Helijum formula 3. Helijum-tri je energija budućnosti. Sastav i struktura

Helijum 3 - energija budućnosti

Svi znamo da naše ulje nije beskonačno, a studije su dokazale i njegovo organsko porijeklo, što znači da je nafta neobnovljiv resurs. Ulje je zapaljiva uljasta tečnost, koja je mješavina ugljovodonika, crveno-smeđe, ponekad gotovo crne boje, iako je ponekad i blago žuto-zeleno, pa čak i bezbojno ulje, specifičnog mirisa, česta je u sedimentnoj ljusci. Zemlje; jedan od najvažnijih minerala. Ulje je mješavina od oko 1000 pojedinačnih supstanci, od kojih su većina tečni ugljovodonici. Nafta zauzima vodeće mjesto u globalnom bilansu goriva i energije: njen udio u ukupnoj potrošnji energetskih resursa iznosi 48%, zbog čega je nafta, kao izvor energije, toliko važna za čovječanstvo.

Trenutno su glavni izvori energije: termoelektrana, termoelektrana, nuklearna elektrana.

Na grafikonu se jasno vidi da se vodećom pozicijom mogu pohvaliti samo termoelektrane, koje kao gorivo koriste neobnovljive resurse, kao što su: nafta (sve vrste goriva koja se dobijaju iz nafte), ugalj, gas.

Hidroelektrane čine samo 20%, a čak i ako svijet počne koristiti maksimalan broj rijeka za hidroelektrane, ukupna energija koju ispuštaju sve hidroelektrane neće moći zadovoljiti potrebe čovječanstva.

Nuklearne elektrane zauzimaju samo 17% svjetske proizvodnje energije, upotreba reakcije fisije atoma povlači ozbiljne posljedice u vidu radijacije.

Sada se gas, ugalj, treset, energija fisije atoma (nuklearna energija) aktivno koriste kao alternativne sirovine, ali smo itekako svjesni da oni nisu u stanju u potpunosti zamijeniti naftu kao sirovinu za proizvodnju energije. A rezerve tog istog prirodnog gasa nisu beskrajne, koristeći ove alternativne sirovine samo ćemo odgoditi energetsku krizu.

Naučnici su svjesni problema koji dolazi za petama, te stvaraju i proučavaju alternativne izvore energije. Trenutno naučnici rade na projektima koji uključuju upotrebu:

Biogas

Biodizel

Bioetanol

Energija vjetra

Energija vodonika

Geotermalna energija

Solarne ćelije

Nuklearna energija

Termonuklearna energija (bazirana na upotrebi helijuma 3)

Glavni dio

Dakle, razmotrimo svaku alternativu posebno.

2.1 Biogas

Biometan je plin dobiven fermentacijom organskog otpada (biogas). Najprikladnije područje primjene bioplina je grijanje stočnih farmi, stambenih i tehnoloških prostora. Biogas se može koristiti i kao motorno gorivo. Višak proizvedenog goriva može se preraditi u električnu energiju pomoću dizel generatora.

Biometan ima nisku volumetrijsku koncentraciju energije. U normalnim uslovima, kalorijska vrednost je 1 litar. biometan je 33 - 36 kJ.

Biometan ima visoku otpornost na detonaciju, što smanjuje koncentraciju štetnih materija u izduvnim gasovima i smanjuje količinu naslaga u motoru.

Biometan kao motorno gorivo treba koristiti u transportnim motorima bilo u komprimiranom ili ukapljenom stanju. Međutim, glavna prepreka za široku upotrebu komprimovanog biometana kao motornog goriva, kao u slučaju komprimovanog prirodnog gasa, je transport značajne mase cilindara za gorivo.

U inostranstvu se problemu dobijanja i korišćenja biogasa poklanja velika pažnja. Za kratko vrijeme nastala je čitava industrija bioplina u mnogim zemljama svijeta: ako je 1980. godine u svijetu bilo oko 8 milijuna bioplinskih postrojenja ukupnog kapaciteta 1,7-2 milijarde kubnih metara. m godišnje, tada ove brojke trenutno odgovaraju produktivnosti biogasa samo jedne zemlje - Kine.

Prednosti bioplina uključuju:

Prijem energije bez dodatne emisije CO 2 .

Zatvoreni sistemi ne puštaju ili malo propuštaju mirise.

Poboljšanje trgovinske situacije i smanjenje zavisnosti od uvoznika energije.

Električna energija iz biogasa može se proizvoditi 24 sata dnevno.

Ne ovisi o vjetru/vodi/struji.

Poboljšanje đubrenja zemljišta.

2.2 Biodizel

Biodizel je gorivo na bazi biljnih ili životinjskih masti (ulja), kao i njihovih proizvoda esterifikacije. Primjenjuje se u motornom transportu u obliku raznih mješavina sa dizel gorivom.

Ekološki aspekti primjene:

Biodizel, kako su eksperimenti pokazali, ne šteti biljkama i životinjama kada uđe u vodu. Osim toga, podvrgava se gotovo potpunom biološkom raspadanju: u tlu ili u vodi, mikroorganizmi prerađuju 99% biodizela za 28 dana, što nam omogućava da govorimo o minimiziranju zagađenja rijeka i jezera.

Prednosti biodizela uključuju:

povećanje cetanskog broja i mazivosti, što produžava vijek trajanja motora;

značajno smanjenje štetnih emisija (uključujući CO, CO2, SO2, fine čestice i isparljiva organska jedinjenja);

Promovirajte čišćenje injektora, pumpi za gorivo i kanala za dovod goriva.

Nedostaci

U hladnoj sezoni potrebno je zagrijati gorivo koje ide iz rezervoara za gorivo do pumpe za gorivo ili koristiti mješavinu 20% BIODIZELA 80% dizel goriva.

2.3 Bioetanol

Bioetanol je tečno alkoholno gorivo čije su pare teže od vazduha. Proizvodi se od poljoprivrednih proizvoda koji sadrže škrob ili šećer, kao što su kukuruz, žitarice ili šećerna trska. Za razliku od alkohola, od kojeg se proizvode alkoholna pića, etanol za gorivo ne sadrži vodu i proizvodi se skraćenom destilacijom (dvije destilacijske kolone umjesto pet), stoga sadrži metanol i fuzelna ulja, kao i benzin, što ga čini nepitkom.

Bioetanol na bazi goriva proizvodi se na isti način kao i konvencionalni alkohol za hranu za proizvodnju alkoholnih pića, ali postoji nekoliko značajnih razlika.

Etanol se može proizvesti iz bilo koje sirovine koja sadrži šećer i škrob: šećerne trske i repe, krompira, jerusalimske artičoke, kukuruza, pšenice, ječma, raži itd.

Prednosti bioetanola uključuju:

Etanol ima visok oktanski broj

Bioetanol je razgradiv i ne zagađuje prirodno

sistemi vode

10% etanola u benzinu smanjuje toksičnost izduvnih gasova

smanjiti emisiju CO za 26%, emisiju dušikovih oksida

za 5%, čestice aerosola za 40%.

Etanol je jedini obnovljiv

tečno gorivo, čija upotreba u

kao aditiv benzinu ne zahteva modifikaciju

dizajni motora

Nema posebno izraženih nedostataka.

