Гелий-три. Странное и непонятное словосочетание. Тем не менее чем дальше, тем больше мы будем слышать его. Потому что, по мнению специалистов, именно гелий-три спасет наш мир от надвигающегося энергетического кризиса. И в этом предприятии активнейшая роль отводится России.

Луна

Перспективная термоядерная энергетика, использующая в качестве основы реакцию синтеза дейтерий-тритий, хотя и более безопасна, чем энергетика деления ядра атома, которая используется на современных АЭС, все же имеет ряд существенных недостатков.

• Во-первых , при этой реакции выделяется куда большее (на порядок!) число высокоэнергетичных нейтронов. Столь интенсивного нейтронного потока ни один из известных материалов не может выдержать свыше шести лет - при том, что имеет смысл делать реактор с ресурсом как минимум в 30 лет. Следовательно, первую стенку тритиевого термоядерного реактора будет необходимо заменять - а это очень сложная и дорогостоящая процедура, связанная к тому же с остановкой реактора на довольно длительный срок.
• Во-вторых , от мощного нейтронного излучения необходимо экранировать магнитную систему реактора, что усложняет и, соответственно, удорожает конструкцию.
• В-третьих , многие элементы конструкции тритиевого реактора после окончания эксплуатации будут высокоактивными и потребуют захоронения на длительный срок в специально созданных для этого хранилищах.

В случае же использования в термоядерном реакторе дейтерия с изотопом гелия-3 вместо трития большинство проблем удается решить. Интенсивность нейтронного потока падает в 30 раз - соответственно, можно без труда обеспечить срок службы в 30-40 лет. После окончания эксплуатации гелиевого реактора высокоактивные отходы не образуются, а радиоактивность элементов конструкции будет так мала, что их можно захоронить буквально на городской свалке, слегка присыпав землей.

В чем же проблема? Почему мы до сих пор не используем такое выгодное термоядерное топливо?

Прежде всего, потому, что на нашей планете этого изотопа чрезвычайно мало. Рождается он на Солнце, отчего иногда называется «солнечным изотопом». Его общая масса там превышает вес нашей планеты. В окружающее пространство гелий-3 разносится солнечным ветром. Магнитное поле Земли отклоняет значительную часть этого ветра, а потому гелий-3 составляет лишь одну триллионную часть земной атмосферы - примерно 4000 т. На самой Земле его еще меньше - около 500 кг.

На Луне этого изотопа значительно больше. Там он вкрапляется в лунный грунт «реголит», по составу напоминающий обычный шлак. Речь идет об огромных - практически неисчерпаемых запасах!

Анализ шести образцов грунта, привезенных экспедициями «Аполлон», и двух образцов, доставленных советскими автоматическими станциями «Луна », показал, что в реголите, покрывающем все моря и плоскогорья Луны, содержится до 106 т гелия-3, что обеспечило бы потребности земной энергетики, даже увеличенной по сравнению с современной в несколько раз, на тысячелетие! По современным прикидкам, запасы гелия-3 на Луне на три порядка больше - 109 т.

Кроме Луны, гелий-3 можно найти в плотных атмосферах планет-гигантов, и, по теоретическим оценкам, запасы его только на Юпитере составляют 1020 т, чего хватило бы для энергетики Земли до скончания времен.

Проекты добычи гелия-3

Реголит покрывает Луну слоем толщиной в несколько метров. Реголит лунных морей богаче гелием, чем реголит плоскогорий. 1 кг гелия-3 содержится приблизительно в 100 000 т реголита.

Следовательно для того, чтобы добыть драгоценный изотоп, необходимо переработать огромное количество рассыпчатого лунного грунта.

С учетом всех особенностей технология добычи гелия-3 должна включать следующие процессы:

1. Добыча реголита.

Специальные «комбайны» будут собирать реголит с поверхностного слоя толщиною около 2 м и доставлять его на пункты переработки или перерабатывать непосредственно в процессе добычи.

2. Выделение гелия из реголита.

При нагреве реголита до 600?С выделяется (десорбируется) 75% содержащегося в реголите гелия, при нагреве до 800?С - почти весь гелий. Нагрев пыли предлагается вести в специальных печах, фокусируя солнечный свет либо пластмассовыми линзами, либо зеркалами.

