Τύπος ηλίου 3. Ήλιο-τρία είναι η ενέργεια του μέλλοντος. Σύνθεση και δομή

Ήλιο 3 - η ενέργεια του μέλλοντος

Όλοι γνωρίζουμε ότι το λάδι μας δεν είναι ατελείωτο και οι μελέτες έχουν επίσης αποδείξει την οργανική του προέλευση, πράγμα που σημαίνει ότι το πετρέλαιο είναι ένας μη ανανεώσιμος πόρος. Το λάδι είναι ένα εύφλεκτο ελαιώδες υγρό, το οποίο είναι ένα μείγμα υδρογονανθράκων, κόκκινο-καφέ, μερικές φορές σχεδόν μαύρο χρώμα, αν και μερικές φορές είναι επίσης ελαφρώς χρωματισμένο κιτρινοπράσινο και ακόμη και άχρωμο λάδι, έχει μια συγκεκριμένη μυρωδιά, είναι κοινό στο ιζηματογενές κέλυφος της Γης? ένα από τα πιο σημαντικά ορυκτά. Το λάδι είναι ένα μείγμα περίπου 1000 μεμονωμένων ουσιών, οι περισσότερες από τις οποίες είναι υγροί υδρογονάνθρακες. Το πετρέλαιο κατέχει ηγετική θέση στο παγκόσμιο ισοζύγιο καυσίμων και ενέργειας: το μερίδιό του στη συνολική κατανάλωση ενεργειακών πόρων είναι 48%. Γι' αυτό το πετρέλαιο, ως πηγή ενέργειας, είναι τόσο σημαντικό για την ανθρωπότητα.

Αυτή τη στιγμή, οι κύριες πηγές ενέργειας είναι: θερμοηλεκτρικός σταθμός, θερμοηλεκτρικός σταθμός, πυρηνικός σταθμός.

Το γράφημα δείχνει ξεκάθαρα ότι μόνο οι θερμοηλεκτρικοί σταθμοί μπορούν να καυχηθούν για ηγετική θέση, οι οποίοι χρησιμοποιούν ως καύσιμο μη ανανεώσιμους πόρους, όπως: πετρέλαιο (όλα τα είδη καυσίμων που προέρχονται από πετρέλαιο), άνθρακας, φυσικό αέριο.

Οι υδροηλεκτρικοί σταθμοί αντιπροσωπεύουν μόνο το 20%, και ακόμη κι αν ο κόσμος αρχίσει να χρησιμοποιεί τον μέγιστο αριθμό ποταμών για υδροηλεκτρικούς σταθμούς, η συνολική ενέργεια που απελευθερώνεται από όλους τους υδροηλεκτρικούς σταθμούς δεν θα είναι σε θέση να καλύψει τις ανάγκες της ανθρωπότητας.

Οι πυρηνικοί σταθμοί καταλαμβάνουν μόνο το 17% της παγκόσμιας παραγωγής ενέργειας, η χρήση της αντίδρασης σχάσης του ατόμου συνεπάγεται σοβαρές συνέπειες με τη μορφή ακτινοβολίας.

Τώρα το αέριο, ο άνθρακας, η τύρφη, η ενέργεια της σχάσης των ατόμων (πυρηνική ενέργεια) χρησιμοποιούνται ενεργά ως εναλλακτικές πρώτες ύλες, αλλά γνωρίζουμε καλά ότι δεν είναι σε θέση να αντικαταστήσουν πλήρως το πετρέλαιο ως πρώτη ύλη για την παραγωγή ενέργειας. Και τα αποθέματα του ίδιου φυσικού αερίου δεν είναι ατελείωτα, χρησιμοποιώντας αυτές τις εναλλακτικές πρώτες ύλες μόνο θα καθυστερήσουμε την ενεργειακή κρίση.

Οι επιστήμονες γνωρίζουν καλά το πρόβλημα που έρχεται στα τακούνια και δημιουργούν και μελετούν εναλλακτικές πηγές ενέργειας. Αυτή τη στιγμή, οι επιστήμονες εργάζονται σε έργα που περιλαμβάνουν τη χρήση:

Βιοαέριο

Βιοντίζελ

Βιοαιθανόλη

Αιολική ενέργεια

Ενέργεια υδρογόνου

Γεωθερμική ενέργεια

Ηλιακά κύτταρα

Πυρηνική ενέργεια

Θερμοπυρηνική ενέργεια (με βάση τη χρήση ηλίου 3)

Κύριο μέρος

Λοιπόν, ας εξετάσουμε κάθε εναλλακτική ξεχωριστά.

2.1 Βιοαέριο

Το βιομεθάνιο είναι ένα αέριο που λαμβάνεται από τη ζύμωση οργανικών αποβλήτων (βιοαέριο). Ο καταλληλότερος τομέας εφαρμογής του βιοαερίου είναι η θέρμανση κτηνοτροφικών εκμεταλλεύσεων, οικιστικών χώρων και τεχνολογικών χώρων. Το βιοαέριο μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο κινητήρα. Το πλεόνασμα παραγόμενου καυσίμου μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιώντας γεννήτριες ντίζελ.

Το βιομεθάνιο έχει χαμηλή ογκομετρική συγκέντρωση ενέργειας. Υπό κανονικές συνθήκες, η θερμογόνος δύναμη είναι 1 λίτρο. Το βιομεθάνιο είναι 33 - 36 kJ.

Το βιομεθάνιο έχει υψηλή αντίσταση στην έκρηξη, η οποία μειώνει τη συγκέντρωση επιβλαβών ουσιών στα καυσαέρια και μειώνει την ποσότητα των εναποθέσεων στον κινητήρα.

Το βιομεθάνιο ως καύσιμο κινητήρα θα πρέπει να χρησιμοποιείται σε κινητήρες μεταφοράς είτε σε συμπιεσμένη είτε σε υγροποιημένη κατάσταση. Ωστόσο, ο κύριος αποτρεπτικός παράγοντας για την ευρεία χρήση του συμπιεσμένου βιομεθανίου ως καυσίμου κινητήρα, όπως στην περίπτωση του συμπιεσμένου φυσικού αερίου, είναι η μεταφορά σημαντικής μάζας κυλίνδρων καυσίμου.

Στο εξωτερικό, δίνεται μεγάλη προσοχή στο πρόβλημα της απόκτησης και χρήσης βιοαερίου. Σε σύντομο χρονικό διάστημα, μια ολόκληρη βιομηχανία βιοαερίου εμφανίστηκε σε πολλές χώρες του κόσμου: αν το 1980 υπήρχαν περίπου 8 εκατομμύρια μονάδες βιοαερίου στον κόσμο συνολικής χωρητικότητας 1,7-2 δισεκατομμυρίων κυβικών μέτρων. m ανά έτος, τότε προς το παρόν αυτά τα στοιχεία αντιστοιχούν στην παραγωγικότητα βιοαερίου μόνο μιας χώρας - της Κίνας.

Τα πλεονεκτήματα του βιοαερίου περιλαμβάνουν:

Λήψη ενέργειας χωρίς πρόσθετη εκπομπή CO 2 .

Τα κλειστά συστήματα δεν διαρρέουν ή διαρρέουν ελαφρώς οσμές.

Βελτίωση της εμπορικής κατάστασης και μείωση της εξάρτησης από εισαγωγείς ενέργειας.

Η ηλεκτρική ενέργεια από βιοαέριο μπορεί να παραχθεί 24 ώρες την ημέρα.

Δεν εξαρτάται από άνεμο/νερό/ηλεκτρισμό.

Βελτίωση της λίπανσης του εδάφους.

2.2 Βιοντίζελ

Το βιοντίζελ είναι ένα καύσιμο που βασίζεται σε φυτικά ή ζωικά λίπη (έλαια), καθώς και στα προϊόντα εστεροποίησής τους. Εφαρμόζεται στις μεταφορές με κινητήρα με τη μορφή διαφόρων μιγμάτων με καύσιμο ντίζελ.

Περιβαλλοντικές πτυχές εφαρμογής:

Το βιοντίζελ, όπως έχουν δείξει πειράματα, δεν βλάπτει τα φυτά και τα ζώα όταν εισέρχεται στο νερό. Επιπλέον, υφίσταται σχεδόν πλήρη βιολογική αποσύνθεση: στο έδαφος ή στο νερό, οι μικροοργανισμοί επεξεργάζονται το 99% του βιοντίζελ σε 28 ημέρες, γεγονός που μας επιτρέπει να μιλάμε για ελαχιστοποίηση της ρύπανσης των ποταμών και των λιμνών.

Τα οφέλη του βιοντίζελ περιλαμβάνουν:

αύξηση του αριθμού κετανίου και της λιπαντικότητας, η οποία παρατείνει τη διάρκεια ζωής του κινητήρα.

σημαντική μείωση των επιβλαβών εκπομπών (συμπεριλαμβανομένων των CO, CO2, SO2, λεπτών σωματιδίων και πτητικών οργανικών ενώσεων)·

Προωθήστε τον καθαρισμό των μπεκ, των αντλιών καυσίμου και των καναλιών παροχής καυσίμου.

Ελαττώματα

Κατά την κρύα εποχή, είναι απαραίτητο να θερμάνετε το καύσιμο που πηγαίνει από τη δεξαμενή καυσίμου στην αντλία καυσίμου ή να χρησιμοποιήσετε ένα μείγμα καυσίμου ντίζελ 20% BIODIESEL 80%.

2.3 Βιοαιθανόλη

Η βιοαιθανόλη είναι ένα υγρό αλκοολούχο καύσιμο του οποίου οι ατμοί είναι βαρύτεροι από τον αέρα. Παράγεται από αγροτικά προϊόντα που περιέχουν άμυλο ή ζάχαρη, όπως καλαμπόκι, δημητριακά ή ζαχαροκάλαμο. Σε αντίθεση με το οινόπνευμα, από το οποίο παράγονται τα αλκοολούχα ποτά, η αιθανόλη καυσίμου δεν περιέχει νερό και παράγεται με συντομευμένη απόσταξη (δύο στήλες απόσταξης αντί για πέντε), επομένως περιέχει μεθανόλη και πετρέλαια καυσίμου, καθώς και βενζίνη, γεγονός που το καθιστά μη πόσιμο.

Η βιοαιθανόλη με βάση το καύσιμο παράγεται σχεδόν με τον ίδιο τρόπο όπως η συμβατική αλκοόλη τροφίμων για την παραγωγή αλκοολούχων ποτών, αλλά υπάρχουν αρκετές σημαντικές διαφορές.