2.4. Snaga vjetra

Energija vjetra je neregulisani izvor energije. Učinak vjetroelektrane ovisi o jačini vjetra, vrlo varijabilnom faktoru. Shodno tome, izlaz električne energije iz vjetrogeneratora u elektroenergetski sistem je veoma neujednačen kako na dnevnom tako i na sedmičnom, mjesečnom, godišnjem i dugoročnom planu. S obzirom da sam energetski sistem ima heterogena energetska opterećenja (vrhovi i padovi potrošnje energije), koja se, naravno, ne mogu regulisati energijom vjetra, uvođenje značajnog udjela energije vjetra u energetski sistem doprinosi njegovoj destabilizaciji. Jasno je da energija vjetra zahtijeva rezervu snage u energetskom sistemu (na primjer, u obliku elektrana na plinske turbine), kao i mehanizme za izravnavanje heterogenosti njihove proizvodnje (u obliku hidroelektrana ili pumpnih elektrana). akumulacione elektrane). Ova karakteristika energije vjetra značajno povećava cijenu električne energije koja se dobija od njih. Mreže nerado povezuju vjetroturbine na mrežu, što je dovelo do toga da zakon to od njih zahtijeva.

Male samostalne vjetroturbine mogu imati problema sa mrežnom infrastrukturom, jer cijena dalekovoda i razvodnog uređaja za povezivanje na električnu mrežu može biti previsoka.

Velike vjetroturbine imaju značajne probleme popravke, jer je zamjena velikog dijela (lopatica, rotor i sl.) na visini većoj od 100 m složen i skup poduhvat.

Prednosti:

Ekološki prihvatljivo.

Sigurno za ljude (bez zračenja, bez otpada).

Glavni nedostaci:

Niska gustoća energije po jedinici površine vjetrobranskog točka; nepredvidive promjene brzine vjetra tokom dana i sezone, koje zahtijevaju rezervaciju vjetroelektrane ili akumulaciju proizvedene energije; negativan uticaj na staništa ljudi i životinja, na televizijske komunikacije i sezonske puteve migracije ptica.

2.5. Energija vodonika

Energija vodika je pravac u proizvodnji i potrošnji energije čovječanstva, zasnovan na korištenju vodonika kao sredstva za akumulaciju, transport i potrošnju energije ljudi, transportne infrastrukture i raznih proizvodnih područja. Vodik je izabran kao najčešći element na zemljinoj površini iu svemiru, toplota sagorevanja vodonika je najveća, a produkt sagorevanja u kiseoniku je voda (koja se ponovo uvodi u ciklus energije vodonika). Postoji nekoliko načina za proizvodnju vodonika:

Od prirodnog gasa

Gasifikacija uglja:

Elektroliza vode (*obrnuta reakcija)

Vodonik iz biomase

Prednosti:

ekološka čistoća vodikovog goriva.

obnovljivost.

izuzetno visoka efikasnost - 75%, što je skoro 2,5 puta više od one kod najmodernijih instalacija koje rade na naftu i gas.

Vodonik ima i ozbiljnije nedostatke. Prvo, u slobodnom plinovitom stanju ne postoji u prirodi, odnosno mora se eksploatirati. Drugo, vodonik je, kao gas, prilično opasan. Njegova mješavina sa zrakom najprije nevidljivo "gori", odnosno oslobađa toplinu, a zatim lako detonira od najmanje varnice. Klasičan primjer eksplozije vodika je nesreća u Černobilu, kada je vodonik nastao kao rezultat pregrijavanja cirkonija i vode koja je padala na njega, koja je potom detonirala. Treće, vodonik treba skladištiti negdje, i to u velikim posudama, jer ima malu gustinu. I može se komprimirati samo pod vrlo visokim pritiskom, otprilike 300 atmosfera.

2.6. geotermalna energija

Erupcija vulkana jasan je dokaz ogromne vrućine unutar planete. Naučnici procjenjuju temperaturu Zemljinog jezgra na hiljade stepeni Celzijusa. Ova temperatura postepeno opada od vrućeg unutrašnjeg jezgra, gdje naučnici vjeruju da metali i stijene mogu postojati samo u rastopljenom stanju, do površine Zemlje. Geotermalna energija može koristiti na dva glavna načina - za proizvodnju električne energije i za grijanje domova, institucija i industrijskih preduzeća. Za koje će od ovih namjena biti korišten ovisi o obliku u kojem dolazi u naš posjed. Ponekad voda izbija iz zemlje u obliku čiste „suhe pare“, tj. para bez primjesa kapljica vode. Ova suha para može se direktno koristiti za okretanje turbine i proizvodnju električne energije. Kondenzaciona voda se može vratiti u zemlju i, ako je dovoljno dobrog kvaliteta, ispustiti u obližnju vodnu površinu.

Transformacija toplotne energije okeana.

Ideja o korištenju temperaturne razlike oceanskih voda za proizvodnju električne energije pojavila se prije oko 100 godina, tačnije 1981. godine. Francuski fizičar Jacques D. Arsonval objavio je rad o solarnoj energiji mora. U to vrijeme se već mnogo znalo o sposobnosti okeana da prima i skladišti toplinsku energiju. Poznat je i mehanizam nastanka oceanskih struja i glavne zakonitosti u formiranju temperaturnih razlika između površinskih i dubokih slojeva vode.

Korištenje temperaturne razlike moguće je u tri glavna smjera: direktna konverzija zasnovana na termoelementima, pretvaranje topline u mehaničku energiju u termalnim mašinama i pretvaranje u mehaničku energiju u hidrauličkim mašinama korištenjem razlike u gustini tople i hladne vode.

Prednosti:

Gotovo su bez održavanja.

Jedna od prednosti geotermalne elektrane je to što, u odnosu na elektranu na fosilna goriva, emituje oko dvadeset puta manje ugljičnog dioksida pri proizvodnji iste količine električne energije, čime se smanjuje njen utjecaj na globalnu okolinu.

Glavna prednost geotermalne energije je njena praktična neiscrpnost i potpuna nezavisnost od uslova okoline, doba dana i godine.

Koji problemi nastaju prilikom korištenja podzemnih termalnih voda? Glavna je potreba da se otpadna voda ponovo ubrizgava u podzemni vodonosnik. Termalne vode sadrže veliku količinu soli raznih toksičnih metala (npr. bor, olovo, cink, kadmij, arsen) i hemijskih jedinjenja (amonijak, fenoli), što isključuje ispuštanje ovih voda u prirodne vodne sisteme koji se nalaze na površini. .

2.7. Solarne ćelije

Kako rade solarne ćelije:

solarno Ćelije (SC) su napravljene od materijala koji direktno pretvaraju sunčevu svjetlost u električnu energiju. Većina trenutno komercijalno proizvedenih solarnih ćelija napravljena je od silicija.

Posljednjih godina razvijene su nove vrste materijala za solarne ćelije. Na primjer, tankoslojne solarne ćelije napravljene od bakar-indijum-dizelenida i CdTe (kadmijum telurid). Ovi SC-ovi su također nedavno komercijalno korišteni.

Prednosti:

Energija sunca je skoro beskonačna

Ekološki prihvatljivo

Sigurno za ljude i prirodu

Nedostaci: Solarna elektrana ne radi noću i ne radi efikasno u jutarnjim i večernjim sumracima. Istovremeno, vrhunac potrošnje energije pada u večernjim satima. Osim toga, kapacitet elektrane može dramatično i neočekivano fluktuirati zbog vremenskih promjena. Zbog relativno male vrijednosti solarne konstante, solarna energija zahtijeva korištenje velikih površina zemljišta za elektrane (na primjer, za elektranu od 1 GW to može biti nekoliko desetina kvadratnih kilometara). Unatoč ekološkoj čistoći primljene energije, same solarne ćelije sadrže otrovne tvari, kao što su olovo, kadmij, galij, arsen itd., a za njihovu proizvodnju se troši mnogo drugih opasnih tvari. Moderne fotoćelije imaju ograničen vijek trajanja (30-50 godina), a masovna upotreba uskoro će pokrenuti teško pitanje njihovog odlaganja, koje također još uvijek nema ekološki prihvatljivo rješenje.