3. Доставка на Землю космическими кораблями многоразового использования.

При добыче гелия-3 из реголита извлекаются также многочисленные вещества: водород, вода, азот, углекислый газ, азот, метан, угарный газ, - которые могут быть полезны для поддержания лунного промышленного комплекса.

Проект первого лунного комбайна, предназначенного для переработки реголита и выделения из него изотопа гелия-3, был предложен еще группой Дж.Кульчински. В настоящее время частные американские компании разрабатывают несколько прототипов, которые, видимо, будут представлены на конкурс после того, как НАСА определится с чертами будущей экспедиции на Луну.

Понятно, что, кроме доставки комбайнов на Луну, там придется возвести хранилища, обитаемую базу (для обслуживания всего комплекса оборудования), космодром и многое другое. Считается, тем не менее, что высокие затраты на создание развитой инфраструктуры на Луне окупятся сторицей в плане того, что грядет глобальный энергетический кризис, когда от традиционных видов энергоносителей (уголь, нефть, природный газ) придется отказаться.

Главная технологическая проблема

На пути к созданию энергетики на основе гелия-3 есть одна немаловажная проблема. Дело в том, что реакцию дейтерий-гелий-3 осуществить гораздо сложнее, чем реакцию дейтерий-тритий.

В первую очередь, необычайно трудно поджечь смесь этих изотопов. Расчетная температура, при которой пойдет термоядерная реакция в дейтерий-тритиевой смеси, - 100-200 миллионов градусов. При использовании гелия-3 требуемая температура на два порядка выше. Фактически мы должны зажечь на Земле маленькое солнце.

Однако история развития ядерной энергетики (последние полвека) демонстрирует увеличение генерируемых температур на порядок в течение 10 лет. В 1990 году на европейском токамаке JET уже жгли гелий-3, при этом полученная мощность составила 140 кВт. Примерно тогда же на американском токамаке TFTR была достигнута температура, необходимая для начала реакции в дейтерий-гелиевой смеси.

Впрочем, зажечь смесь еще полдела. Минус термоядерной энергетики - сложность получения практической отдачи, ведь рабочим телом является нагретая до многих миллионов градусов плазма, которую приходится удерживать в магнитном поле.

Эксперименты по приручению плазмы проводятся уже многие десятилетия, но лишь в конце июня прошлого года в Москве представителями ряда стран было подписано соглашение о строительстве на юге Франции в городе Кадараш Международного экспериментального термоядерного реактора (ITER) - прототипа практической термоядерной электростанции. В качестве топлива ITER будет использовать дейтерий с тритием.

Термоядерный реактор на гелии-3 будет конструктивно сложнее, чем ITER, и пока его нет даже в проектах. И хотя специалисты надеются, что прототип реактора на гелии-3 появится в ближайшие 20-30 лет, пока эта технология остается чистейшей фантастикой.

Вопрос добычи гелия-3 анализировался экспертами в ходе слушаний по вопросам будущего исследования и освоения Луны, состоявшихся в апреле 2004 года в Подкомитете по космосу и аэронавтике комитета по науке палаты депутатов Конгресса США. Их вывод был однозначен: даже в отдаленном будущем добыча гелия-3 на Луне совершенно невыгодна.

Как отметил Джон Логсдон, директор Института космической политики из Вашингтона: «Космическое сообщество США не рассматривает добычу гелия-3 в качестве серьезного предлога для возвращения на Луну. Лететь туда за этим изотопом все равно что пятьсот лет назад отправить Колумба в Индию за ураном. Привезти-то он его может, и привез бы, только еще несколько сотен лет никто не знал бы, что с ним делать».

Добыча гелия-3 как национальный проект

«Мы говорим сейчас о термоядерной энергетике будущего и новом экологическом типе топлива, которое нельзя добыть на Земле. Речь идет о промышленном освоении Луны для добычи гелия-3».

Это высказывание главы ракетно-космической корпорации «Энергия» Николая Севастьянова было воспринято российскими научными обозревателями как заявка на формирование нового «национального проекта».

