопрос не в энергетике, а в использовании гелий-3 в других сферах, в том числе медицины). В связи с растущим спросом в 2007 году  вновь запустили ограниченное производство трития, по плану ежегодное получение гелия-3 составляло 8 тыс. литров. В то же время текущий годовой спрос на гелий-3 уже превышает 40 тыс. литров, из которых только 5% используется в медицине.
В апреле 2010 года Комитет по науке и технологии США завил, что нехватка гелия-3 может негативно сказаться на различных областях, и даже ученые в ядерной отрасли испытывают трудности с его приобретением из государственных запасов.

Вот с тех пор аукционная цена на гелий-3 колеблется около $2000 за литр, и никаких тенденций к удешевлению не отмечается. Дефицит объясняется тем, что большая часть гелия-3 используется для создания нейтронных детекторов, необходимых для обнаружения ядерных материалов. Эти детекторы фиксируют нейтроны по реакции (n, p) — захвату нейтронов и испусканию протонов. Чтобы эффективно отслеживать попытки ввоза ядерных материалов, требуется значительное количество таких детекторов, что и делает гелий-3 чрезвычайно дорогостоящим ресурсом.

Итак, откуда его брать?

Есть одна крайне перспективная, но пока еще не реализованная идея, требующая дальнейших исследований и технического прорыва. Для начала факт, о котором вы наверняка догадались из заголовка.

Характеристики

Подробнее
  • Масса
    7.348⋅1022 кг
  • Плотность
    3.346 г/см³
  • Средний радиус
    1,737.1 км
  • 1-я космическая скорость (v1)
    1.68 км/с
  • 2-я космическая скорость (v2)
    2.38 км/с

Каждая тонная лунного грунта содержит около 0,01 грамма гелия-3. По предварительным подсчетам, всего на Луне не менее 500 тыс. тонн вещества. Этого достаточно, чтобы обеспечить всю планету энергией на 5000 лет без использования прочих источников.
А вот общее количество гелия-3 в атмосфере нашей планеты оценивается всего в 35 000 тонн. Почувствуйте разницу!
В природе гелий-3 миллионами и миллиардами лет может накопиться либо на больших планетах (Уран или Нептун), способных его удерживать, либо на телах без атмосферы и магнитосферы. Ближайший к нам источник - Луна, где в грунте искомый гелий-3 лежит в чистом виде, то есть его не придется обрабатывать, достаточно собирать в капсулы спецтехникой (немногим сложнее лунохода) — и можно сразу отправлять на Землю. А дальше простая математика - 2 тонны гелия-3, разогретые в термоядерном реакторе, дадут столько же энергии, сколько 30 млн тонн нефти, сжигаемой в печах ТЭС.

Получение

Подробнее
  • Слож­ности до­бычи

    В нас­то­ящее вре­мя ге­лий-3 не до­быва­ет­ся из при­род­ных ис­точни­ков (на Зем­ле дос­тупны нез­на­читель­ные ко­личес­тва ге­лия-3, чрез­вы­чай­но труд­ные для до­бычи). По­это­му он соз­да­ёт­ся при рас­па­де ис­кусс­твен­но по­лучен­но­го три­тия.
  • По­луче­ние в США

    Нес­коль­ко со­тен ты­сяч лит­ров ге­лия-3 бы­ли на­рабо­таны в рам­ках ору­жей­ных ядер­ных прог­рамм, од­на­ко эти за­пасы уже не­дос­та­точ­ны для су­щес­тву­юще­го в США спро­са. До­пол­ни­тель­но око­ло 8 тыс. лит­ров ге­лия-3 в год по­луча­ют из рас­па­да за­пасов три­тия в США.
  • Аль­тер­на­тив­ные спо­собы по­луче­ния

    Рас­смат­ри­вались и дру­гие спо­собы до­бычи, ко­торые счи­тались эко­номи­чес­ки не­целе­со­об­разные.

И совершенно случайно успехи  в завершении проектов по созданию термоядерных реакторов совпали с возобновлением "лунной гонки". Как всегда, есть нюанс. Для того, чтобы начать добычу на Луне, придется делать огромные вложения. Понадобится не только техника, понадобятся люди. По сути, это означает колонизацию спутника. Это несколько сложней - потребуется инфраструктура с обеспечением людей водой, воздухом, топливом, строительными материалами. И если добыча окажется выгодной - ее начнут.