Η αιθανόλη μπορεί να παραχθεί από οποιαδήποτε πρώτη ύλη που περιέχει ζάχαρη και άμυλο: ζαχαροκάλαμο και τεύτλα, πατάτες, αγκινάρα Ιερουσαλήμ, καλαμπόκι, σιτάρι, κριθάρι, σίκαλη κ.λπ.

Τα πλεονεκτήματα της βιοαιθανόλης περιλαμβάνουν:

Η αιθανόλη έχει υψηλό αριθμό οκτανίων

Η βιοαιθανόλη είναι αποικοδομήσιμη και δεν ρυπαίνει το φυσικό

συστήματα νερού

10% αιθανόλη στη βενζίνη μειώνει την τοξικότητα των καυσαερίων

μείωση των εκπομπών CO κατά 26%, των εκπομπών οξειδίων του αζώτου

κατά 5%, σωματίδια αερολύματος κατά 40%.

Η αιθανόλη είναι η μόνη ανανεώσιμη

υγρό καύσιμο, η χρήση του οποίου σε

ως πρόσθετο στη βενζίνη δεν χρειάζεται τροποποίηση

σχέδια κινητήρων

Δεν έχει ιδιαίτερα έντονες ελλείψεις.

2.4. Αιολική ενέργεια

Η αιολική ενέργεια είναι μια άναρχη πηγή ενέργειας. Η απόδοση ενός αιολικού πάρκου εξαρτάται από την ισχύ του ανέμου, έναν εξαιρετικά μεταβλητό παράγοντα. Αντίστοιχα, η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από την αιολική γεννήτρια στο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας είναι εξαιρετικά άνιση τόσο σε ημερήσιες όσο και σε εβδομαδιαίες, μηνιαίες, ετήσιες και μακροπρόθεσμες τιμές. Δεδομένου ότι το ίδιο το ενεργειακό σύστημα έχει ετερογενή ενεργειακά φορτία (αιχμές και βυθίσεις στην κατανάλωση ενέργειας), τα οποία φυσικά δεν μπορούν να ρυθμιστούν από την αιολική ενέργεια, η εισαγωγή σημαντικού μεριδίου αιολικής ενέργειας στο ενεργειακό σύστημα συμβάλλει στην αποσταθεροποίησή του. Είναι σαφές ότι η αιολική ενέργεια απαιτεί απόθεμα ισχύος στο ενεργειακό σύστημα (για παράδειγμα, με τη μορφή σταθμών ηλεκτροπαραγωγής αεριοστροβίλων), καθώς και μηχανισμούς εξομάλυνσης της ετερογένειας της παραγωγής τους (με τη μορφή υδροηλεκτρικών σταθμών ή αντλίας αποθηκευτικοί σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής). Αυτό το χαρακτηριστικό της αιολικής ενέργειας αυξάνει σημαντικά το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας που λαμβάνεται από αυτές. Τα δίκτυα διστάζουν να συνδέσουν ανεμογεννήτριες στο δίκτυο, γεγονός που οδήγησε στη νομοθεσία που τους απαιτεί να το κάνουν.

Οι μικρές αυτόνομες ανεμογεννήτριες ενδέχεται να έχουν προβλήματα με την υποδομή του δικτύου, καθώς το κόστος της γραμμής μεταφοράς και του εξοπλισμού διανομής για τη σύνδεση στο ηλεκτρικό δίκτυο μπορεί να είναι πολύ υψηλό.

Οι μεγάλες ανεμογεννήτριες αντιμετωπίζουν σημαντικά προβλήματα επισκευής, αφού η αντικατάσταση μεγάλου τμήματος (λεπίδα, ρότορας κ.λπ.) σε ύψος άνω των 100 m είναι μια πολύπλοκη και δαπανηρή επιχείρηση.

Πλεονεκτήματα:

Φιλικό προς το περιβάλλον.

Ασφαλές για τον άνθρωπο (χωρίς ακτινοβολία, χωρίς απόβλητα).

Κύρια μειονεκτήματα:

Χαμηλή ενεργειακή πυκνότητα ανά μονάδα επιφάνειας του τροχού ανέμου. απρόβλεπτες αλλαγές στην ταχύτητα του ανέμου κατά τη διάρκεια της ημέρας και της εποχής, που απαιτούν την κράτηση ενός αιολικού πάρκου ή τη συσσώρευση παραγόμενης ενέργειας· αρνητικές επιπτώσεις στον βιότοπο ανθρώπων και ζώων, στις τηλεοπτικές επικοινωνίες και στις εποχιακές διαδρομές μετανάστευσης πτηνών.

2.5. Ενέργεια υδρογόνου

Η ενέργεια του υδρογόνου είναι μια κατεύθυνση στην παραγωγή και κατανάλωση ενέργειας από την ανθρωπότητα, που βασίζεται στη χρήση του υδρογόνου ως μέσου συσσώρευσης, μεταφοράς και κατανάλωσης ενέργειας από ανθρώπους, υποδομές μεταφορών και διάφορες περιοχές παραγωγής. Το υδρογόνο επιλέγεται ως το πιο κοινό στοιχείο στην επιφάνεια της γης και στο διάστημα, η θερμότητα της καύσης του υδρογόνου είναι η υψηλότερη και το προϊόν της καύσης σε οξυγόνο είναι το νερό (το οποίο εισάγεται και πάλι στον κύκλο της ενέργειας του υδρογόνου). Υπάρχουν διάφοροι τρόποι παραγωγής υδρογόνου:

Από φυσικό αέριο

Αεριοποίηση άνθρακα:

Ηλεκτρόλυση νερού (*αντίστροφη αντίδραση)

Υδρογόνο από βιομάζα

Πλεονεκτήματα:

οικολογική καθαρότητα του καυσίμου υδρογόνου.

ανανεωσιμότητα.

εξαιρετικά υψηλή απόδοση - 75%, που είναι σχεδόν 2,5 φορές υψηλότερη από αυτή των πιο σύγχρονων εγκαταστάσεων που λειτουργούν με πετρέλαιο και φυσικό αέριο.

Το υδρογόνο έχει επίσης πιο σοβαρά μειονεκτήματα. Πρώτον, σε ελεύθερη αέρια κατάσταση, δεν υπάρχει στη φύση, δηλαδή πρέπει να εξορύσσεται. Δεύτερον, το υδρογόνο, ως αέριο, είναι αρκετά επικίνδυνο. Η ανάμειξή του με τον αέρα στην αρχή «καίει» αόρατα, δηλαδή απελευθερώνει θερμότητα, και στη συνέχεια εκρήγνυται εύκολα από την παραμικρή σπίθα. Ένα κλασικό παράδειγμα έκρηξης υδρογόνου είναι το ατύχημα του Τσερνομπίλ, όταν σχηματίστηκε υδρογόνο ως αποτέλεσμα της υπερθέρμανσης του ζιρκονίου και του νερού που έπεσε πάνω του, το οποίο στη συνέχεια πυροδοτήθηκε. Τρίτον, το υδρογόνο πρέπει να αποθηκευτεί κάπου, και σε μεγάλα δοχεία, αφού έχει χαμηλή πυκνότητα. Και μπορεί να συμπιεστεί μόνο υπό πολύ υψηλή πίεση, περίπου 300 ατμόσφαιρες.

2.6. γεωθερμική ενέργεια

Η έκρηξη των ηφαιστείων είναι μια ξεκάθαρη απόδειξη της τεράστιας θερμότητας στο εσωτερικό του πλανήτη. Οι επιστήμονες υπολογίζουν τη θερμοκρασία του πυρήνα της Γης σε χιλιάδες βαθμούς Κελσίου. Αυτή η θερμοκρασία μειώνεται σταδιακά από τον θερμό εσωτερικό πυρήνα, όπου οι επιστήμονες πιστεύουν ότι τα μέταλλα και τα πετρώματα μπορούν να υπάρχουν μόνο σε λιωμένη κατάσταση, μέχρι την επιφάνεια της Γης. Η γεωθερμική ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί με δύο βασικούς τρόπους - για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και για τη θέρμανση κατοικιών, ιδρυμάτων και βιομηχανικών επιχειρήσεων. Για ποιον από αυτούς τους σκοπούς θα χρησιμοποιηθεί εξαρτάται από τη μορφή με την οποία περιέρχεται στην κατοχή μας. Μερικές φορές το νερό ξεσπάει από το έδαφος με τη μορφή καθαρού «ξηρού ατμού», δηλ. ατμός χωρίς ανάμειξη σταγονιδίων νερού. Αυτός ο ξηρός ατμός μπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας για την περιστροφή μιας τουρμπίνας και την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Το νερό συμπύκνωσης μπορεί να επιστρέψει στο έδαφος και, εάν είναι επαρκώς καλής ποιότητας, να εκκενωθεί σε ένα κοντινό υδάτινο σώμα.

Μετασχηματισμός της θερμικής ενέργειας του ωκεανού.

Η ιδέα της χρήσης της διαφοράς θερμοκρασίας των νερών των ωκεανών για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας εμφανίστηκε πριν από περίπου 100 χρόνια, δηλαδή το 1981. Ο Γάλλος φυσικός Jacques D. Arsonval δημοσίευσε ένα έργο για την ηλιακή ενέργεια των θαλασσών. Εκείνη την εποχή, πολλά ήταν ήδη γνωστά για την ικανότητα του ωκεανού να δέχεται και να αποθηκεύει θερμική ενέργεια. Ο μηχανισμός γέννησης των ωκεάνιων ρευμάτων και οι κύριες κανονικότητες στον σχηματισμό διαφορών θερμοκρασίας μεταξύ των επιφανειακών και των βαθιών στρωμάτων του νερού ήταν επίσης γνωστοί.

Η χρήση της διαφοράς θερμοκρασίας είναι δυνατή σε τρεις κύριες κατευθύνσεις: άμεση μετατροπή με βάση θερμοστοιχεία, μετατροπή θερμότητας σε μηχανική ενέργεια σε θερμικές μηχανές και μετατροπή σε μηχανική ενέργεια σε υδραυλικές μηχανές χρησιμοποιώντας τη διαφορά πυκνότητας ζεστού και κρύου νερού.

Πλεονεκτήματα:

Είναι ουσιαστικά χωρίς συντήρηση.

Ένα από τα πλεονεκτήματα μιας γεωθερμικής μονάδας ηλεκτροπαραγωγής είναι ότι, σε σύγκριση με μια μονάδα παραγωγής ενέργειας ορυκτών καυσίμων, εκπέμπει περίπου είκοσι φορές λιγότερο διοξείδιο του άνθρακα όταν παράγει την ίδια ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας, γεγονός που μειώνει τον αντίκτυπό της στο παγκόσμιο περιβάλλον.