Ведь по сути, одной из главных функций государства, особенно в XX веке, было как раз формулирование перед обществом задач на грани воображения. Это касалось и советского государства: электрификация, индустриализация, создание атомной бомбы, первый спутник, поворот рек.

Сегодня в РФ государство пытается, но не может сформулировать задачи на грани невозможного. Государству нужно, чтобы кто-то показал ему общенациональный проект и обосновал выгоды, которые из этого проекта в теории проистекают. Программа освоения и добычи гелия-3 с Луны на Землю с целью снабжения термоядерной энергетики топливом идеально отвечает этим требованиям.

«Я просто думаю, что есть дефицит в какой-то крупной технологической задаче, - подчеркнул в интервью доктор физико-математических наук, ученый секретарь Института космических исследований РАН Александр Захаров. - Может быть, из-за этого и возникли в последнее время все эти разговоры о добыче на Луне гелия-3 для термоядерной энергетики. Если Луна - источник полезных ископаемых, и оттуда везти этот гелий-3, а на Земле не хватает энергии… Все это понятно, звучит очень красиво. И под это легко, может быть, уговорить влиятельных людей выделить деньги. Я думаю, что это так».

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.

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.

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 м 3 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 3 2 he 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 3 2 he 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:

Имеющего в составе два протона и два нейтрона.

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ Гелий - СВЕРХТЕКУЧИЙ И САМЫЙ ХОЛОДНЫЙ ЭЛЕМЕНТ!

✪ Сверхтекучий гелий. Штутгартский университет

✪ Перспективы термоядерной энергетики (рассказывает физик Антон Тюлюсов)

✪ Операция "Гелий"