2.8. Nuklearna energija

Nuklearna energija (atomska energija), unutrašnja energija atomskih jezgri koja se oslobađa tokom nuklearnih transformacija (nuklearne reakcije). Korištenje nuklearne energije zasniva se na realizaciji lančanih reakcija fisije teških jezgara i reakcija termonuklearne fuzije - fuzije lakih jezgara; i te i druge reakcije su praćene oslobađanjem energije.Na primjer, prilikom fisije jednog jezgra oslobađa se oko 200 MeV. Potpunom fisijom jezgri smještenih u 1 g uranijuma oslobađa se energija 2,3 * 104 kWh. Ovo je ekvivalentno energiji dobijenoj sagorevanjem 3 tone uglja ili 2,5 tone nafte. Kontrolisana reakcija nuklearne fisije koristi se u nuklearnim reaktorima.

Prednosti:

niske i održive (u odnosu na cijenu goriva) cijene električne energije;

Srednji uticaj na životnu sredinu.

Nedostaci nuklearnih elektrana:

Ozračeno gorivo je opasno, zahtijeva složene i skupe mjere prerade i skladištenja;

Nepoželjan način rada s promjenjivom snagom za reaktore koji rade na termalnim neutronima;

Uz malu vjerovatnoću incidenata, njihove posljedice su izuzetno teške

Velika kapitalna ulaganja, kako specifična, po 1 MW instalirane snage za blokove snage manje od 700-800 MW, tako i opšta, neophodna za izgradnju stanice, njene infrastrukture, kao i u slučaju eventualne likvidacije.

Sve gore navedene alternative nafti imaju jednu, ali vrlo značajnu manu, NIJE u mogućnosti da u potpunosti zamjene naftu kao energent. Samo korištenje termonuklearne energije može pomoći u ovoj situaciji.

2.9 Termonuklearna energija

Termonuklearna energija uz učešće helijuma 3 je sigurna i visokokvalitetna energija.

termonuklearne reakcije. Oslobađanje energije tokom fuzije jezgara lakih atoma deuterijuma, tricijuma ili litijuma sa stvaranjem helijuma javlja se u toku termonuklearnih reakcija. Ove reakcije se nazivaju termonuklearnim jer se mogu odvijati samo na vrlo visokim temperaturama. Inače, sile električnog odbijanja ne dopuštaju jezgrima da se približe toliko da počnu djelovati nuklearne sile privlačenja. Reakcije nuklearne fuzije izvor su energije zvijezda. Iste reakcije se dešavaju i prilikom eksplozije hidrogenske bombe. Implementacija kontrolirane termonuklearne fuzije na Zemlji obećava čovječanstvu novi, praktično neiscrpan izvor energije. Najperspektivnija u tom pogledu je reakcija fuzije deuterija i tricijuma.

Ako koristite deuterijum s izotopom helija-3 u fuzijskom reaktoru umjesto materijala koji se koriste u nuklearnoj energiji. Intenzitet neutronskog fluksa opada za faktor 30 - prema tome, moguće je lako osigurati radni vijek reaktora od 30-40 godina (shodno tome se smanjuje količina emitiranog zračenja). Nakon završetka rada helijumskog reaktora ne stvara se visokoaktivni otpad, a radioaktivnost konstruktivnih elemenata bit će toliko niska da se mogu doslovno zatrpati na gradskoj deponiji, lagano posuti zemljom.

U čemu je problem? Zašto još uvijek ne koristimo tako isplativo fuzijsko gorivo?

Prije svega, zato što je ovaj izotop izuzetno mali na našoj planeti. Rođen je na Suncu, zbog čega se ponekad naziva i "solarnim izotopom". Njegova ukupna masa tamo premašuje težinu naše planete. Helijum-3 se prenosi u okolni prostor solarnim vetrom. Zemljino magnetsko polje odbija značajan dio ovog vjetra, pa stoga helijum-3 čini samo trilionti dio Zemljine atmosfere - oko 4000 tona, a na samoj Zemlji je još manje - oko 500 kg.

Na Mjesecu ima mnogo više ovog izotopa. Tamo je prošaran u lunarnom tlu "regolit", koji po sastavu podsjeća na običnu šljaku. Govorimo o ogromnim - gotovo neiscrpnim rezervama!

Analiza šest uzoraka tla koje su donijele ekspedicije Apollo i dva uzorka koje su dostavile sovjetske automatske stanice Luna pokazala je da regolit koji pokriva sva mora i visoravni Mjeseca sadrži do 106 tona helijuma-3, što bi zadovoljilo potrebe Zemljina energija, čak i uvećana u poređenju sa modernom za nekoliko puta, za milenijum! Prema savremenim procjenama, rezerve helijuma-3 na Mjesecu su tri reda veličine veće - 109 tona.

Osim Meseca, helijum-3 se može naći i u gustim atmosferama džinovskih planeta, a, prema teorijskim procenama, njegove rezerve samo na Jupiteru iznose 1020 tona, što bi bilo dovoljno za napajanje Zemlje do kraja vremena .

Projekti proizvodnje helijuma-3

Regolit prekriva Mjesec slojem debljine nekoliko metara. Regolit lunarnih mora bogatiji je helijumom od regolita visoravni. 1 kg helijuma-3 nalazi se u približno 100.000 tona regolita.

Stoga, da bi se izdvojio dragocjeni izotop, potrebno je obraditi ogromnu količinu mrvičastog mjesečevog tla.

Uzimajući u obzir sve karakteristike, tehnologija proizvodnje helija-3 trebala bi uključivati sljedeće procese:

1. Ekstrakcija regolita.

Specijalni "kombateri" će sakupljati regolit sa površinskog sloja debljine oko 2 m i dopremati ga do preradnih punktova ili prerađivati direktno u rudarskom procesu.

2. Oslobađanje helijuma iz regolita.

Kada se regolit zagrije na 600°C, oslobađa se (desorbira) 75% helijuma sadržanog u regolitu; kada se zagrije na 800°C, oslobađa se gotovo sav helijum. Predlaže se zagrijavanje prašine u posebnim pećima, fokusirajući sunčevu svjetlost bilo plastičnim sočivima ili ogledalima.

3. Isporuka na Zemlju svemirskim brodom za višekratnu upotrebu.

Prilikom ekstrakcije helijuma-3 iz regolita se izdvajaju i brojne tvari: vodonik, voda, dušik, ugljični dioksid, dušik, metan, ugljični monoksid, koji mogu biti korisni za održavanje lunarnog industrijskog kompleksa.

Projekat prvog lunarnog kombinata, dizajniranog za obradu regolita i izdvajanje izotopa helijuma-3 iz njega, predložila je grupa J. Kulčinskog. Privatne američke kompanije trenutno razvijaju nekoliko prototipova, koji će, po svemu sudeći, biti predati konkurenciji nakon što NASA odluči o karakteristikama buduće ekspedicije na Mjesec.

Jasno je da će, osim isporuke kombajna na Mjesec, morati izgraditi skladišta, useljivu bazu (za servisiranje cijelog kompleksa opreme), svemirsku luku i još mnogo toga. Vjeruje se, međutim, da će se visoki troškovi stvaranja razvijene infrastrukture na Mjesecu itekako isplatiti s obzirom na to da dolazi globalna energetska kriza, kada će tradicionalni tipovi energenata (ugalj, nafta, prirodni plin) moraju biti napušteni.

S obzirom da će nafta nestati za 35-40 godina, imamo dovoljno vremena da realizujemo takav projekat. A upravo će zemlja koja će to moći implementirati biti lider u budućnosti, a ako udružimo napore, možemo postići veće rezultate iu bržem roku.

I onda, zašto termonuklearna energija? Jer:

Veliki izvor energije sa obilnim i dostupnim gorivom svuda.

Veoma nizak globalni uticaj na životnu sredinu - nema emisije CO2.