Το κύριο πλεονέκτημα της γεωθερμικής ενέργειας είναι η πρακτική ανεξάντλητη λειτουργία της και η πλήρης ανεξαρτησία της από τις περιβαλλοντικές συνθήκες, την ώρα της ημέρας και του χρόνου.

Τι προβλήματα προκύπτουν κατά τη χρήση υπόγειων ιαματικών νερών; Το κυριότερο είναι η ανάγκη εκ νέου έγχυσης λυμάτων σε υπόγειο υδροφόρο ορίζοντα. Τα ιαματικά νερά περιέχουν μεγάλη ποσότητα αλάτων διαφόρων τοξικών μετάλλων (για παράδειγμα, βόριο, μόλυβδο, ψευδάργυρο, κάδμιο, αρσενικό) και χημικές ενώσεις (αμμωνία, φαινόλες), γεγονός που αποκλείει την απόρριψη αυτών των υδάτων σε φυσικά συστήματα νερού που βρίσκονται στην επιφάνεια. .

2.7. Ηλιακά κύτταρα

Πώς λειτουργούν τα ηλιακά κύτταρα:

ηλιακός Τα κύτταρα (SC) κατασκευάζονται από υλικά που μετατρέπουν απευθείας το ηλιακό φως σε ηλεκτρική ενέργεια. Τα περισσότερα από τα ηλιακά κύτταρα που παράγονται σήμερα στο εμπόριο είναι κατασκευασμένα από πυρίτιο.

Τα τελευταία χρόνια έχουν αναπτυχθεί νέοι τύποι υλικών για ηλιακά κύτταρα. Για παράδειγμα, ηλιακά κύτταρα λεπτής μεμβράνης κατασκευασμένα από χαλκό-ινδιο-δισελενίδιο και CdTe (τελλουρίδιο του καδμίου). Αυτά τα SC έχουν επίσης πρόσφατα χρησιμοποιηθεί εμπορικά.

Πλεονεκτήματα:

Η ενέργεια του ήλιου είναι σχεδόν άπειρη

Φιλικό προς το περιβάλλον

Ασφαλές για τον άνθρωπο και τη φύση

Μειονεκτήματα: Ο ηλιακός σταθμός δεν λειτουργεί τη νύχτα και δεν λειτουργεί αποτελεσματικά το πρωί και το βράδυ λυκόφως. Ταυτόχρονα, η αιχμή της κατανάλωσης ρεύματος πέφτει τις βραδινές ώρες. Επιπλέον, η χωρητικότητα του σταθμού ηλεκτροπαραγωγής μπορεί να αυξομειωθεί δραματικά και απροσδόκητα λόγω των καιρικών αλλαγών. Λόγω της σχετικά μικρής τιμής της ηλιακής σταθεράς, η ηλιακή ενέργεια απαιτεί τη χρήση μεγάλων εκτάσεων γης για σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής (για παράδειγμα, για μια μονάδα παραγωγής ενέργειας 1 GW, αυτό μπορεί να είναι αρκετές δεκάδες τετραγωνικά χιλιόμετρα). Παρά την περιβαλλοντική καθαρότητα της ενέργειας που λαμβάνεται, τα ίδια τα ηλιακά κύτταρα περιέχουν τοξικές ουσίες, όπως μόλυβδο, κάδμιο, γάλλιο, αρσενικό κ.λπ., και η παραγωγή τους καταναλώνει πολλές άλλες επικίνδυνες ουσίες. Τα σύγχρονα φωτοκύτταρα έχουν περιορισμένη διάρκεια ζωής (30-50 χρόνια) και η μαζική χρήση θα εγείρει σύντομα το δύσκολο ζήτημα της απόρριψής τους, το οποίο επίσης δεν έχει ακόμη περιβαλλοντικά αποδεκτή λύση.

2.8.Πυρηνική ενέργεια

Πυρηνική ενέργεια (ατομική ενέργεια), η εσωτερική ενέργεια των ατομικών πυρήνων που απελευθερώνεται κατά τους πυρηνικούς μετασχηματισμούς (πυρηνικές αντιδράσεις). Η χρήση της πυρηνικής ενέργειας βασίζεται στην υλοποίηση αλυσιδωτών αντιδράσεων σχάσης βαρέων πυρήνων και αντιδράσεων θερμοπυρηνικής σύντηξης - τη σύντηξη ελαφρών πυρήνων. Τόσο αυτές όσο και άλλες αντιδράσεις συνοδεύονται από απελευθέρωση ενέργειας.Για παράδειγμα, κατά τη διάσπαση ενός πυρήνα, απελευθερώνονται περίπου 200 MeV. Με την πλήρη σχάση των πυρήνων που βρίσκονται σε 1 g ουρανίου, απελευθερώνεται ενέργεια 2,3 * 104 kWh. Αυτό ισοδυναμεί με την ενέργεια που λαμβάνεται από την καύση 3 τόνων άνθρακα ή 2,5 τόνων πετρελαίου. Μια ελεγχόμενη αντίδραση πυρηνικής σχάσης χρησιμοποιείται σε πυρηνικούς αντιδραστήρες.

Πλεονεκτήματα:

χαμηλές και βιώσιμες (σε σχέση με το κόστος των καυσίμων) τιμές ηλεκτρικής ενέργειας·

Μέτριες περιβαλλοντικές επιπτώσεις.

Μειονεκτήματα των πυρηνικών σταθμών:

Το ακτινοβολημένο καύσιμο είναι επικίνδυνο και απαιτεί πολύπλοκα και δαπανηρά μέτρα επανεπεξεργασίας και αποθήκευσης.

Ανεπιθύμητος τρόπος λειτουργίας με μεταβλητή ισχύ για αντιδραστήρες που λειτουργούν με θερμικά νετρόνια.

Με μικρή πιθανότητα συμβάντων, οι συνέπειές τους είναι εξαιρετικά σοβαρές

Μεγάλες επενδύσεις κεφαλαίου, τόσο ειδικές, ανά 1 MW εγκατεστημένης ισχύος για μονάδες ισχύος μικρότερης των 700-800 MW, όσο και γενικές, απαραίτητες για την κατασκευή του σταθμού, τις υποδομές του, καθώς και σε περίπτωση ενδεχόμενης εκκαθάρισης.

Όλες οι παραπάνω εναλλακτικές λύσεις για το λάδι έχουν ένα, αλλά ένα πολύ σημαντικό μειονέκτημα, ΔΕΝ είναι σε θέση να αντικαταστήσουν ΤΕΛΕΙΩΣ το λάδι ως πηγή ενέργειας. Μόνο η χρήση της θερμοπυρηνικής ενέργειας μπορεί να βοηθήσει σε αυτή την κατάσταση.

2.9 Θερμοπυρηνική ενέργεια

Η θερμοπυρηνική ενέργεια με τη συμμετοχή ηλίου 3 είναι μια ασφαλής και υψηλής ποιότητας ενέργεια.

θερμοπυρηνικές αντιδράσεις. Η απελευθέρωση ενέργειας κατά τη σύντηξη πυρήνων ελαφρών ατόμων δευτερίου, τριτίου ή λιθίου με το σχηματισμό ηλίου συμβαίνει κατά τη διάρκεια των θερμοπυρηνικών αντιδράσεων. Αυτές οι αντιδράσεις ονομάζονται θερμοπυρηνικές γιατί μπορούν να πραγματοποιηθούν μόνο σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Διαφορετικά, οι δυνάμεις της ηλεκτρικής απώθησης δεν επιτρέπουν στους πυρήνες να πλησιάσουν τόσο πολύ, ώστε οι πυρηνικές δυνάμεις έλξης να αρχίσουν να δρουν. Οι αντιδράσεις πυρηνικής σύντηξης είναι η πηγή της αστρικής ενέργειας. Οι ίδιες αντιδράσεις λαμβάνουν χώρα κατά την έκρηξη μιας βόμβας υδρογόνου. Η εφαρμογή της ελεγχόμενης θερμοπυρηνικής σύντηξης στη Γη υπόσχεται στην ανθρωπότητα μια νέα, πρακτικά ανεξάντλητη πηγή ενέργειας. Η πιο ελπιδοφόρα από αυτή την άποψη είναι η αντίδραση σύντηξης δευτερίου και τριτίου.

Εάν χρησιμοποιείτε δευτέριο με το ισότοπο του ηλίου-3 σε έναν αντιδραστήρα σύντηξης αντί για τα υλικά που χρησιμοποιούνται στην πυρηνική ενέργεια. Η ένταση της ροής νετρονίων πέφτει κατά 30 - κατά συνέπεια, είναι δυνατόν να διασφαλιστεί εύκολα η διάρκεια ζωής του αντιδραστήρα 30-40 ετών (η ποσότητα της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας μειώνεται ανάλογα). Μετά την ολοκλήρωση της λειτουργίας του αντιδραστήρα ηλίου, δεν δημιουργούνται απόβλητα υψηλής ραδιενέργειας και η ραδιενέργεια των δομικών στοιχείων θα είναι τόσο χαμηλή που μπορούν να ταφούν κυριολεκτικά σε χωματερή πόλης, ελαφρά πασπαλισμένα με χώμα.

Ποιο ειναι το πρόβλημα? Γιατί εξακολουθούμε να μην χρησιμοποιούμε τόσο κερδοφόρα καύσιμα σύντηξης;

Πρώτα απ 'όλα, γιατί αυτό το ισότοπο είναι εξαιρετικά μικρό στον πλανήτη μας. Γεννιέται στον Ήλιο, γι' αυτό και μερικές φορές αποκαλείται «ηλιακό ισότοπο». Η συνολική του μάζα εκεί υπερβαίνει το βάρος του πλανήτη μας. Το ήλιο-3 μεταφέρεται στον περιβάλλοντα χώρο από τον ηλιακό άνεμο. Το μαγνητικό πεδίο της Γης εκτρέπει ένα σημαντικό μέρος αυτού του ανέμου, και ως εκ τούτου το ήλιο-3 αποτελεί μόνο το ένα τρισεκατομμυριοστό της ατμόσφαιρας της Γης - περίπου 4000 τόνους Στην ίδια τη Γη, είναι ακόμη λιγότερο - περίπου 500 κιλά.

Υπάρχει πολύ περισσότερο από αυτό το ισότοπο στη Σελήνη. Εκεί διανθίζεται στο σεληνιακό χώμα «ρεγόλιθος», που σε σύνθεση μοιάζει με συνηθισμένη σκωρία. Μιλάμε για τεράστια – σχεδόν ανεξάντλητα αποθέματα!