✪ Операция "Гелий". 3-я серия

Субтитры

хочу порекомендовать вам канал андрея сте пени на он снимает видео курс по органической химии для 10 класса сейчас на его канале доступно более 40 видео по 12 темам подписывайтесь на канал андрея издавать и игре на 100 баллов и так сегодня я расскажу вам о самом распространенном благородному газе в обозримой вселенной который к тому же ещё может приобретать уникальные сверхтекучие свойства при крайне низких температурах встречайте гелий в периодической таблице этот элемент находится в верхнем правом углу его очень легко найти под номером 2 я думаю что с этим инертным газом сегодня люди знакомятся самого детства так как из-за своей легкости относительно воздуха гелий отлично подходит для надувания праздничных шариков которые так нравятся детям это все из за того что молярная масса гелия примерно в семь раз меньше молярные массы воздуха но все же по распространенности гели на земле крайне редок в воздухе его находится всего лишь одна часть на миллион основная доля получаемого гелия для тех же шариков приходится на природный газ в котором концентрация гелия может достигать до семи процентов по массе все потому что в результате радиоактивного распада урана или тория в земной коре гелий может накапливаться в подземных пустотах с природным газом и не улетучиваться в атмосферу однако если брать более масштабно то во всей обозримой вселенной или займет почетное второе место по распространенности среди всех элементов уступив только водороду и образуя при этом примерно четверть от всех атомов вы только представьте себе что все атомы тяжелее гель образует всего лишь два процента от массы всей массы материи здесь можно почувствовать насколько мы малы в масштабах вселенной основная часть деле находится в составе звезд или же в атмосфере газовых гигантов в которых как и во всей вселенной содержится около 20 процентов деле по массе по сегодняшним данным основная часть геля находящаяся в космосе образовалась во время большого взрыва около 14 миллиардов лет назад давайте теперь вернемся с небес на землю и рассмотрим свойства этого газа в более осязаемых эксперимент у меня есть небольшая ампул с гелия который находится при очень низком давлении примерно одна сотая от атмосферного видно что гель и не имеет цвета кроме этого он еще не имеет ни вкуса ни запаха это вы могли узнать если когда-нибудь пробовали дышать этим газом однако такие опыты крайне опасны так как наши клетки не дышит гелия им нужен кислород для этого это даже заставила нынешних продавцов гелевых баллонов для шариков добавлять в них до 20 процентов кислорода что вы висели на вечеринках стала более безопасным если через окулус гелем пропустить высокочастотный разряд высокого напряжения то он начнет светиться тусклый оранжевым цветом яркость которого будет зависеть от напряжения и от диаметра ампулы я использовал в качестве источника напряжения генератора дпла знал об и что дало мне возможность держать ампулу прямо в руке и за наличие электрической емкости у моего тела в принципе как у любого другого в отличие от неё на или ксенона гелий загорается уже на расстоянии от провода генератора так как имеет меньше энергию ионизации к сожалению с химической точки зрения деле совсем не блещет интересными свойствами он не реагирует практически ни с одним веществом хотя все же в виде плазмы похоже на то что вы видите в ампуле гели может образовывать крайне нестабильное соединение с водородом дейтерием или же некоторыми металлами а при большом давлении что тысяч атмосфер даже образуются особые вещества кларт от и гелиос азота который виде кристаллов можно вырастить на алмазные подложки жаль только что все эти вещества очень нестабильны и их практически невозможно увидеть при обычных условиях но не нужно расстраиваться ведь гель обладает самыми интересными и уникальными физическими свойствами из всех газов дело в том что при охлаждении до температуры в 42 кельвина деле становится самой легкой а также холодной жидкостью плотность которой почти в 10 раз меньше плотности воды в градусах цельсия жидкий гелий получается при сумасшедших минус двести шестьдесят восемь градусов что очень холодно настолько холодно что некоторые металла при такой температуре становится сверх проводниками например ртуть или ниобий чтобы поддерживать такую низкую температуру жидкий гелий находится в двойном сосуде дьюара который ещё снаружи охлаждают жидким азотом такую же технологию охлаждения жидкого гелия используют и в современных аппаратах для создания ядерно магнитного резонанса в них сверхпроводники соединение ниобия охлаждают жидким гелием который из-за высокой дороговизны в свою очередь охлаждают более дешевом жидким азотом таким образом жидкий гель и служит медицине а также для исследования ученых но самое интересное еще впереди до этого я рассказывала вам о первой форме жидкого гелия так называемый гелий 1 если же ее начать охлаждать с помощью понижения давления в сосуде то жидкий гелий в конце концов перейдет так называемую линда. а именно остынет ниже температуры вдвое семнадцать сотых кельвинов и станет второй формы жидкого гелия после этого кипения жидкости мгновенно прекращается и жидкий гелий кардинально меняет свои свойства при такой температуре теплопроводной жидкого гелия увеличиваться в миллионы раз и становимся выше чем у меди или серебра поэтому жидкость и не кипит так как тепло передается мгновенно и равномерно по всему объему кроме этого при достижении лямбда точки гелий становимся сверхтекучий жидкостью то есть теряет абсолютно все вязкость а именно сопротивление одной части жидкости движению относительно другой есть отличный эксперимент который это доказывает если налить в небольшую подвешенную чашечку сверх текущего гелия то сможет подниматься по стенки емкости в виде тонкой пленки и вытекать из чашки кроме того он с легкостью проходит через слой керамики с величиной пор около одного микрона и чем ниже температура жидкого гелия тем проще эта жидкость проходит через барьер удивительно еще то что у жидкого гелия в таком охлажденном виде все же есть вязкость которую видно на 2 пути превращение цилиндра слои жидкости все же передают вращение на лопасти сверху так как это может быть а здесь уже играют роль другие квантовые механизмы чье поведение и на да кардинально отличается от законов классической механики вязкость она как бы есть но я и одновременно нет вот как это можно в принципе охарактеризовать и кстати впервые явления сверхтекучести жидкого гелия открыл советский ученый петр капица 1938 году а уже в 1962 году лев ландау разработал теорию этого эффекта думайте это все а вот и нет нас вновь ждет тема звезд и космических полетов до этого я рассказывал вам о самом распространенном изотопе гели и гелий 4 у которого есть два протона и два нейтрона однако есть еще крайне редки изотопа гелий-3 у которого два протона и один нейтрон дело в том что этот изотоп отлично подходит для проведения реакций термоядерного синтеза с дейтерием и в теории этот процесс может помочь человечеству отказаться от ископаемого топлива но вот проблема в том что на земле этот изотоп невероятно редок так как сразу же улетучивается из атмосферы а вот на луне у которой атмосфера нет этот изотоп гораздо лучше сохраняется гипотетически люди могли бы добывать гелий-3 из лунной пыли реголита и использовать как источник энергии на земле но пока что это всего лишь кажется фантастикой на эту тему сняли даже отличный фильм луна 2112 рекомендую к просмотру и в итоге можно сказать что такое обычность виду газ гелий обладает удивительными свойствами при низких температурах его свойства сейчас используется повсеместно например в медицине или для научных исследований в которой например газообразный гелий используется как газ носитель в хроматографии ну а если вам понравилось это видео не забудьте подписаться на канал и нажать на колокольчик и поставить лайк чтобы в будущем узнать ещё много нового и интересного