Так, в 2024 году экс-сотрудники американской частной космической компании Blue Origin основали собственный стартап Interlune, ставя целью к 2028 году создать завод на Луне. Сооснователь Interlune Роб Мейерсон заявлял: Гелий-3 — единственный ресурс, цена которого достаточно высока, чтобы обеспечить полет на Луну и возвращение его на Землю. Есть клиенты, которые хотят купить его сегодня.
В 2026 году должен пройти первый пробный полет с забором гелия-3 и его доставкой на землю, проект будут совместным для Interlune и NASA.
Завод - это прекрасно. Но полноценная Лунная база - еще лучше. 

Этапы строительства

Подробнее

Проект таковой есть у России и Китая, причем согласно плану станция должна быть построена к 2033 году. В 2023 года правительство РФ подписало соответствующее соглашение о сотрудничестве с КНР по возведению Международной научной лунной станции. А 5 марта 2024 года сообщалось, что страны обдумывают способы доставки на Луну в 2030-х годах ядерную станцию с помощью роботов.
Это прекрасно, но мы упираемся в 2 фактора:
1. Термоядерные реакторы до сих пор ненадежны и неспособны обеспечивать бесперебойную работу даже при наличии гелий-3.
2. Затраты на создание лунных экспедиций, лунных баз и лунных заводов не отобьют себя, если термоядерные реакторы окажутся пшиком по непреодолимым техническим моментам.
Это не значит, что "нет клиентов, которые хотят купить гелий-3 сегодня". Медицина, криогенная промышленность, научные лаборатории - постоянные клиенты, но не станет ли лунный гелий-3 слишком дорогой альтернативой земному гелию-3? Имеет ли смысл вкладываться сейчас, на короткой перспективе?

  • О чем статья?

    Подробнее
  • Сколь­ко ге­лий-3 на Зем­ле

    Нес­мотря на пре­иму­щес­тва ге­лия-3, он сос­тавля­ет 0,000137% от все­го ге­лия на Зем­ле, а 99,99986% — на ге­лий-4, ко­торый не име­ет по­лез­ных свой­ств, ин­те­рес­ных энер­ге­тикам.
  • При­мене­ний изо­топа

    Ге­лий-3 рас­смат­ри­ва­ет­ся как пер­спек­тивное топ­ли­во для тер­мо­ядер­ных ре­ак­то­ров. Дру­гие пот­ре­бите­ли — ме­дици­на, кри­оген­ная про­мыш­ленность, на­уч­ные ла­бора­тории.
  • Це­ны при за­мет­ном де­фици­те

    А­ук­ци­он­ная це­на ко­леб­лется око­ло $2000 за литр. Де­фицит объ­яс­ня­ет­ся тем, что боль­шая часть ге­лия-3 ис­поль­зу­ет­ся для соз­да­ния ней­трон­ных де­тек­то­ров для об­на­руже­ния ядер­ных ма­тери­алов.
  • Лу­на в де­ле

    Каж­дая тон­ная лун­но­го грун­та со­дер­жит око­ло 0,01 грам­ма ге­лия-3. По пред­ва­ритель­ным под­сче­там, все­го на Лу­не не ме­нее 500 тыс. тонн ве­щес­тва.
  • Как до­быть на Лу­не и пе­реп­ра­вить на Зем­лю

    Interlune пла­ниру­ет соз­дать за­вод на Лу­не. В 2026 го­ду дол­жен прой­ти пер­вый проб­ный по­лет с за­бором ге­лия-3. Рос­сия и Ки­тай до­гово­рились о пол­но­цен­ная Лун­ной ба­зе.
squirrelcat
27

Начать обсуждение

0

ViStat.org - проект с интерактивной инфографикой. Мы делаем информацию визуальной и удобной для восприятия: кликайте на фотографии с деталями или на пиктограммы в ленте событий и узнавайте подробности об этом.

Некоммерческий проект ViStat.org создан с целью визуализации знаний, а также систематизации фактов о событиях, процессах, явлениях для детального поиска в рамках творческой, учебной и иной аналитической деятельности.

Для связи с нами пишите на почту vs@vistat.org