Μια ανάλυση έξι δειγμάτων εδάφους που έφεραν οι αποστολές Apollo και δύο δειγμάτων που παραδόθηκαν από τους σοβιετικούς αυτόματους σταθμούς Luna έδειξε ότι ο ρεγόλιθος που καλύπτει όλες τις θάλασσες και τα οροπέδια της Σελήνης περιέχει έως και 106 τόνους ηλίου-3, το οποίο θα κάλυπτε τις ανάγκες του η ενέργεια της γης, ακόμη και αυξημένη σε σύγκριση με τη σύγχρονη κατά πολλές φορές, για μια χιλιετία! Σύμφωνα με σύγχρονες εκτιμήσεις, τα αποθέματα ηλίου-3 στη Σελήνη είναι τρεις τάξεις μεγέθους μεγαλύτερα - 109 τόνοι.

Εκτός από τη Σελήνη, το ήλιο-3 μπορεί να βρεθεί στις πυκνές ατμόσφαιρες των γιγάντιων πλανητών και, σύμφωνα με θεωρητικές εκτιμήσεις, τα αποθέματά του μόνο στον Δία είναι 1020 τόνοι, που θα ήταν αρκετοί για να τροφοδοτήσουν τη Γη μέχρι το τέλος του χρόνου. .

Έργα παραγωγής ηλίου-3

Ο Regolith καλύπτει τη Σελήνη με ένα στρώμα πάχους πολλών μέτρων. Ο ρεγόλιθος των σεληνιακών θαλασσών είναι πιο πλούσιος σε ήλιο από τον ρεγόλιθο των οροπεδίων. 1 κιλό ηλίου-3 περιέχεται σε περίπου 100.000 τόνους ρεγόλιθου.

Επομένως, για να εξαχθεί το πολύτιμο ισότοπο, είναι απαραίτητο να επεξεργαστεί μια τεράστια ποσότητα εύθραυστου σεληνιακού εδάφους.

Λαμβάνοντας υπόψη όλα τα χαρακτηριστικά, η τεχνολογία παραγωγής ηλίου-3 θα πρέπει να περιλαμβάνει τις ακόλουθες διαδικασίες:

1. Εκχύλιση ρηγόλιθου.

Ειδικοί «θεριστικές μηχανές» θα συλλέγουν ρεγολίθους από το επιφανειακό στρώμα πάχους περίπου 2 m και θα τον παραδίδουν στα σημεία επεξεργασίας ή θα τον επεξεργάζονται απευθείας στη διαδικασία εξόρυξης.

2. Απελευθέρωση ηλίου από ρεγόλιθο.

Όταν ο ρεγόλιθος θερμαίνεται στους 600°C, το 75% του ηλίου που περιέχεται στον ρεγόλιθο απελευθερώνεται (εκροφάται)· όταν θερμαίνεται στους 800°C, απελευθερώνεται σχεδόν όλο το ήλιο. Η θέρμανση με σκόνη προτείνεται να γίνεται σε ειδικούς φούρνους, εστιάζοντας το ηλιακό φως είτε με πλαστικούς φακούς είτε με καθρέφτες.

3. Παράδοση στη Γη με επαναχρησιμοποιήσιμα διαστημόπλοια.

Κατά την εξαγωγή του ηλίου-3, πολλές ουσίες εξάγονται επίσης από το ρεγόλιθο: υδρογόνο, νερό, άζωτο, διοξείδιο του άνθρακα, άζωτο, μεθάνιο, μονοξείδιο του άνθρακα, τα οποία μπορούν να είναι χρήσιμα για τη διατήρηση του σεληνιακού βιομηχανικού συμπλέγματος.

Το έργο του πρώτου σεληνιακού συνδυασμού, που σχεδιάστηκε για την επεξεργασία του ρεγολίθου και την εξαγωγή του ισοτόπου ηλίου-3 από αυτόν, προτάθηκε από την ομάδα του J. Kulchinski. Επί του παρόντος, ιδιωτικές αμερικανικές εταιρείες αναπτύσσουν πολλά πρωτότυπα, τα οποία, προφανώς, θα υποβληθούν στον διαγωνισμό αφού η NASA αποφασίσει για τα χαρακτηριστικά μιας μελλοντικής αποστολής στο φεγγάρι.

Είναι σαφές ότι, εκτός από την παράδοση συνδυασμών στη Σελήνη, θα πρέπει να κατασκευάσουν εγκαταστάσεις αποθήκευσης, μια κατοικήσιμη βάση (για την εξυπηρέτηση ολόκληρου του συγκροτήματος εξοπλισμού), ένα διαστημικό λιμάνι και πολλά άλλα. Πιστεύεται, ωστόσο, ότι το υψηλό κόστος της δημιουργίας μιας ανεπτυγμένης υποδομής στη Σελήνη θα αποδώσει αδρά όσον αφορά το γεγονός ότι πλησιάζει μια παγκόσμια ενεργειακή κρίση, όταν οι παραδοσιακοί τύποι μεταφορέων ενέργειας (άνθρακας, πετρέλαιο, φυσικό αέριο) πρέπει να εγκαταλειφθεί.

Λαμβάνοντας υπόψη ότι το πετρέλαιο θα εξαντληθεί σε 35-40 χρόνια, έχουμε αρκετό χρόνο για να υλοποιήσουμε ένα τέτοιο έργο. Και είναι η χώρα που θα μπορέσει να το εφαρμόσει που θα είναι ηγέτης στο μέλλον, και αν συνδυάσουμε τις προσπάθειες, μπορούμε να επιτύχουμε μεγαλύτερα αποτελέσματα και σε ταχύτερο χρονικό διάστημα.

Και λοιπόν, γιατί η θερμοπυρηνική ενέργεια; Γιατι το:

Πηγή ενέργειας μεγάλης κλίμακας με άφθονο και διαθέσιμο καύσιμο παντού.

Πολύ χαμηλός παγκόσμιος περιβαλλοντικός αντίκτυπος - Χωρίς εκπομπές CO2.

- Η «καθημερινή λειτουργία» του σταθμού ηλεκτροπαραγωγής δεν απαιτεί μεταφορά ραδιενεργών υλικών.

Το εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας είναι ασφαλές, χωρίς πιθανότητα «κατάρρευσης» ή «ανεξέλεγκτη αντίδραση».

Δεν υπάρχουν ραδιενεργά απόβλητα, κάτι που δεν δημιουργεί πρόβλημα στις επόμενες γενιές.

Είναι κερδοφόρο: Απαιτούνται περίπου 100 kg δευτερίου για να παραχθεί 1 GW ενέργειας και 3 τόνοι φυσικού λιθίου για χρήση για έναν ολόκληρο χρόνο, παράγοντας περίπου 7 δισεκατομμύρια kWh

3. Συμπέρασμα

Και έτσι, η ενέργεια είναι ένας σημαντικός πόρος απαραίτητος για την άνετη ύπαρξη της ανθρωπότητας. Και η εξόρυξη ενέργειας είναι ένα από τα κύρια προβλήματα της ανθρωπότητας. Τώρα το πετρέλαιο χρησιμοποιείται ενεργά ως πηγή ηλεκτρικής και καυσίμου ενέργειας, αλλά δεν είναι άπειρο και τα αποθέματά του μειώνονται μόνο κάθε χρόνο. Και οι τρέχουσες ανεπτυγμένες εναλλακτικές λύσεις δεν επιτρέπουν την πλήρη αντικατάσταση του λαδιού ή έχουν σοβαρά μειονεκτήματα.

Σήμερα, η μόνη πηγή ενέργειας που μπορεί να παρέχει την απαραίτητη ποσότητα ενέργειας για όλη την ανθρωπότητα και ταυτόχρονα να μην έχει σοβαρές ελλείψεις είναι η θερμοπυρηνική ενέργεια που βασίζεται στη χρήση ηλίου 3. Η τεχνολογία για την απόκτηση ενέργειας από αυτή την αντίδραση είναι επίπονη και απαιτεί μεγάλες επενδύσεις, αλλά η ενέργεια που λαμβάνεται με αυτόν τον τρόπο είναι φιλική προς το περιβάλλον και υπολογίζεται σε δισεκατομμύρια κιλοβάτ.

Εάν παίρνετε φθηνή και φιλική προς το περιβάλλον ενέργεια, μπορείτε να αντικαταστήσετε το λάδι όσο το δυνατόν περισσότερο, για παράδειγμα, να εγκαταλείψετε τους βενζινοκινητήρες προς όφελος των ηλεκτρικών, να παράγετε θερμότητα χρησιμοποιώντας ηλεκτρική ενέργεια κ.λπ. Έτσι, το πετρέλαιο, ως πρώτη ύλη για χημική παραγωγή, είναι αρκετό για την ανθρωπότητα για πολλούς ακόμη αιώνες.

Επομένως, στο φεγγάρι (που είναι η κύρια πηγή ηλίου 3) είναι απαραίτητο να δημιουργηθεί μια βιομηχανία. Για να δημιουργήσετε έναν κλάδο, πρέπει να έχετε ένα σχέδιο ανάπτυξης, και αυτό είναι θέμα πολλών ετών, και όσο πιο γρήγορα ξεκινήσετε, τόσο το καλύτερο. Γιατί αν πρέπει να το κάνετε ήδη σε μια απελπιστική κατάσταση (κατά τη διάρκεια μιας ενεργειακής κρίσης, για παράδειγμα), επειγόντως, θα έχει εντελώς διαφορετικά έξοδα.

Και η χώρα που αναπτύσσεται πιο γρήγορα προς αυτή την κατεύθυνση θα γίνει ηγέτης στο μέλλον. Γιατί η ενέργεια είναι το μέλλον.

4. Κατάλογος χρησιμοποιημένης βιβλιογραφίας

1. http://ru.wikipedia.org/ - παγκόσμια εγκυκλοπαίδεια

2. http://www.zlev.ru/61_59.htm - Το περιοδικό "Χρυσός Λέων" Νο. 61-62 - η δημοσίευση της ρωσικής συντηρητικής σκέψης, Πότε θα τελειώσει το λάδι;

3. http://www.vz.ru/society/2007/11/25/127214.html - ΠΡΟΒΟΛΗ / Όταν τελειώσει το λάδι

4. http://vz.ru/economy/2007/11/1/121681.html - ΠΡΟΒΟΛΗ / Ο κόσμος τελειώνει από πετρέλαιο

5. http://bio.fizteh.ru/departments/physchemplasm/topl_element.html ->Μια εναλλακτική λύση στο λάδι;. Σχολή Μοριακής και Βιολογικής Φυσικής, Ινστιτούτο Φυσικής και Τεχνολογίας της Μόσχας. "Phystech-Portal", "Phystech-Center"

6. http://encycl.accoona.ru/?id=74848 - ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ - Εγκυκλοπαίδεια Διαδικτύου, επεξηγηματικό λεξικό.