Распространённость

Открытие

Существование гелия-3 было предположено австралийским ученым Марком Олифантом во время работы в Кембриджском университете в . Окончательно открыли этот изотоп Луис Альварес и Роберт Корног в .

Физические свойства

Получение

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

Стоимость

Средняя цена гелия-3 в 2009 году составляла, по некоторым оценкам, порядка 930 USD за литр .

Планы добычи гелия-3 на Луне

Гелий-3 является побочным продуктом реакций, протекающих на Солнце , и в некотором количестве содержится в солнечном ветре и межпланетной среде. Попадающий в атмосферу Земли из межпланетного пространства гелий-3 быстро диссипирует обратно , его концентрация в атмосфере чрезвычайно низка

Гипотетически, при термоядерном синтезе, когда в реакцию вступает 1 тонна гелия-3 с 0,67 тоннами дейтерия , высвобождается энергия, эквивалентная сгоранию 15 млн тонн нефти (однако на настоящий момент не изучена техническая возможность осуществления данной реакции). Следовательно, населению нашей планеты лунного ресурса гелия-3 (по максимальным оценкам) могло бы хватить примерно на пять тысячелетий . Основной проблемой остаётся реальность добычи гелия из лунного реголита . Как упомянуто выше, содержание гелия-3 в реголите составляет ~1 г на 100 т. Поэтому для добычи тонны этого изотопа следует переработать на месте не менее 100 млн тонн грунта.

Использование

Счётчики нейтронов

Газовые счётчики, наполненные гелием-3, используются для детектирования нейтронов . Это наиболее распространённый метод измерения нейтронного потока. В них происходит реакция

n + 3 He → 3 H + 1 H + 0,764 МэВ.

Заряженные продукты реакции - тритон и протон - регистрируются газовым счётчиком, работающим в режиме пропорционального счётчика или счётчика Гейгера-Мюллера.

Получение сверхнизких температур

Путём растворения жидкого гелия-3 в гелии-4 достигают милликельвиновых температур .

Медицина

Гелий-3 как ядерное топливо

Реакция 3 Не + D → 4 Не + p имеет ряд преимуществ по сравнению с наиболее достижимой в земных условиях дейтериево-тритиевой реакцией T + D → 4 Не + n. К этим преимуществам относятся:

1. В десятки раз более низкий поток нейтронов из зоны реакции, что резко уменьшает наведённую радиоактивность и деградацию конструкционных материалов реактора;
2. Получаемые протоны, в отличие от нейтронов, легко улавливаются и могут быть использованы для дополнительной генерации электроэнергии, например, в МГД-генераторе ;
3. Исходные материалы для синтеза неактивны и их хранение не требует особых мер предосторожности;
4. При аварии реактора с разгерметизацией активной зоны радиоактивность выброса близка к нулю.

К недостаткам гелий-дейтериевой реакции следует отнести значительно более высокий температурный порог. Необходимо достигнуть температуры приблизительно в 10 9 К из-за Кулоновского барьера , чтобы она могла начаться. А при меньшей температуре термоядерная реакция слияния ядер дейтерия между собой протекает гораздо охотнее, и реакции между дейтерием и гелием-3 не происходит.