- Za "svakodnevni rad" elektrane nije potreban transport radioaktivnih materijala.

Elektrana je bezbedna, bez mogućnosti "opadanja" ili "nekontrolisane reakcije".

Nema radioaktivnog otpada, koji ne stvara problem budućim generacijama.

Isplativo je: potrebno je oko 100 kg deuterijuma da se proizvede 1 GW energije i 3 tone prirodnog litijuma za upotrebu tokom cijele godine, proizvodeći oko 7 milijardi kWh

3. Zaključak

Dakle, energija je važan resurs neophodan za udobno postojanje čovječanstva. A vađenje energije je jedan od glavnih problema čovječanstva. Danas se nafta aktivno koristi kao izvor električne energije i energije za gorivo, ali nije beskonačna, a njene rezerve se svake godine samo smanjuju. A sadašnje razvijene alternative ne dopuštaju potpunu zamjenu ulja ili imaju ozbiljne nedostatke.

Danas je jedini izvor energije koji može obezbijediti potrebnu količinu energije za cijelo čovječanstvo, a da pritom nema ozbiljnih nedostataka, termonuklearna energija zasnovana na upotrebi helijuma 3. Tehnologija dobijanja energije iz ove reakcije je naporna i zahtijeva velika ulaganja, ali tako dobijena energija je ekološki prihvatljiva i računa se u milijardama kilovata.

Ako dobijete jeftinu i ekološki prihvatljivu energiju, možete što je više moguće zamijeniti naftu, na primjer, napustiti benzinske motore u korist električnih, proizvoditi toplinu koristeći električnu energiju itd. Tako će nafta, kao sirovina za hemijsku proizvodnju, biti dovoljan čovječanstvu za mnoga naredna stoljeća.

Stoga je na Mjesecu (koji je glavni izvor helijuma 3) potrebno stvoriti industriju. Da biste stvorili industriju, morate imati plan razvoja, a to je pitanje nekoliko godina i što prije počnete, to bolje. Jer ako to već morate učiniti u bezizlaznoj situaciji (na primjer, za vrijeme energetske krize), hitno, to će rezultirati potpuno drugačijim troškovima.

A zemlja koja se brže razvija u tom pravcu postaće lider u budućnosti. Jer energija je budućnost.

4. Spisak korišćene literature

1. http://ru.wikipedia.org/ - svjetska enciklopedija

2. http://www.zlev.ru/61_59.htm - Časopis "Zlatni lav" br. 61-62 - publikacija ruske konzervativne misli, Kada će nestati nafte?

3. http://www.vz.ru/society/2007/11/25/127214.html - POGLED / Kad nestane ulja

4. http://vz.ru/economy/2007/11/1/121681.html - POGLED / Svijetu ponestaje nafte

5. http://bio.fizteh.ru/departments/physchemplasm/topl_element.html ->Alternativa ulju?. Fakultet za molekularnu i biološku fiziku, Moskovski institut za fiziku i tehnologiju. "Phystech-Portal", "Phystech-Centar"

6. http://encycl.accoona.ru/?id=74848 - NUKLEARNA ENERGIJA - Internet enciklopedija, eksplanatorni rečnik.

7. http://www.vepr.ru/show.html?id=7 - Odakle dolazi struja (istorija pojave)

8. http://www.bioenergy.by/mejdu_1.htm - Energija biomase. UNDP/GEF projekat BYE/03/G31 u Bjelorusiji

9. http://bibliotekar.ru/alterEnergy/37.htm - Prednosti i nedostaci energije vjetra. Principi konverzije energije vjetra. Snaga vjetra

10. http://www.smenergo.ru/hydrogen_enegry/ - Energija vodika. Energija i energetika.

11. http://works.tarefer.ru/89/100323/index.html Primarni izvori energije i fuzijska energija

12. http://tw.org.ua/board/index.php?showtopic=162 - Termonuklearna energija

13. http://www.helium3.ru/main.php?video=yes - Helium-3, Helium-3

14. http://razrabotka.ucoz.ru/publ/4-1-0-16 - HELIJ-TRI - ENERGIJA BUDUĆNOSTI - lunarni program - Katalog artikala - Razvoj

15. http://www.fp7-bio.ru/presentations/fisheries/bioetanol.pdf/at_download/file - energija budućnosti

16. http://www.scienmet.net/ - Vjetrogenerator, energija vjetra

17. http://oil-resources.info - izvori goriva

18.http://ru.wikipedia.org/wiki/Hydrogen_energy.

19.http://www.ruscourier.ru/archive/2593 - nedostaci vodonika

20. http://www.intersolar.ru/geothermal/pressa/rbsgeo.html - Energija iz dubina - www.intersolar.ru

21.http://web-japan.org/nipponia/nipponia28/en/feature/feature09.html - NIPPONIA br.28 15. marta 2004.

22. http://www.kti.ru/forum/img/usersf/pic_41.doc - alternativni izvori energije

23. http://www.rosnpp.org.ru/aes_preimush.shtml - nuklearne elektrane

24. http://www.atomstroyexport.ru/nuclear_market/advantage/ - nuklearna energija

25. http://solar-battery.narod.ru/termoyad.htm - termonuklearna energija u akciji

26.http://business.km.ru/magazin/view.asp?id=7B07CB0288D54DC0AC68C60AF246D693 - Poslovni KM.RU. Budućnost ruske energetske industrije leži u biogorivima i termonuklearnoj energiji

Sastav i struktura

Physical Properties

Upotreba

Brojači neutrona

Za detekciju neutrona koriste se plinski brojači punjeni helijumom-3. Ovo je najčešća metoda za mjerenje neutronskog fluksa. Oni reaguju

n+ 3 He → 3 H + 1 H + 0,764 MeV.

Nabijene produkte reakcije - triton i proton - registruje gasni brojač koji radi u režimu proporcionalnog brojača ili Geiger-Muller brojača.

Postizanje ultraniskih temperatura

Otapanjem tečnog helijuma-3 u helijum-4 postižu se milikelvinske temperature.

Lek

Polarizovani helijum-3 (može se čuvati dugo vremena) nedavno se koristio u magnetnoj rezonanciji za snimanje pluća pomoću nuklearne magnetne rezonance.

Cijena

Prosječna cijena helijuma-3 u 2009. bila je 930 dolara po litru.

Helijum-3 kao nuklearno gorivo

Reakcija 3 He + D → 4 He + p ima niz prednosti u odnosu na najostvariviju deuterijum-tricijumsku reakciju T + D → 4 He + n u zemaljskim uslovima. Ove pogodnosti uključuju:

Nedostaci reakcije helijum-deuterijum uključuju znatno viši temperaturni prag. Temperatura od oko milijardu stepeni mora biti dostignuta pre nego što počne.

Trenutno se helijum-3 ne ekstrahuje iz prirodnih izvora, već se stvara veštački, tokom raspada tricijuma. Potonji je proizveden za termonuklearno oružje zračenjem bora-10 i litija-6 u nuklearnim reaktorima.

Planovi iskopavanja helijuma-3 na Mjesecu

Helijum-3 je nusproizvod reakcija koje se odvijaju na Suncu. Na Zemlji se vadi u vrlo malim količinama, procjenjuju se na nekoliko desetina grama godišnje.

Nestabilan (manje od jednog dana): 5 He: Helijum-5, 6 He: Helijum-6, 7 He: Helijum-7, 8 He: Helijum-8, 9 He: Helijum-9, 10 He: Helijum-10

Wikimedia fondacija. 2010 .