7. http://www.vepr.ru/show.html?id=7 - Από πού προέρχεται η ηλεκτρική ενέργεια (ιστορικό εμφάνισης)

8. http://www.bioenergy.by/mejdu_1.htm - Ενέργεια από βιομάζα. Έργο UNDP/GEF BYE/03/G31 στη Λευκορωσία

9. http://bibliotekar.ru/alterEnergy/37.htm - Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της αιολικής ενέργειας. Αρχές μετατροπής αιολικής ενέργειας. Αιολική ενέργεια

10. http://www.smenergo.ru/hydrogen_enegry/ - Ενέργεια υδρογόνου. Ενέργεια και ενέργεια.

11. http://works.tarefer.ru/89/100323/index.html Πρωτογενείς πηγές ενέργειας και ενέργεια σύντηξης

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

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

14. http://razrabotka.ucoz.ru/publ/4-1-0-16 - ΗΛΙΟ-ΤΡΙΑ - ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΟΥ ΜΕΛΛΟΝΤΟΣ - σεληνιακό πρόγραμμα - Κατάλογος άρθρων - Ανάπτυξη

15. http://www.fp7-bio.ru/presentations/fisheries/bioetanol.pdf/at_download/file - ενέργεια του μέλλοντος

16. http://www.scienmet.net/ - Αιολική γεννήτρια, αιολική ενέργεια

17. http://oil-resources.info - πόροι καυσίμων

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

19.http://www.ruscourier.ru/archive/2593 - μειονεκτήματα του υδρογόνου

20. http://www.intersolar.ru/geothermal/pressa/rbsgeo.html - Ενέργεια από τα βάθη - www.intersolar.ru

21.http://web-japan.org/nipponia/nipponia28/en/feature/feature09.html - NIPPONIA No.28, 15 Μαρτίου 2004

22. http://www.kti.ru/forum/img/usersf/pic_41.doc - εναλλακτικές πηγές ενέργειας

23. http://www.rosnpp.org.ru/aes_preimush.shtml - πυρηνικοί σταθμοί

24. http://www.atomstroyexport.ru/nuclear_market/advantage/ - πυρηνική ενέργεια

25. http://solar-battery.narod.ru/termoyad.htm - θερμοπυρηνική ενέργεια σε δράση

26.http://business.km.ru/magazin/view.asp?id=7B07CB0288D54DC0AC68C60AF246D693 - Business KM.RU. Το μέλλον της ρωσικής ενεργειακής βιομηχανίας βρίσκεται στα βιοκαύσιμα και τη θερμοπυρηνική ενέργεια

Σύνθεση και δομή

Φυσικές ιδιότητες

Χρήση

Μετρητές νετρονίων

Για την ανίχνευση νετρονίων χρησιμοποιούνται μετρητές αερίων γεμάτοι με ήλιο-3. Αυτή είναι η πιο κοινή μέθοδος για τη μέτρηση της ροής νετρονίων. Αντιδρούν

n+ 3 He → 3 H + 1 H + 0,764 MeV.

Τα φορτισμένα προϊόντα αντίδρασης - τρίτονο και πρωτόνιο - καταγράφονται από έναν μετρητή αερίων που λειτουργεί με τον τρόπο ενός αναλογικού μετρητή ή ενός μετρητή Geiger-Muller.

Απόκτηση εξαιρετικά χαμηλών θερμοκρασιών

Διαλύοντας το υγρό ήλιο-3 στο ήλιο-4, επιτυγχάνονται θερμοκρασίες millikelvin.

Το φάρμακο

Το πολωμένο ήλιο-3 (μπορεί να αποθηκευτεί για μεγάλο χρονικό διάστημα) έχει χρησιμοποιηθεί πρόσφατα στην απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού για την απεικόνιση των πνευμόνων χρησιμοποιώντας πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό.

Τιμή

Η μέση τιμή του ηλίου-3 το 2009 ήταν 930 $ ανά λίτρο.

Ήλιο-3 ως πυρηνικό καύσιμο

Η αντίδραση 3 He + D → 4 He + p έχει μια σειρά από πλεονεκτήματα έναντι της πιο επιτεύξιμης αντίδρασης δευτερίου-τριτίου T + D → 4 He + n σε επίγειες συνθήκες. Αυτά τα οφέλη περιλαμβάνουν:

Τα μειονεκτήματα της αντίδρασης ηλίου-δευτερίου περιλαμβάνουν ένα σημαντικά υψηλότερο κατώφλι θερμοκρασίας. Πρέπει να επιτευχθεί θερμοκρασία περίπου ενός δισεκατομμυρίου βαθμών για να μπορέσει να ξεκινήσει.

Επί του παρόντος, το ήλιο-3 δεν εξάγεται από φυσικές πηγές, αλλά δημιουργείται τεχνητά, κατά τη διάσπαση του τριτίου. Το τελευταίο παρήχθη για θερμοπυρηνικά όπλα με ακτινοβολία βορίου-10 και λιθίου-6 σε πυρηνικούς αντιδραστήρες.

Σχέδια εξόρυξης ηλίου-3 στη Σελήνη

Το ήλιο-3 είναι ένα υποπροϊόν αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα στον Ήλιο. Στη Γη εξορύσσεται σε πολύ μικρές ποσότητες, που υπολογίζονται σε αρκετές δεκάδες γραμμάρια ετησίως.

Ασταθής (λιγότερο από μία ημέρα): 5 Αυτός: Ήλιο-5, 6 Αυτός: Ήλιο-6, 7 Αυτός: Ήλιο-7, 8 Αυτός: Ήλιο-8, 9 Αυτός: Ήλιο-9, 10 Αυτός: Ήλιο-10

Ίδρυμα Wikimedia. 2010 .

Δείτε τι είναι το "Helium-3" σε άλλα λεξικά:

- (λατ. Ήλιο) Αυτός, ένα χημικό στοιχείο της ομάδας VIII του περιοδικού συστήματος, ατομικός αριθμός 2, ατομική μάζα 4,002602, ανήκει στα ευγενή αέρια. άχρωμο και άοσμο, πυκνότητα 0,178 g/l. Είναι πιο δύσκολο να υγροποιηθεί από όλα τα γνωστά αέρια (στους 268,93 ° C)· ... ... Μεγάλο Εγκυκλοπαιδικό Λεξικό

- (Ελληνικά, από το helyos sun). Ένα στοιχειώδες σώμα που ανακαλύφθηκε στο ηλιακό φάσμα και υπάρχει στη γη σε μερικά σπάνια ορυκτά. υπάρχει στον αέρα σε ίχνη. Λεξικό ξένων λέξεων που περιλαμβάνονται στη ρωσική γλώσσα. Chudinov A.N ... Λεξικό ξένων λέξεων της ρωσικής γλώσσας

- (σύμβολο He), ένα αέριο μη μεταλλικό στοιχείο, NOBLE GAS, που ανακαλύφθηκε το 1868. Λήφθηκε για πρώτη φορά από το ορυκτό clevit (μια ποικιλία ουρανίτη) το 1895. Επί του παρόντος, η κύρια πηγή του είναι το φυσικό αέριο. Περιέχεται επίσης σε... Επιστημονικό και τεχνικό εγκυκλοπαιδικό λεξικό

Εγώ, σύζυγος. , παλαιός Eliy, I. Πατέρας: Gelievich, Gelievna Παράγωγα: Gelya (Gela); Elya. Προέλευση: (Από το ελληνικό. hēlios sun.) Ονομαστική εορτή: 27 Ιουλίου Λεξικό ονομάτων. Ήλιο Βλέπε Ellius. Άγγελος της ημέρας. Αναφορά… Λεξικό ονομάτων

ΗΛΙΟ- χημ. στοιχείο, σύμβολο He (λατ. Helium), στο. n. 2, στο. μ. 4.002, αναφέρεται σε αδρανή (ευγενή) αέρια. άχρωμο και άοσμο, πυκνότητα 0,178 kg/m3. Υπό κανονικές συνθήκες, το υδρογόνο είναι ένα μονοατομικό αέριο, το άτομο του οποίου αποτελείται από έναν πυρήνα και δύο ηλεκτρόνια. σχηματίστηκε... Μεγάλη Πολυτεχνική Εγκυκλοπαίδεια

Ήλιο-τρία. Περίεργη και ακατανόητη φράση. Ωστόσο, όσο προχωράμε, τόσο περισσότερο θα το ακούμε. Γιατί, σύμφωνα με τους ειδικούς, είναι το ήλιο-τρία που θα σώσει τον κόσμο μας από την επικείμενη ενεργειακή κρίση. Και σε αυτή την επιχείρηση ο πιο ενεργός ρόλος δίνεται στη Ρωσία.

Φεγγάρι

Η πολλά υποσχόμενη θερμοπυρηνική ενέργεια, η οποία χρησιμοποιεί ως βάση την αντίδραση σύντηξης δευτερίου-τριτίου, αν και είναι ασφαλέστερη από την ενέργεια της πυρηνικής σχάσης, που χρησιμοποιείται σε σύγχρονους πυρηνικούς σταθμούς, εξακολουθεί να έχει ορισμένα σημαντικά μειονεκτήματα.

Πρώτα, αυτή η αντίδραση απελευθερώνει έναν πολύ μεγαλύτερο (κατά τάξη μεγέθους!) αριθμό νετρονίων υψηλής ενέργειας. Κανένα από τα γνωστά υλικά δεν μπορεί να αντέξει μια τόσο έντονη ροή νετρονίων για περισσότερα από έξι χρόνια - παρά το γεγονός ότι είναι λογικό να φτιάξουμε έναν αντιδραστήρα με πόρο τουλάχιστον 30 ετών. Κατά συνέπεια, το πρώτο τοίχωμα ενός αντιδραστήρα σύντηξης τριτίου θα πρέπει να αντικατασταθεί - και αυτή είναι μια πολύ περίπλοκη και δαπανηρή διαδικασία, η οποία συνδέεται επίσης με το κλείσιμο του αντιδραστήρα για μια αρκετά μεγάλη περίοδο.
κατα δευτερον, είναι απαραίτητο να θωρακιστεί το μαγνητικό σύστημα του αντιδραστήρα από την ισχυρή ακτινοβολία νετρονίων, η οποία περιπλέκει και, κατά συνέπεια, αυξάνει το κόστος του σχεδιασμού.
Τρίτον, πολλά στοιχεία του σχεδιασμού του αντιδραστήρα τριτίου μετά το τέλος της λειτουργίας θα είναι ιδιαίτερα ενεργά και θα απαιτούν ταφή για μεγάλο χρονικό διάστημα σε εγκαταστάσεις αποθήκευσης που έχουν δημιουργηθεί ειδικά για το σκοπό αυτό.