В искусстве

В фантастических произведениях (играх, фильмах, аниме) гелий-3 иногда выступает в качестве основного топлива и как ценный ресурс, добываемый в том числе на Луне.

Основой сюжета британского научно-фантастического фильма 2009 года «Луна 2112 », является работа горнодобывающего комплекса компании «Лунар». Комплекс обеспечивает добычу изотопа гелий-3, с помощью которого удалось остановить катастрофический энергетический кризис на Земле.

В политической комедии «Железное небо », лунный гелий-3 стал причиной международного ядерного конфликта за право добычи.

В аниме «Planetes » гелий-3 используется как топливо для двигателей ракет и т. д.

Литература

• Dobbs E. R. Helium Three. - Oxford University press, 2000. ISBN 0-19-850640-6
• Галимов Э. М. Если у тебя есть энергия, ты можешь извлечь всё - Редкие земли. 2014. № 2. С. 6-12.
• The Helium-3 Shortage: Supply, Demand, and Options for Congress // FAS, December 22, 2010 (англ.)

Примечания

1. Audi G. , Wapstra A. H. , Thibault C.

ГИПОТЕЗЫ, ФАКТЫ, РАССУЖДЕНИЯ

Лунный Гелий-3 - термоядерное горючее будущего.

Комментарий автора сайта: С активацией американской Лунной космической программы всё чаще приходится слышать о том, что наряду с наличием воды, на Луне находятся огромные запасы изотопа гелия-3 - топлива ядерной энергетики будущего. Так ли это, какие перспективы это сулит человечеству, нужно ли вообще нам исследовать Луну и каким образом это можно осуществить - вот только небольшой перечень вопросов, ответы на которые Вы узнаете в данной статье, являющейся главой "Гелий-3" из книги академика РАН Эрика Михайловича Галимова "Замыслы и просчёты: Фундаментальные космические исследования в России последнего двадцатилетия. Двадцать лет бесплодных усилий."

Тот факт, что Луна обогащена гелием-3, известен с тех пор, как на Землю было впервые доставлено лунное вещество. В образцах лунного грунта, привезенных американскими астронавтами в ходе экспедиций «Аполлон» и доставленных советскими автоматическими аппаратами «Луна», относительная концентрация изотопа гелия 3 Не (отношение 3 Не/ 4 Не) оказалась в тысячу раз выше, чем в земном гелии. Это - результат облучения незащищенной атмосферой поверхности Луны корпускулярным излучением Солнца. В течение миллиардов лет в поверхностный пылевидный слой (реголит) Луны внедряются атомы элементов, испускаемых Солнцем, больше всего - водород и гелий в изотопном соотношении, присущем Солнцу. Другой факт - что 3 Не является эффективным термоядерным горючим - известен был физикам ещё раньше. Однако никакого практического вывода из этих фактов в те годы не делалось. Земная энергетика обеспечивалась за счёт быстро развивающейся добычи нефти и газа. Атомная энергетика базировалась на доступном урановом сырье. Управляемый термоядерный синтез не был осуществлен даже на более простой реакции дейтерия с тритием. На Земле гелий-3 в промышленных количествах отсутствует.

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.

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.

Машина для добычи гелия3 на луне уже готова, дело за малым - найти ему применение.

Когда говорят про гелий3, то имеют в виду реакции термоядерного слияния He3 + D -> He4 + H или He3 + He3 -> 2He4 + 2H . По сравнению с классической D + T -> He4 +n в продуктах реакции нет нейтронов, а значит нет активации сверхэнергичными нейтронами конструкции термоядерного реактора. Кроме того, проблемой считается тот факт, что нейтроны из “классики” уносят из плазмы 80% энергии, поэтому баланс самонагрева наступает при бОльшей температуре. Еще одним записываемым гелиевому варианту преимуществом является то, что электроэнергию можно снимать прямо с заряженных частиц реакции, а не нагревом нейтронами воды - как в старых угольных электростациях.

Так вот, все это - неправда, точнее очень маленькая часть правды.