Pogledajte šta je "helijum-3" u drugim rječnicima:

- (lat. Helijum) He, hemijski element VIII grupe periodnog sistema, atomski broj 2, atomska masa 4,002602, pripada plemenitim gasovima; bez boje i mirisa, gustina 0,178 g/l. Teže se ukapljuje od svih poznatih gasova (na 268,93°C); ... ... Veliki enciklopedijski rječnik

- (grčki, od helyos sunca). Elementarno tijelo otkriveno u sunčevom spektru i prisutno na Zemlji u nekim rijetkim mineralima; je prisutan u vazduhu u tragovima. Rječnik stranih riječi uključenih u ruski jezik. Čudinov A.N ... Rečnik stranih reči ruskog jezika

- (simbol He), gasoviti nemetalni element, PLEMENI GAS, otkriven 1868. godine. Prvi put dobijen iz minerala klevita (raznovrsnost uranita) 1895. Trenutno je njegov glavni izvor prirodni gas. Takođe sadržano u... Naučno-tehnički enciklopedijski rečnik

Ja, muž. , stari Eliy, I. Otac: Gelievich, Gelievna Derivati: Gelya (Gela); Elya Poreklo: (od grč. hēlios sunce.) Imendan: 27. jul Rečnik ličnih imena. Helijum Vidi Ellius. Day Angel. Referenca… Rječnik ličnih imena

HELIJ- chem. element, simbol He (lat. Helium), at. n. 2, at. m. 4.002, odnosi se na inertne (plemenite) gasove; bez boje i mirisa, gustine 0,178 kg/m3. U normalnim uslovima, vodonik je jednoatomski gas, čiji se atom sastoji od jezgra i dva elektrona; formirana... Velika politehnička enciklopedija

Helijum-tri. Čudna i nerazumljiva fraza. Međutim, što dalje idemo, to ćemo više čuti. Jer, prema mišljenju stručnjaka, helijum-tri će spasiti naš svijet od nadolazeće energetske krize. I u ovom poduhvatu najaktivnija uloga je data Rusiji.

Mjesec

Obećavajuća termonuklearna energija, koja kao osnovu koristi reakciju fuzije deuterij-tricij, iako je sigurnija od energije nuklearne fisije koja se koristi u modernim nuklearnim elektranama, ipak ima niz značajnih nedostataka.

Prvo, ova reakcija oslobađa mnogo veći (za red veličine!) broj neutrona visoke energije. Nijedan od poznatih materijala ne može izdržati tako intenzivan neutronski tok duže od šest godina – uprkos činjenici da ima smisla napraviti reaktor sa resursom od najmanje 30 godina. Shodno tome, prvi zid tricijumskog fuzionog reaktora će biti potrebno zamijeniti - a to je vrlo komplicirana i skupa procedura, koja je povezana i sa gašenjem reaktora na prilično dug period.
Drugo, potrebno je zaštititi magnetni sistem reaktora od snažnog neutronskog zračenja, što komplicira i, shodno tome, povećava cijenu dizajna.
Treće, mnogi elementi dizajna tricijumskog reaktora nakon završetka rada bit će vrlo aktivni i zahtijevat će dugotrajno sahranjivanje u skladištima posebno stvorenim za tu svrhu.

U slučaju korištenja deuterija s izotopom helijuma-3 umjesto tritijuma u termonuklearnom reaktoru, većina problema se može riješiti. Intenzitet neutronskog toka opada za faktor 30 - prema tome, lako je osigurati vijek trajanja od 30-40 godina. Nakon završetka rada helijumskog reaktora ne stvara se visokoaktivni otpad, a radioaktivnost konstruktivnih elemenata bit će toliko niska da se mogu doslovno zatrpati na gradskoj deponiji, lagano posuti zemljom.

Šta je problem? Zašto još uvijek ne koristimo tako isplativo fuzijsko gorivo?

Na Mjesecu ima mnogo više ovog izotopa. Tamo je prošaran u lunarnom tlu "regolit", koji po sastavu podsjeća na običnu šljaku. Govorimo o ogromnim - gotovo neiscrpnim rezervama!

Analiza šest uzoraka tla koje su donijele ekspedicije Apollo i dva uzorka dostavljena sovjetskim automatskim stanicama " Mjesec“, pokazao je da regolit koji pokriva sva mora i visoravni Mjeseca sadrži do 106 tona helijuma-3, koji bi za milenijum zadovoljio potrebe zemljine energije, čak i nekoliko puta uvećane u odnosu na moderne! Prema savremenim procjenama, rezerve helijuma-3 na Mjesecu su tri reda veličine veće - 109 tona.

Projekti proizvodnje helijuma-3

Regolit prekriva Mjesec slojem debljine nekoliko metara. Regolit lunarnih mora bogatiji je helijumom od regolita visoravni. 1 kg helijuma-3 nalazi se u približno 100.000 tona regolita.

Stoga, da bi se izdvojio dragocjeni izotop, potrebno je obraditi ogromnu količinu mrvičastog mjesečevog tla.

Uzimajući u obzir sve karakteristike, tehnologija proizvodnje helija-3 trebala bi uključivati sljedeće procese:

1. Ekstrakcija regolita.

Specijalni "kombateri" će sakupljati regolit sa površinskog sloja debljine oko 2 m i dopremati ga do preradnih punktova ili prerađivati direktno u rudarskom procesu.

2. Oslobađanje helijuma iz regolita.

3. Isporuka na Zemlju svemirskim brodom za višekratnu upotrebu.

Glavni tehnološki problem

Na putu stvaranja energije na bazi helijuma-3 postoji jedan važan problem. Činjenica je da je reakciju deuterijum-helijum-3 mnogo teže provesti od reakcije deuterijum-tricijum.

Prije svega, izuzetno je teško zapaliti mješavinu ovih izotopa. Izračunata temperatura na kojoj će se odvijati termonuklearna reakcija u smjesi deuterijum-tricijum je 100-200 miliona stepeni. Kada se koristi helijum-3, potrebna temperatura je dva reda veličine viša. U stvari, moramo upaliti malo sunce na Zemlji.

Međutim, istorija razvoja nuklearne energije (poslednjih pola veka) pokazuje povećanje generisanih temperatura za red veličine tokom 10 godina. Godine 1990. helijum-3 je već spaljen na evropskom JET tokamaku, a rezultirajuća snaga je bila 140 kW. Otprilike u isto vrijeme, američki tokamak TFTR dostigao je temperaturu potrebnu za početak reakcije u smjesi deuterijuma i helijuma.

Međutim, zapaliti smjesu je pola bitke. Loša strana termonuklearne energije je teškoća ostvarivanja praktičnih povrata, jer je radno tijelo plazma zagrijana na više miliona stepeni, koja se mora držati u magnetnom polju.

Eksperimenti pripitomljavanja plazmom izvode se dugi niz decenija, ali su tek krajem juna prošle godine u Moskvi predstavnici niza zemalja potpisali sporazum o izgradnji Međunarodnog termonuklearnog eksperimentalnog reaktora (ITER) na jugu Francuske godine. grad Cadarache, prototip praktične termonuklearne elektrane. ITER će koristiti deuterijum i tricijum kao gorivo.

Fuzijski reaktor na heliju-3 bit će strukturno složeniji od ITER-a, a za sada ga nema ni u projektima. I iako se stručnjaci nadaju da će se prototip helijum-3 reaktora pojaviti u narednih 20-30 godina, ova tehnologija ostaje čista fantazija.

Pitanje proizvodnje helijuma-3 analizirali su stručnjaci tokom saslušanja o budućem istraživanju i istraživanju Mjeseca, održanih u aprilu 2004. godine u Podkomitetu za svemir i aeronautiku Komiteta za nauku Doma poslanika američkog Kongresa. Njihov zaključak je bio nedvosmislen: čak i u dalekoj budućnosti, vađenje helijuma-3 na Mjesecu je potpuno neisplativo.