Στην περίπτωση χρήσης δευτερίου με ισότοπο ηλίου-3 αντί για τρίτιο σε θερμοπυρηνικό αντιδραστήρα, τα περισσότερα προβλήματα μπορούν να λυθούν. Η ένταση της ροής νετρονίων πέφτει κατά 30 - κατά συνέπεια, είναι δυνατόν να εξασφαλιστεί εύκολα μια διάρκεια ζωής 30-40 ετών. Μετά την ολοκλήρωση της λειτουργίας του αντιδραστήρα ηλίου, δεν δημιουργούνται απόβλητα υψηλής ραδιενέργειας και η ραδιενέργεια των δομικών στοιχείων θα είναι τόσο χαμηλή που μπορούν να ταφούν κυριολεκτικά σε χωματερή πόλης, ελαφρά πασπαλισμένα με χώμα.

Ποιο είναι το πρόβλημα? Γιατί εξακολουθούμε να μην χρησιμοποιούμε τόσο κερδοφόρα καύσιμα σύντηξης;

Ανάλυση έξι δειγμάτων εδάφους που έφεραν οι αποστολές Apollo και δύο δειγμάτων που παραδόθηκαν από σοβιετικούς αυτόματους σταθμούς " Φεγγάρι», έδειξε ότι ο ρεγόλιθος που καλύπτει όλες τις θάλασσες και τα οροπέδια της Σελήνης περιέχει έως και 106 τόνους ηλίου-3, που θα κάλυπτε τις ανάγκες της ενέργειας της γης, ακόμη και αρκετές φορές αυξημένες σε σύγκριση με τις σύγχρονες, για μια χιλιετία! Σύμφωνα με σύγχρονες εκτιμήσεις, τα αποθέματα ηλίου-3 στη Σελήνη είναι τρεις τάξεις μεγέθους μεγαλύτερα - 109 τόνοι.

Έργα παραγωγής ηλίου-3

1. Εκχύλιση ρηγόλιθου.

2. Απελευθέρωση ηλίου από ρεγόλιθο.

3. Παράδοση στη Γη με επαναχρησιμοποιήσιμα διαστημόπλοια.

Κύριο τεχνολογικό πρόβλημα

Στον δρόμο για τη δημιουργία ενέργειας με βάση το ήλιο-3, υπάρχει ένα σημαντικό πρόβλημα. Το γεγονός είναι ότι η αντίδραση δευτέριου-ηλίου-3 είναι πολύ πιο δύσκολο να υλοποιηθεί από την αντίδραση δευτερίου-τριτίου.

Πρώτα απ 'όλα, είναι εξαιρετικά δύσκολο να αναφλεγεί ένα μείγμα αυτών των ισοτόπων. Η υπολογισμένη θερμοκρασία στην οποία θα πραγματοποιηθεί μια θερμοπυρηνική αντίδραση σε ένα μίγμα δευτερίου-τριτίου είναι 100-200 εκατομμύρια βαθμοί. Όταν χρησιμοποιείται ήλιο-3, η απαιτούμενη θερμοκρασία είναι δύο τάξεις μεγέθους υψηλότερη. Στην πραγματικότητα, πρέπει να ανάψουμε έναν μικρό ήλιο στη Γη.

Ωστόσο, η ιστορία της ανάπτυξης της πυρηνικής ενέργειας (τον τελευταίο μισό αιώνα) καταδεικνύει μια αύξηση στις παραγόμενες θερμοκρασίες κατά τάξη μεγέθους σε διάστημα 10 ετών. Το 1990, το ήλιο-3 είχε ήδη καεί στο ευρωπαϊκό JET tokamak, ενώ η προκύπτουσα ισχύς ήταν 140 kW. Την ίδια περίπου στιγμή, το αμερικανικό tokamak TFTR έφτασε στη θερμοκρασία που απαιτείται για να ξεκινήσει η αντίδραση σε ένα μείγμα δευτερίου-ηλίου.

Ωστόσο, η ανάφλεξη του μείγματος είναι η μισή μάχη. Το μειονέκτημα της θερμοπυρηνικής ενέργειας είναι η δυσκολία απόκτησης πρακτικών αποδόσεων, επειδή το σώμα εργασίας θερμαίνεται με πλάσμα σε πολλά εκατομμύρια βαθμούς, το οποίο πρέπει να διατηρηθεί σε ένα μαγνητικό πεδίο.

Πειράματα εξημέρωσης πλάσματος έχουν πραγματοποιηθεί εδώ και πολλές δεκαετίες, αλλά μόλις στα τέλη Ιουνίου του περασμένου έτους στη Μόσχα, εκπρόσωποι ορισμένων χωρών υπέγραψαν συμφωνία για την κατασκευή του Διεθνούς Θερμοπυρηνικού Πειραματικού Αντιδραστήρα (ITER) στη νότια Γαλλία στη την πόλη Cadarache, ένα πρωτότυπο ενός πρακτικού σταθμού θερμοπυρηνικής ενέργειας. Ο ITER θα χρησιμοποιεί δευτέριο και τρίτιο ως καύσιμο.

Ένας αντιδραστήρας σύντηξης ηλίου-3 θα είναι δομικά πιο πολύπλοκος από τον ITER, και μέχρι στιγμής δεν είναι καν στα έργα. Και παρόλο που οι ειδικοί ελπίζουν ότι ένας πρωτότυπος αντιδραστήρας ηλίου-3 θα εμφανιστεί στα επόμενα 20-30 χρόνια, ενώ αυτή η τεχνολογία παραμένει καθαρή φαντασία.

Το θέμα της παραγωγής ηλίου-3 αναλύθηκε από ειδικούς κατά τις ακροάσεις για τη μελλοντική εξερεύνηση και εξερεύνηση της Σελήνης, που πραγματοποιήθηκαν τον Απρίλιο του 2004 στην Υποεπιτροπή Διαστήματος και Αεροναυπηγικής της Επιτροπής Επιστήμης της Βουλής των Αντιπροσώπων του Κογκρέσου των ΗΠΑ. Το συμπέρασμά τους ήταν αδιαμφισβήτητο: ακόμη και στο μακρινό μέλλον, η εξόρυξη ηλίου-3 στη Σελήνη είναι εντελώς ασύμφορη.

Όπως είπε ο John Logsdon, διευθυντής του Ινστιτούτου Διαστημικής Πολιτικής στην Ουάσιγκτον: «Η διαστημική κοινότητα των ΗΠΑ δεν θεωρεί την εξόρυξη ηλίου-3 ως σοβαρή δικαιολογία για να επιστρέψει στο φεγγάρι. Το να πετάς εκεί για αυτό το ισότοπο είναι σαν να στέλνεις τον Κολόμβο στην Ινδία για ουράνιο πριν από πεντακόσια χρόνια. Μπορεί να το φέρει, και θα το είχε φέρει, μόνο για μερικές εκατοντάδες χρόνια κανείς δεν θα ήξερε τι να το κάνει.

Η εξόρυξη ηλίου-3 ως εθνικό έργο

«Μιλάμε τώρα για τη θερμοπυρηνική ενέργεια του μέλλοντος και για έναν νέο οικολογικό τύπο καυσίμου που δεν μπορεί να παραχθεί στη Γη. Μιλάμε για τη βιομηχανική ανάπτυξη της σελήνης για την εξόρυξη ηλίου-3.

Αυτή η δήλωση του επικεφαλής της πυραυλικής και διαστημικής εταιρείας Energia, Νικολάι Σεβαστιάνοφ, έγινε αντιληπτή από Ρώσους επιστημονικούς παρατηρητές ως μια εφαρμογή για τη διαμόρφωση ενός νέου «εθνικού έργου».

Πράγματι, στην πραγματικότητα, μια από τις κύριες λειτουργίες του κράτους, ειδικά τον 20ό αιώνα, ήταν ακριβώς η διαμόρφωση καθηκόντων για την κοινωνία στα όρια της φαντασίας. Αυτό ίσχυε και για το σοβιετικό κράτος: ηλεκτρισμός, εκβιομηχάνιση, δημιουργία της ατομικής βόμβας, ο πρώτος δορυφόρος, η στροφή των ποταμών.

Σήμερα στη Ρωσική Ομοσπονδία, το κράτος προσπαθεί, αλλά δεν μπορεί να διαμορφώσει καθήκοντα στα όρια του αδύνατου. Το κράτος χρειάζεται κάποιον να του δείξει ένα πανελλαδικό έργο και να δικαιολογήσει τα οφέλη που θεωρητικά απορρέουν από αυτό το έργο. Το πρόγραμμα ανάπτυξης και παραγωγής ηλίου-3 από τη Σελήνη στη Γη με σκοπό την τροφοδοσία της θερμοπυρηνικής ενέργειας με καύσιμο ικανοποιεί ιδανικά αυτές τις απαιτήσεις.

«Απλώς πιστεύω ότι υπάρχει έλλειψη σε κάποιο μεγάλο τεχνολογικό πρόβλημα», δήλωσε ο Αλεξάντερ Ζαχάροφ, Διδάκτωρ Φυσικών και Μαθηματικών Επιστημών, Επιστημονικός Γραμματέας του Ινστιτούτου Διαστημικής Έρευνας της Ρωσικής Ακαδημίας Επιστημών, σε συνέντευξή του. - Ίσως, εξαιτίας αυτού, πρόσφατα προέκυψε όλη αυτή η συζήτηση για την παραγωγή ηλίου-3 στη Σελήνη για θερμοπυρηνική ενέργεια. Αν ένα Φεγγάρι- μια πηγή ορυκτών, και από εκεί να μεταφέρει αυτό το ήλιο-3, αλλά δεν υπάρχει αρκετή ενέργεια στη Γη ... Όλα αυτά είναι κατανοητά, ακούγονται πολύ ωραία. Και γι' αυτό είναι εύκολο, ίσως, να πείσουμε ανθρώπους με επιρροή να διαθέσουν χρήματα. Ετσι νομίζω".

Αυτό το ισότοπο σχεδιάζεται να εξορυχθεί στη Σελήνη για τις ανάγκες της θερμοπυρηνικής ενέργειας. Ωστόσο, αυτό είναι θέμα του απώτερου μέλλοντος. Ωστόσο, το ήλιο-3 είναι εξαιρετικά περιζήτητο σήμερα, ιδιαίτερα στην ιατρική.