Начнем с того, что при одинаковой плотности плазмы и оптимальной температуре реакция He3 + D даст в 40 раз меньше энерговыделение на кубометр рабочей плазмы. При этом температура, нужная для хотя бы 40 кратного разрыва будет в 10 раз выше - 100 кЭв (или один миллиард градусов ) против 10 для D +T. Сама по себе, такая температура вполне достижима (рекорд токамаков на сегодня - 50 кЭв, всего в два раза хуже), но что бы завязать энергобаланс (скорость остывания VS скорость нагрева в т.ч. самонагрева) нам нужно поднять в 50 раз энерговыделение с кубометра He3 +D реакции, что можно сделать только подняв плотность в те же в 50 раз. В сочетании с выросшей в 10 раз температурой это дает увеличение давления плазмы в 500 раз - с 3-5 атм до 1500-2500 атм, и такое же увеличение противодавления, что бы эту плазму удержать.

Зато картинки вдохновляющие.

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.

Ок, забудем про сложности, может преимущества этой реакции их окупают?

Разные термоядерные реакции, которые применимы для УТС. He3 + D дает слегка больше энергии, чем D + T, но на преодалевание кулоновского отталкивания тратится очень много энергии (заряд 3 а не 2), поэтому реакция идет медленно.

Начнем с нейтронов. Нейтроны в промышленном реакторе будут представлять собой серьезную проблему, повреждать материалы корпуса, греть все элементы обращенные к плазме настолько, что их придется охлаждать приличным расходом воды. А главное - активация материалов нейтронами приведут к тому, что и через 10 лет после остановки термоядерного реактора у нем будет тысячи тонн радиоактивных конструкций, которые невозможно разбирать руками, и которые будут вылеживаться уже в хранилище сотни и тысячи лет. Избавление от нейтронов очевидно бы облегчило задачу создания термоядерной электростанции.

Доля энергии, уносимая нейтронами. Если добавить побольше He3 в реактор, то можно снизить ее до 1%, но это еще ужесточит условия зажигания.

Ок, ну а как насчет прямого преобразования энергии заряженных частиц в электричество? Опыты показывают, что поток ионов с энергией 100 кЭв можно преобразовать в электричество с 80% кпд. У нас же тут нет нейтронов…. ну в смысле они не уносят всю энергию, которую мы можем получить только в виде тепла - давайте избавимся от паровых турбин и поставим ионные коллекторы?

Да, технологии прямого преобразования энергии плазмы в электроэнергию есть, они активно исследовались в 60х-70х, и показали кпд в районе 50-60% (не 80, надо заметить). Однако эта идея слабо применима как в D +T реакторах, так и в He3 +D. Почему это так, помогает понять вот эта картинка.

На ней показаны потери тепла плазмой по разным каналам. Сравните D+T и D + He3. Transport - это то, что можно использовать для прямого преобразования энергии плазмы в электричество. Если в D + T варианте у нас все забирают мерзкие нейтроны, то в случае He3 + D все забирает электромагнитное излучение плазмы, в основном синхротронное и рентгеновское тормозное (на картинке Bremsstrahlung). Ситуация практически симметричная, все равно надо отводить тепло от стенок и все равно прямым преобразованием мы не может вытащить больше 10-15% энергии термоядерного горения, а остальное - по старинке, через паросиловую машину.

Иллюстрация в исследовании по прямому преобразованию энергии плазмы на крупнейшей открытой ловушке Gamma-10 в японии.

Кроме теоретических ограничений есть и инженерные - в мире (в т.ч. в СССР) были потрачены гигантские усилия на создание установок прямого преобразования энергии плазмы в электричество для обычных электростанций, что позволяло поднять кпд с 35% до 55%. В основном на базе МГД-генераторов. 30 лет работы больших коллективов закончились пшиком - ресурс установки составлял сотни часов, когда энергетикам нужны тысячи и десятки тысяч. Гигантское количество ресурсов, потраченное на эту технологию привело, в частности, к тому, что наша страна отстала в производстве энергетических газовых турбин и установок парогазотурбинного цикла (которые дают ровно такое же повышение кпд - с 35 до 55%!).

Кстати, мощные сверхпроводящие магниты нужны и для МГД-генераторов. Здесь показаны СП магниты для 30 мегаваттного МГД-генератора.