Kao što je John Logsdon, direktor Instituta za svemirsku politiku u Washingtonu, rekao: „Američka svemirska zajednica ne smatra iskopavanje helijuma-3 ozbiljnim izgovorom za povratak na Mjesec. Letjeti tamo za ovim izotopom je kao poslati Kolumba u Indiju po uranijum prije pet stotina godina. Može da donese, i doneo bi, samo nekoliko stotina godina niko ne bi znao šta da radi sa tim.

Iskopavanje helijuma-3 kao nacionalni projekat

“Sada govorimo o termonuklearnoj energiji budućnosti i novoj ekološkoj vrsti goriva koja se ne može proizvesti na Zemlji. Govorimo o industrijskom razvoju Mjeseca za ekstrakciju helijuma-3.

Ovu izjavu šefa raketno-kosmičke korporacije Energia Nikolaja Sevastjanova ruski naučni posmatrači doživjeli su kao prijavu za formiranje novog "nacionalnog projekta".

Zaista, jedna od glavnih funkcija države, posebno u 20. stoljeću, bila je upravo formuliranje zadataka za društvo na rubu mašte. To se odnosilo i na sovjetsku državu: elektrifikacija, industrijalizacija, stvaranje atomske bombe, prvi satelit, skretanje rijeka.

Danas u Ruskoj Federaciji država pokušava, ali nije u stanju da formuliše zadatke na ivici nemogućeg. Državi treba neko da joj pokaže nacionalni projekat i opravda koristi koje teoretski proizilaze iz ovog projekta. Program razvoja i proizvodnje helijuma-3 sa Meseca na Zemlju za snabdevanje termonuklearnom energijom gorivom idealno ispunjava ove zahteve.

„Samo mislim da postoji nedostatak nekog velikog tehnološkog problema“, rekao je u intervjuu Aleksandar Zaharov, doktor fizičko-matematičkih nauka, naučni sekretar Instituta za svemirska istraživanja Ruske akademije nauka. - Možda su se zbog toga nedavno pokrenuli svi ti razgovori o proizvodnji helijuma-3 na Mjesecu za termonuklearnu energiju. Ako a Mjesec- izvor minerala, i odatle da se nosi ovaj helijum-3, ali nema dovoljno energije na Zemlji... Sve je to razumljivo, jako lepo zvuči. A za to je, možda, lako uvjeriti utjecajne ljude da izdvajaju novac. Mislim da je tako”.

Planirano je da se ovaj izotop vadi na Mjesecu za potrebe termonuklearne energije. Međutim, ovo je pitanje daleke budućnosti. Ipak, helijum-3 je danas izuzetno tražen, posebno u medicini.

Vladimir Teslenko

Ukupna količina helijuma-3 u Zemljinoj atmosferi procjenjuje se na samo 35.000 tona, a njegov protok iz plašta u atmosferu (kroz vulkane i rasjede u kori) iznosi nekoliko kilograma godišnje. U lunarnom regolitu, helijum-3 se postepeno akumulirao tokom stotina miliona godina izlaganja sunčevom vetru. Kao rezultat, tona lunarnog tla sadrži 0,01 g helijuma-3 i 28 g helijuma-4; ovaj izotopski odnos (~0,04%) je mnogo veći nego u Zemljinoj atmosferi.

Ambiciozni planovi za vađenje helijuma-3 na Mesecu, o kojima ozbiljno razmišljaju ne samo svemirski lideri (Rusija i Sjedinjene Države), već i novopridošlice (Kina i Indija), povezani su sa nadama koje se polažu u ovaj izotop. od strane energetske industrije. Nuklearna reakcija 3He+D→4He+p ima niz prednosti u odnosu na najostvariviju deuterijum-tricijumsku reakciju T+D→4He+n u zemaljskim uslovima.

Ove prednosti uključuju desetak puta manji tok neutrona iz reakcione zone, što dramatično smanjuje indukovanu radioaktivnost i degradaciju konstruktivnih materijala reaktora. Osim toga, jedan od proizvoda reakcije, protoni, za razliku od neutrona, se lako hvataju i mogu se koristiti za stvaranje dodatne električne energije. Istovremeno, i helijum-3 i deuterijum su neaktivni, njihovo skladištenje ne zahteva posebne mere predostrožnosti, a u slučaju havarije reaktora sa smanjenjem pritiska jezgre, radioaktivnost ispuštanja je blizu nule. Reakcija helijum-deuterijum takođe ima ozbiljan nedostatak - znatno viši temperaturni prag (za početak reakcije potrebna je temperatura od milijardu stepeni).

Iako je sve ovo pitanje budućnosti, helijum-3 je i sada izuzetno tražen. Istina, ne za energetiku, već za nuklearnu fiziku, kriogenu industriju i medicinu.

Magnetna rezonanca

Od svog osnivanja u medicini, magnetna rezonanca (MRI) je postala jedna od glavnih dijagnostičkih metoda koja vam omogućava da bez ikakve štete pogledate "unutra" različite organe.

Otprilike 70% mase ljudskog tijela otpada na vodonik, čije jezgro, proton, ima određeni spin i povezani magnetni moment. Ako se proton smjesti u vanjsko konstantno magnetsko polje, spin i magnetski moment su orijentirani ili duž polja ili prema njemu, a energija protona u prvom slučaju će biti manja nego u drugom. Proton se može prenijeti iz prvog stanja u drugo prenošenjem na njega strogo definirane energije jednake razlici između ovih energetskih nivoa, na primjer, zračenjem ga kvantima elektromagnetnog polja na određenoj frekvenciji.

Kako magnetizirati helijum-3

Najjednostavniji i najdirektniji način za magnetiziranje helija-3 je hlađenje u jakom magnetnom polju. Međutim, efikasnost ove metode je vrlo niska, štoviše, zahtijeva jaka magnetna polja i niske temperature. Stoga se u praksi koristi metoda optičkog pumpanja - prijenos spina na atome helijuma iz polariziranih fotona pumpe. U slučaju helijuma-3, to se događa u dvije faze: optičko pumpanje u metastabilnom stanju i spinska razmjena između atoma helijuma u osnovnom i metastabilnom stanju. Tehnički, ovo se ostvaruje zračenjem ćelije helijumom-3, prevedenom u metastabilno stanje slabim visokofrekventnim električnim pražnjenjem, laserskim zračenjem kružne polarizacije u prisustvu slabog magnetnog polja. Polarizovani helijum se može čuvati u posudi obloženoj cezijumom pod pritiskom od 10 atmosfera oko 100 sati.

Upravo tako radi MR skener, samo što ne detektuje pojedinačne protone. Ako uzorak koji sadrži veliki broj protona stavimo u snažno magnetsko polje, tada će brojevi protona s magnetskim momentom usmjerenim duž i suprotno od polja biti približno jednaki. Ako ovaj uzorak počnemo zračiti elektromagnetnim zračenjem striktno definirane frekvencije, svi protoni s magnetskim momentom (i spinom) "duž polja" će se preokrenuti, zauzimajući položaj "prema polju". U ovom slučaju dolazi do rezonantne apsorpcije energije, a tokom procesa vraćanja u početno stanje, zvanog relaksacija, dolazi do ponovne emisije primljene energije, što se može detektovati. Ovaj fenomen se naziva nuklearna magnetna rezonanca, NMR. Prosječna polarizacija tvari, od koje ovisi korisni signal u NMR, direktno je proporcionalna jačini vanjskog magnetskog polja. Da bi se dobio signal koji se može detektovati i odvojiti od šuma, potreban je supravodljivi magnet - samo on može stvoriti magnetsko polje s indukcijom reda 1-3 T.

magnetni gas

MR tomograf "vidi" klastere protona, stoga je odličan za proučavanje i dijagnosticiranje mekih tkiva i organa koji sadrže velike količine vodika (uglavnom u obliku vode), a također omogućava razlikovanje magnetskih svojstava molekula. Na taj način možete, recimo, razlikovati arterijsku krv koja sadrži hemoglobin (glavni nosač kisika u krvi) od venske krvi koja sadrži paramagnetski deoksihemoglobin - to je osnova fMRI (funkcionalne MRI), koja vam omogućava da pratite aktivnost mozga neurona.