Βλαντιμίρ Τεσλένκο

Η συνολική ποσότητα ηλίου-3 στην ατμόσφαιρα της Γης υπολογίζεται σε μόλις 35.000 τόνους.Η ροή του από τον μανδύα στην ατμόσφαιρα (μέσω ηφαιστείων και ρηγμάτων στον φλοιό) είναι αρκετά κιλά ετησίως. Στον σεληνιακό ρεγόλιθο, το ήλιο-3 συσσωρεύτηκε σταδιακά κατά τη διάρκεια εκατοντάδων εκατομμυρίων ετών έκθεσης στον ηλιακό άνεμο. Ως αποτέλεσμα, ένας τόνος σεληνιακού εδάφους περιέχει 0,01 g ήλιο-3 και 28 g ήλιο-4. αυτός ο ισοτοπικός λόγος (~0,04%) είναι πολύ υψηλότερος από ό,τι στην ατμόσφαιρα της Γης.

Τα φιλόδοξα σχέδια για την εξόρυξη ηλίου-3 στη Σελήνη, τα οποία εξετάζονται σοβαρά όχι μόνο από τους ηγέτες του διαστήματος (Ρωσία και Ηνωμένες Πολιτείες), αλλά και από νεοφερμένους (Κίνα και Ινδία), συνδέονται με τις ελπίδες που τίθενται σε αυτό το ισότοπο από την ενεργειακή βιομηχανία. Η πυρηνική αντίδραση 3He+D→4He+p έχει μια σειρά από πλεονεκτήματα σε σχέση με την πιο εφικτή αντίδραση δευτερίου-τριτίου T+D→4He+n σε επίγειες συνθήκες.

Αυτά τα πλεονεκτήματα περιλαμβάνουν μια ντουζίνα φορές χαμηλότερη ροή νετρονίων από τη ζώνη αντίδρασης, η οποία μειώνει δραματικά την επαγόμενη ραδιενέργεια και την αποικοδόμηση των δομικών υλικών του αντιδραστήρα. Επιπλέον, ένα από τα προϊόντα της αντίδρασης, τα πρωτόνια, σε αντίθεση με τα νετρόνια, συλλαμβάνονται εύκολα και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή πρόσθετου ηλεκτρισμού. Ταυτόχρονα, τόσο το ήλιο-3 όσο και το δευτέριο είναι ανενεργά, η αποθήκευση τους δεν απαιτεί ιδιαίτερες προφυλάξεις και σε περίπτωση ατυχήματος αντιδραστήρα με αποσυμπίεση του πυρήνα, η ραδιενέργεια της απελευθέρωσης είναι κοντά στο μηδέν. Η αντίδραση ηλίου-δευτερίου έχει επίσης ένα σοβαρό μειονέκτημα - ένα σημαντικά υψηλότερο όριο θερμοκρασίας (απαιτείται θερμοκρασία της τάξης ενός δισεκατομμυρίου βαθμών για να ξεκινήσει η αντίδραση).

Αν και όλα αυτά είναι θέμα του μέλλοντος, το ήλιο-3 είναι εξαιρετικά περιζήτητο ακόμη και τώρα. Είναι αλήθεια, όχι για την ενέργεια, αλλά για την πυρηνική φυσική, την κρυογονική βιομηχανία και την ιατρική.

Απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού

Από την έναρξή της στην ιατρική, η μαγνητική τομογραφία (MRI) έχει γίνει μια από τις κύριες διαγνωστικές μεθόδους που σας επιτρέπουν να κοιτάξετε "μέσα" σε διάφορα όργανα χωρίς καμία βλάβη.

Περίπου το 70% της μάζας του ανθρώπινου σώματος πέφτει σε υδρογόνο, ο πυρήνας του οποίου, το πρωτόνιο, έχει ένα ορισμένο σπιν και μια σχετική μαγνητική ροπή. Εάν ένα πρωτόνιο τοποθετηθεί σε ένα εξωτερικό σταθερό μαγνητικό πεδίο, το σπιν και η μαγνητική ροπή προσανατολίζονται είτε κατά μήκος του πεδίου είτε προς αυτό και η ενέργεια του πρωτονίου στην πρώτη περίπτωση θα είναι μικρότερη από τη δεύτερη. Ένα πρωτόνιο μπορεί να μεταφερθεί από την πρώτη κατάσταση στη δεύτερη μεταφέροντας σε αυτό μια αυστηρά καθορισμένη ενέργεια ίση με τη διαφορά μεταξύ αυτών των επιπέδων ενέργειας, για παράδειγμα, ακτινοβολώντας το με κβάντα ηλεκτρομαγνητικού πεδίου σε μια ορισμένη συχνότητα.

Πώς να μαγνητίσετε το ήλιο-3

Ο απλούστερος και πιο άμεσος τρόπος για να μαγνητίσετε το ήλιο-3 είναι να το ψύξετε σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Ωστόσο, η αποτελεσματικότητα αυτής της μεθόδου είναι πολύ χαμηλή, επιπλέον, απαιτεί ισχυρά μαγνητικά πεδία και χαμηλές θερμοκρασίες. Ως εκ τούτου, στην πράξη, χρησιμοποιείται η μέθοδος της οπτικής άντλησης - η μεταφορά σπιν σε άτομα ηλίου από πολωμένα φωτόνια αντλίας. Στην περίπτωση του ηλίου-3, αυτό συμβαίνει σε δύο στάδια: οπτική άντληση σε μετασταθερή κατάσταση και ανταλλαγή σπιν μεταξύ ατόμων ηλίου στο έδαφος και μετασταθερών καταστάσεων. Τεχνικά, αυτό επιτυγχάνεται με την ακτινοβολία ενός στοιχείου με ήλιο-3, που μεταφέρεται σε μετασταθερή κατάσταση από μια ασθενή ηλεκτρική εκκένωση υψηλής συχνότητας, με ακτινοβολία λέιζερ κυκλικής πόλωσης παρουσία ασθενούς μαγνητικού πεδίου. Το πολωμένο ήλιο μπορεί να αποθηκευτεί σε δοχείο επενδεδυμένο με καίσιο σε πίεση 10 ατμοσφαιρών για περίπου 100 ώρες.

Έτσι ακριβώς λειτουργεί ένας σαρωτής μαγνητικής τομογραφίας, μόνο που δεν ανιχνεύει μεμονωμένα πρωτόνια. Εάν τοποθετήσουμε ένα δείγμα που περιέχει μεγάλο αριθμό πρωτονίων σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, τότε οι αριθμοί των πρωτονίων με μαγνητική ροπή κατευθυνόμενη κατά μήκος και απέναντι από το πεδίο θα είναι περίπου ίσοι. Εάν αρχίσουμε να ακτινοβολούμε αυτό το δείγμα με ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία αυστηρά καθορισμένης συχνότητας, όλα τα πρωτόνια με μαγνητική ροπή (και σπιν) «κατά μήκος του πεδίου» θα αναποδογυρίσουν, παίρνοντας τη θέση «προς το πεδίο». Σε αυτή την περίπτωση, υπάρχει μια συντονισμένη απορρόφηση ενέργειας και κατά τη διαδικασία της επιστροφής στην αρχική κατάσταση, που ονομάζεται χαλάρωση, υπάρχει μια εκ νέου εκπομπή της λαμβανόμενης ενέργειας, η οποία μπορεί να ανιχνευθεί. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός, NMR. Η μέση πόλωση μιας ουσίας, από την οποία εξαρτάται το χρήσιμο σήμα σε NMR, είναι ευθέως ανάλογη με την ισχύ του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Για να αποκτήσετε ένα σήμα που μπορεί να ανιχνευθεί και να διαχωριστεί από το θόρυβο, απαιτείται ένας υπεραγώγιμος μαγνήτης - μόνο αυτός μπορεί να δημιουργήσει ένα μαγνητικό πεδίο με επαγωγή της τάξης των 1-3 Τ.

μαγνητικό αέριο

Ένας τομογράφος MR "βλέπει" συστάδες πρωτονίων, επομένως είναι εξαιρετικός για τη μελέτη και τη διάγνωση μαλακών ιστών και οργάνων που περιέχουν μεγάλες ποσότητες υδρογόνου (κυρίως με τη μορφή νερού) και καθιστά επίσης δυνατή τη διάκριση των μαγνητικών ιδιοτήτων των μορίων. Με αυτόν τον τρόπο, μπορείτε, ας πούμε, να διακρίνετε το αρτηριακό αίμα που περιέχει αιμοσφαιρίνη (ο κύριος φορέας οξυγόνου στο αίμα) από το φλεβικό αίμα που περιέχει παραμαγνητική δεοξυαιμοσφαιρίνη - αυτή είναι η βάση του fMRI (λειτουργική μαγνητική τομογραφία), η οποία σας επιτρέπει να παρακολουθείτε τη δραστηριότητα του εγκεφάλου νευρώνες.

Αλλά, δυστυχώς, μια τέτοια θαυμάσια τεχνική όπως η μαγνητική τομογραφία είναι εντελώς ακατάλληλη για τη μελέτη πνευμόνων γεμάτων αέρα (ακόμη και αν τους γεμίσετε με υδρογόνο, το σήμα από ένα αέριο μέσο με χαμηλή πυκνότητα θα είναι πολύ αδύναμο στο φόντο του θορύβου). Και οι μαλακοί ιστοί των πνευμόνων δεν φαίνονται πολύ καλά με τη βοήθεια της μαγνητικής τομογραφίας, γιατί είναι «πορώδεις» και περιέχουν λίγο υδρογόνο.

Είναι δυνατόν να παρακάμψουμε αυτόν τον περιορισμό; Είναι δυνατό εάν χρησιμοποιείτε ένα "μαγνητισμένο" αέριο - σε αυτήν την περίπτωση, η μέση πόλωση δεν θα καθοριστεί από ένα εξωτερικό πεδίο, επειδή όλες (ή σχεδόν όλες) οι μαγνητικές ροπές θα είναι προσανατολισμένες προς μία κατεύθυνση. Και αυτό δεν είναι καθόλου μυθοπλασία: το 1966, ο Γάλλος φυσικός Alfred Kastler έλαβε το βραβείο Νόμπελ με τη διατύπωση "Για την ανακάλυψη και την ανάπτυξη οπτικών μεθόδων για τη μελέτη των συντονισμών Hertzian στα άτομα". Ασχολήθηκε με τα ζητήματα της οπτικής πόλωσης συστημάτων σπιν - δηλαδή απλώς τη «μαγνήτιση» αερίων (ιδίως του ηλίου-3) χρησιμοποιώντας οπτική άντληση κατά τη διάρκεια συντονισμένης απορρόφησης φωτονίων με κυκλική πόλωση.