Ali, nažalost, takva divna tehnika kao što je MRI potpuno je neprikladna za proučavanje pluća ispunjenih zrakom (čak i ako ih napunite vodikom, signal iz plinovitog medija male gustoće bit će preslab u odnosu na pozadinu buke). A meka tkiva pluća nisu baš dobro vidljiva uz pomoć MRI, jer su "porozna" i sadrže malo vodonika.

Da li je moguće zaobići ovo ograničenje? Moguće je ako koristite "magnetizirani" plin - u ovom slučaju prosječna polarizacija neće biti određena vanjskim poljem, jer će svi (ili skoro svi) magnetni momenti biti orijentirani u jednom smjeru. I to uopće nije fikcija: 1966. godine francuski fizičar Alfred Kastler dobio je Nobelovu nagradu s tekstom "Za otkriće i razvoj optičkih metoda za proučavanje Hertzovih rezonancija u atomima". Bavio se pitanjima optičke polarizacije spin sistema - odnosno samo "magnetizacije" gasova (posebno helijuma-3) pomoću optičkog pumpanja tokom rezonantne apsorpcije fotona sa kružnom polarizacijom.

Nuklearna magnetna rezonanca koristi magnetna svojstva jezgara vodika - protona. Bez vanjskog magnetskog polja, magnetni momenti protona su proizvoljno orijentirani (kao na prvoj slici). Kada se primeni snažno magnetsko polje, magnetni momenti protona su orijentisani paralelno sa poljem, bilo "duž" ili "prema". Ova dva položaja imaju različite energije (2). Radiofrekventni impuls sa rezonantnom frekvencijom koja odgovara razlici energije "okreće" magnetne momente protona "prema" polju (3). Nakon završetka radiofrekventnog impulsa, dolazi do obrnutog "okretanja" i protoni emituju na rezonantnoj frekvenciji. Ovaj signal prima radiofrekventni sistem tomografa i koristi ga kompjuter za izgradnju slike (4).

Dišite duboko

Upotreba polarizovanih gasova u medicini bila je pionir grupe istraživača sa Prinstona i Univerziteta Njujork u Stoni Bruku. Naučnici su 1994. godine objavili članak u časopisu Nature koji prikazuje prvu MRI sliku mišjeg pluća.

Istina, magnetna rezonanca nije sasvim standardna - tehnika se zasnivala na odgovoru ne jezgri vodika (protona), već jezgri ksenona-129. Osim toga, plin nije bio sasvim običan, već hiperpolariziran, odnosno unaprijed "magnetiziran". Tako je rođena nova dijagnostička metoda koja se ubrzo počela primjenjivati u humanoj medicini.

Hiperpolarizovani gas (obično pomešan sa kiseonikom) ulazi u najudaljenije uglove pluća, što omogućava dobijanje MRI slike sa rezolucijom koja je za red veličine veća od najboljih rendgenskih zraka. Moguće je čak napraviti detaljnu mapu parcijalnog tlaka kisika u svakom dijelu pluća i potom izvući zaključke o kvaliteti krvotoka i difuziji kisika u kapilarama. Ova tehnika omogućava proučavanje prirode ventilacije pluća kod astmatičara i kontrolu procesa disanja kritičnih pacijenata na nivou alveola.

Kako radi MRI. MRI skener detektuje klastere protona - jezgre atoma vodika. Stoga MR snimanje pokazuje razlike u sadržaju vodonika (uglavnom vode) u različitim tkivima. Postoje i drugi načini za razlikovanje jednog tkiva od drugog (recimo, razlike u magnetskim svojstvima), koji se koriste u specijalizovanim studijama.

Prednosti MRI pomoću hiperpolariziranih plinova nisu ograničene na ovo. Pošto je gas hiperpolarizovan, korisni nivo signala je mnogo veći (oko 10.000 puta). To znači da nema potrebe za super-jakim magnetnim poljima, a dovodi do dizajna takozvanih MRI skenera niskog polja – jeftiniji su, mobilniji i mnogo prostraniji. U takvim instalacijama koriste se elektromagneti koji stvaraju polje reda veličine 0,005 T, što je stotine puta slabije od standardnih MRI skenera.

mala prepreka

Iako su prvi eksperimenti u ovoj oblasti izvedeni sa hiperpolarizovanim ksenonom-129, on je ubrzo zamenjen helijumom-3. Bezopasan je, proizvodi oštrije slike od ksenona-129 i ima tri puta veći magnetni moment, što rezultira jačim NMR signalom. Osim toga, obogaćivanje ksenona-129 zbog blizine mase drugim izotopima ksenona je skup proces, a dostižna polarizacija plina je znatno niža od one kod helijuma-3. Osim toga, ksenon-129 ima sedativni učinak.

Ali ako su tomografi niskog polja jednostavni i jeftini, zašto se MRI s hiperpolariziranim helijumom sada ne koristi u svakoj klinici? Postoji jedna prepreka. Ali šta!

Cold War Legacy

Jedini način da se dobije helijum-3 je raspad tricijuma. Veliki dio zaliha 3He duguje svoje porijeklo raspadanju tricijuma proizvedenog tokom trke u nuklearnom naoružanju tokom Hladnog rata. U Sjedinjenim Državama je do 2003. godine akumulirano oko 260.000 litara "sirovog" (nepročišćenog) helijuma-3, a do 2010. je ostalo samo 12.000 litara neiskorištenog plina. U vezi sa rastućom potražnjom za ovim oskudnim gasom, 2007. godine je čak obnovljena proizvodnja ograničenih količina tricijuma, a do 2015. planira se dobijanje dodatnih 8.000 litara helijuma-3 godišnje. Istovremeno, godišnja potražnja za njim je već najmanje 40.000 litara (od čega se samo 5% koristi u medicini). U aprilu 2010. godine, američki komitet za nauku i tehnologiju zaključio je da bi nedostatak helijuma-3 doveo do stvarnih negativnih posljedica za mnoga područja. Čak i naučnici koji rade u američkoj nuklearnoj industriji imaju poteškoća da nabave helijum-3 iz državnih zaliha.

Hlađenje mešanjem

Još jedna industrija koja ne može bez helijuma-3 je kriogena industrija. Za postizanje ultraniskih temperatura koriste se tzv. hladnjak za razrjeđivanje koji koristi efekat rastvaranja helijuma-3 u helijum-4. Na temperaturama ispod 0,87 K, smjesa se razdvaja u dvije faze, bogate helijumom-3 i helijumom-4. Prijelaz između ovih faza zahtijeva energiju, a to omogućava hlađenje na vrlo niske temperature - do 0,02 K. Najjednostavniji takav uređaj ima dovoljnu zalihu helijuma-3, koji postepeno prelazi kroz međufazu u fazu bogatu helijumom-4 sa apsorpcija energije. Kada ponestane zaliha helijuma-3, uređaj neće moći dalje da radi - on je "za jednokratnu upotrebu".
Upravo je ovaj način hlađenja, posebno, korišten u Planck orbitalnoj opservatoriji Evropske svemirske agencije. Planckov zadatak je bio da snimi anizotropiju CMB (sa temperaturom od oko 2,7 K) sa visokom rezolucijom pomoću 48 HFI (High Frequency Instrument) bolometričkih detektora ohlađenih na 0,1 K. Prije nego što je iscrpljen zaliha helijuma-3 u sistemu za hlađenje , Planck je uspio snimiti 5 slika neba u mikrotalasnom opsegu.

Aukcijska cijena helijuma-3 fluktuira oko 2.000 dolara po litru, a ne uočava se trend pada. Nedostatak ovog plina je posljedica činjenice da se najveći dio helijuma-3 koristi za izradu neutronskih detektora, koji se koriste u uređajima za detekciju nuklearnih materijala. Takvi detektori registruju neutrone prema (n, p) reakciji – hvatanju neutrona i emisiji protona. A da bi se otkrili pokušaji uvoza nuklearnih materijala, potrebno je mnogo takvih detektora - stotine hiljada komada. Upravo iz tog razloga helijum-3 je postao fantastično skup i nedostupan masovnoj medicini.

Ipak, ima nade. Istina, oni se ne pripisuju lunarnom helijumu-3 (njegova proizvodnja ostaje daleka perspektiva), već tricijumu, koji se formira u teškovodnim reaktorima tipa CANDU, koji rade u Kanadi, Argentini, Rumuniji, Kini i na jugu. Korea.

Vjerovatno je malo stvari na polju termonuklearne energije okruženo mitovima poput helijuma 3. 80-ih-90-ih godina aktivno se popularizirao kao gorivo koje bi riješilo sve probleme kontrolirane termonuklearne fuzije, kao i jedan od razloga za odlazak. Zemlju (jer na njenoj zemlji je bukvalno nekoliko stotina kilograma, a na Mesecu milijardu tona) i konačno krenuti u istraživanje Sunčevog sistema. Sve se to zasniva na vrlo čudnim idejama o mogućnostima, problemima i potrebama termonuklearne energije koja danas ne postoji, o kojoj ćemo govoriti.

Mašina za rudarenje helijuma3 na Mesecu je već spremna, jedino što je preostalo je da joj se nađe upotreba.

Kada govore o helijumu3, misle na reakcije termonuklearne fuzije He3 + D -> He4 + H ili He3 + He3 -> 2He4 + 2H. U poređenju sa klasičnim D + T -> He4 +n u produktima reakcije nema neutrona, što znači da nema aktivacije konstrukcije termonuklearnog reaktora superenergetskim neutronima. Osim toga, problemom se smatra činjenica da neutroni iz "klasika" nose 80% energije iz plazme, pa se ravnoteža samozagrijavanja javlja na višoj temperaturi. Još jedna značajna prednost helijumske verzije je da se električna energija može ukloniti direktno iz nabijenih čestica reakcije, a ne zagrijavanjem vode neutronima - kao u starim elektranama na ugalj.

Dakle, sve ovo nije istina, odnosno vrlo mali dio istine.

Počnimo s činjenicom da će pri istoj gustini plazme i optimalnoj temperaturi reakcija He3 + D popustiti 40 puta manje oslobađanje energije po kubnom metru radne plazme. U ovom slučaju, temperatura potrebna za najmanje 40-struko pucanje bit će 10 puta veća - 100 keV (ili milijardu stepeni) naspram 10 za D +T. Sama po sebi, takva temperatura je sasvim dostižna (rekord za tokamake danas je 50 keV, samo dva puta lošiji), ali da bismo uspostavili energetski balans (brzina hlađenja VS brzina zagrijavanja, uključujući samozagrijavanje), potrebno je povećati oslobađanje energije za 50 puta iz kubnih metara reakcije He3 + D, što se može postići samo povećanjem gustine za istih 50 puta. U kombinaciji sa desetostrukim povećanjem temperature, to daje povećanje pritiska plazme za 500 puta- sa 3-5 atm na 1500-2500 atm, i isto povećanje povratnog pritiska da zadrži ovu plazmu.

Ali slike su inspirativne.

Sjećate se, napisao sam da su magneti toroidnog polja ITER-a, koji stvaraju protupritisak na plazmu, apsolutno rekordni proizvodi, jedini na svijetu po parametrima? Dakle, obožavatelji He3 predlažu da magneti budu 500 puta moćniji.

Ok, zaboravite na poteškoće, možda ih se prednosti ove reakcije isplate?

Različite termonuklearne reakcije koje su primjenjive za CTS. He3 + D daje nešto više energije od D + T, ali se mnogo energije troši na savladavanje Kulonove odbijanja (naboj 3 a ne 2), pa je reakcija spora.

Počnimo s neutronima. Neutroni u industrijskom reaktoru će predstavljati ozbiljan problem, oštećujući materijale posuda, zagrijavajući sve elemente okrenute plazmi toliko da se moraju hladiti pristojnom količinom vode. I što je najvažnije, aktivacija materijala neutronima će dovesti do toga da će čak 10 godina nakon gašenja termonuklearnog reaktora, on imati hiljade tona radioaktivnih struktura koje se ne mogu ručno rastaviti i koje će odležati u skladištu. stotinama i hiljadama godina. Oslobađanje od neutrona bi očigledno olakšalo stvaranje termonuklearne elektrane.

Dio energije koji se odnosi neutronima. Ako dodate više He3 u reaktor, možete ga smanjiti na 1%, ali to će dodatno pooštriti uslove paljenja.

OK, ali što je s direktnim pretvaranjem energije nabijenih čestica u električnu energiju? Eksperimenti pokazuju da se tok jona sa energijom od 100 keV može pretvoriti u električnu energiju sa efikasnošću od 80%. Ovde nemamo neutrone... Mislim, oni ne oduzimaju svu energiju koju možemo dobiti samo u obliku topline – hajde da se riješimo parnih turbina i stavimo kolektore jona?

Da, postoje tehnologije za direktnu konverziju energije plazme u električnu energiju, one su aktivno proučavane 60-ih-70-ih godina i pokazale su efikasnost u području od 50-60% (a ne 80, treba napomenuti). Međutim, ova ideja je slabo primjenjiva i u D + T reaktorima i u He3 + D. Zašto je to tako, ova slika pomaže razumjeti.

Pokazuje gubitak toplote plazme kroz različite kanale. Uporedite D+T i D + He3. Transport je ono što se može koristiti za direktno pretvaranje energije plazme u električnu. Ako nam u D+T varijanti sve oduzmu gadni neutroni, onda u slučaju He3+D sve odnese elektromagnetno zračenje plazme, uglavnom sinhrotronsko i rendgensko kočivo zračenje (na slici Bremsstrahlung). Situacija je gotovo simetrična, svejedno, potrebno je odvoditi toplinu sa zidova i dalje direktnom konverzijom ne možemo izvući više od 10-15% energija termonuklearnog sagorevanja, a ostalo - na starinski način, preko parne mašine.

Ilustracija u studiji o direktnoj konverziji energije plazme na najvećoj otvorenoj zamci Gama-10 u Japanu.

Osim teorijskih ograničenja, postoje i inženjerska - u svijetu (uključujući SSSR) uloženi su gigantski napori na stvaranje instalacija za direktnu konverziju energije plazme u električnu energiju za konvencionalne elektrane, što je omogućilo povećanje efikasnosti od 35% do 55%. Uglavnom baziran na MHD generatorima. 30 godina rada velikih timova završilo se u zlu - resurs instalacije bio je stotine sati, kada su energetskim inženjerima potrebne hiljade i desetine hiljada. Ogromna količina resursa utrošenih na ovu tehnologiju dovela je posebno do toga da naša zemlja zaostaje u proizvodnji energetskih gasnih turbina i parno-gasnih turbinskih ciklusnih postrojenja (koja daju potpuno isto povećanje efikasnosti - sa 35 do 55%!).

Inače, za MHD generatore su potrebni i snažni supravodljivi magneti. Ovdje su prikazani SP magneti za 30 MW MHD generator.