Ο πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός χρησιμοποιεί τις μαγνητικές ιδιότητες των πυρήνων υδρογόνου - πρωτονίων. Χωρίς εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, οι μαγνητικές ροπές των πρωτονίων προσανατολίζονται αυθαίρετα (όπως στην πρώτη εικόνα). Όταν εφαρμόζεται ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, οι μαγνητικές ροπές των πρωτονίων προσανατολίζονται παράλληλα προς το πεδίο, είτε "κατά μήκος" είτε "προς". Αυτές οι δύο θέσεις έχουν διαφορετικές ενέργειες (2). Ένας παλμός ραδιοσυχνοτήτων με συχνότητα συντονισμού που αντιστοιχεί στη διαφορά ενέργειας «στρέφει» τις μαγνητικές ροπές των πρωτονίων «προς» το πεδίο (3). Μετά το τέλος του παλμού ραδιοσυχνότητας, εμφανίζεται μια αντίστροφη «αναστροφή» και τα πρωτόνια εκπέμπουν στη συχνότητα συντονισμού. Αυτό το σήμα λαμβάνεται από το σύστημα ραδιοσυχνοτήτων του τομογράφου και χρησιμοποιείται από τον υπολογιστή για τη δημιουργία της εικόνας (4).

Αναπνεύστε βαθιά

Η χρήση πολωμένων αερίων στην ιατρική πρωτοστάτησε από μια ομάδα ερευνητών από το Πρίνστον και το Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης στο Stony Brook. Το 1994, οι επιστήμονες δημοσίευσαν ένα άρθρο στο περιοδικό Nature που δείχνει την πρώτη εικόνα MRI ενός πνεύμονα ποντικιού.

Είναι αλήθεια ότι η μαγνητική τομογραφία δεν είναι αρκετά τυπική - η τεχνική βασίστηκε στην απόκριση όχι των πυρήνων υδρογόνου (πρωτόνια), αλλά των πυρήνων ξένου-129. Επιπλέον, το αέριο δεν ήταν αρκετά συνηθισμένο, αλλά υπερπολωμένο, δηλαδή "μαγνητισμένο" εκ των προτέρων. Έτσι, γεννήθηκε μια νέα διαγνωστική μέθοδος, η οποία σύντομα άρχισε να χρησιμοποιείται στην ανθρώπινη ιατρική.

Το υπερπολωμένο αέριο (συνήθως αναμεμειγμένο με οξυγόνο) εισέρχεται στις πιο απομακρυσμένες γωνίες των πνευμόνων, γεγονός που καθιστά δυνατή τη λήψη εικόνας MRI με ανάλυση που είναι τάξη μεγέθους υψηλότερη από τις καλύτερες ακτινογραφίες. Είναι ακόμη δυνατό να κατασκευαστεί ένας λεπτομερής χάρτης της μερικής πίεσης του οξυγόνου σε κάθε περιοχή των πνευμόνων και στη συνέχεια να εξαχθούν συμπεράσματα σχετικά με την ποιότητα της ροής του αίματος και τη διάχυση του οξυγόνου στα τριχοειδή αγγεία. Αυτή η τεχνική καθιστά δυνατή τη μελέτη της φύσης του αερισμού των πνευμόνων σε ασθματικούς και τον έλεγχο της αναπνευστικής διαδικασίας των κρίσιμων ασθενών στο επίπεδο των κυψελίδων.

Πώς λειτουργεί η μαγνητική τομογραφία. Ένας σαρωτής μαγνητικής τομογραφίας ανιχνεύει συστάδες πρωτονίων - τους πυρήνες των ατόμων υδρογόνου. Επομένως, η μαγνητική τομογραφία δείχνει διαφορές στην περιεκτικότητα σε υδρογόνο (κυρίως νερό) σε διαφορετικούς ιστούς. Υπάρχουν άλλοι τρόποι διάκρισης ενός ιστού από τον άλλο (ας πούμε, διαφορές στις μαγνητικές ιδιότητες), που χρησιμοποιούνται σε εξειδικευμένες μελέτες.

Τα πλεονεκτήματα της μαγνητικής τομογραφίας με χρήση υπερπολωμένων αερίων δεν περιορίζονται σε αυτό. Εφόσον το αέριο είναι υπερπολωμένο, το χρήσιμο επίπεδο σήματος είναι πολύ υψηλότερο (περίπου 10.000 φορές). Αυτό σημαίνει ότι δεν υπάρχει ανάγκη για εξαιρετικά ισχυρά μαγνητικά πεδία και οδηγεί στη σχεδίαση των λεγόμενων σαρωτών μαγνητικής τομογραφίας χαμηλού πεδίου - είναι φθηνότεροι, πιο κινητοί και πολύ πιο ευρύχωροι. Σε τέτοιες εγκαταστάσεις, χρησιμοποιούνται ηλεκτρομαγνήτες που δημιουργούν ένα πεδίο της τάξης των 0,005 Τ, το οποίο είναι εκατοντάδες φορές ασθενέστερο από τους τυπικούς σαρωτές μαγνητικής τομογραφίας.

μικρό εμπόδιο

Αν και τα πρώτα πειράματα σε αυτόν τον τομέα πραγματοποιήθηκαν με υπερπολωμένο xenon-129, σύντομα αντικαταστάθηκε από ήλιο-3. Είναι ακίνδυνο, παράγει πιο ευκρινείς εικόνες από το xenon-129 και έχει τριπλάσια μαγνητική ροπή, με αποτέλεσμα ένα ισχυρότερο σήμα NMR. Επιπλέον, ο εμπλουτισμός του xenon-129 λόγω της γειτνίασης της μάζας με άλλα ισότοπα xenon είναι μια δαπανηρή διαδικασία και η επιτεύξιμη πόλωση αερίου είναι σημαντικά χαμηλότερη από αυτή του ηλίου-3. Επιπλέον, το xenon-129 έχει ηρεμιστικό αποτέλεσμα.

Αλλά αν οι τομογράφοι χαμηλού πεδίου είναι απλοί και φθηνοί, γιατί δεν χρησιμοποιείται υπερπολωμένη μαγνητική τομογραφία ηλίου σε κάθε κλινική τώρα; Υπάρχει ένα εμπόδιο. Αλλά τί!

Κληρονομιά του Ψυχρού Πολέμου

Ο μόνος τρόπος για να πάρετε το ήλιο-3 είναι η διάσπαση του τριτίου. Μεγάλο μέρος του αποθέματος του 3He οφείλει την προέλευσή του στη διάσπαση του τριτίου που παρήχθη κατά τη διάρκεια του αγώνα πυρηνικών εξοπλισμών κατά τη διάρκεια του Ψυχρού Πολέμου. Στις Ηνωμένες Πολιτείες, μέχρι το 2003, είχαν συσσωρευτεί περίπου 260.000 λίτρα «ακατέργαστου» (μη καθαρού) ηλίου-3 και μέχρι το 2010 είχαν απομείνει μόνο 12.000 λίτρα αχρησιμοποίητου αερίου. Σε σχέση με την αυξανόμενη ζήτηση για αυτό το σπάνιο αέριο, η παραγωγή περιορισμένων ποσοτήτων τριτίου αποκαταστάθηκε ακόμη και το 2007 και μέχρι το 2015 σχεδιάζεται να λαμβάνει επιπλέον 8.000 λίτρα ηλίου-3 ετησίως. Ταυτόχρονα, η ετήσια ζήτηση για αυτό είναι ήδη τουλάχιστον 40.000 λίτρα (εκ των οποίων μόνο το 5% χρησιμοποιείται στην ιατρική). Τον Απρίλιο του 2010, η Επιτροπή Επιστήμης και Τεχνολογίας των ΗΠΑ κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η έλλειψη ηλίου-3 θα οδηγούσε σε πραγματικές αρνητικές συνέπειες για πολλούς τομείς. Ακόμη και οι επιστήμονες που εργάζονται στην πυρηνική βιομηχανία των ΗΠΑ δυσκολεύονται να αποκτήσουν ήλιο-3 από τα αποθέματα του κράτους.

Ψύξη ανάμειξης

Μια άλλη βιομηχανία που δεν μπορεί να κάνει χωρίς ήλιο-3 είναι η κρυογονική βιομηχανία. Για την επίτευξη εξαιρετικά χαμηλών θερμοκρασιών, τα λεγόμενα. ψυγείο αραίωσης που χρησιμοποιεί το αποτέλεσμα της διάλυσης του ηλίου-3 σε ήλιο-4. Σε θερμοκρασίες κάτω των 0,87 Κ, το μείγμα χωρίζεται σε δύο φάσεις, πλούσιες σε ήλιο-3 και ήλιο-4. Η μετάβαση μεταξύ αυτών των φάσεων απαιτεί ενέργεια και αυτό επιτρέπει την ψύξη σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες - έως και 0,02 Κ. Η απλούστερη τέτοια συσκευή έχει επαρκή παροχή ηλίου-3, το οποίο σταδιακά μετακινείται μέσω της διεπαφής στη φάση πλούσια σε ήλιο-4 με απορρόφηση ενέργειας. Όταν τελειώσει η παροχή ηλίου-3, η συσκευή δεν θα μπορεί να λειτουργήσει περαιτέρω - είναι "μιας χρήσης".
Αυτή η μέθοδος ψύξης, συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκε στο τροχιακό παρατηρητήριο Planck της Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος. Η αποστολή του Planck ήταν να καταγράψει την ανισοτροπία του CMB (με θερμοκρασία περίπου 2,7 K) με υψηλή ανάλυση χρησιμοποιώντας 48 βολομετρικούς ανιχνευτές HFI (High Frequency Instrument) που ψύχονταν στους 0,1 K. Πριν εξαντληθεί η παροχή ηλίου-3 στο σύστημα ψύξης , ο Planck κατάφερε να τραβήξει 5 φωτογραφίες του ουρανού στην περιοχή των μικροκυμάτων.

Η τιμή δημοπρασίας του ηλίου-3 κυμαίνεται γύρω στα 2.000 δολάρια ανά λίτρο και δεν παρατηρείται πτωτική τάση. Η έλλειψη αυτού του αερίου οφείλεται στο γεγονός ότι το μεγαλύτερο μέρος του ηλίου-3 χρησιμοποιείται για την κατασκευή ανιχνευτών νετρονίων, οι οποίοι χρησιμοποιούνται σε συσκευές για την ανίχνευση πυρηνικών υλικών. Τέτοιοι ανιχνευτές καταγράφουν τα νετρόνια σύμφωνα με την αντίδραση (n, p) - τη σύλληψη ενός νετρονίου και την εκπομπή ενός πρωτονίου. Και για να ανιχνευθούν προσπάθειες εισαγωγής πυρηνικών υλικών, απαιτούνται πολλοί τέτοιοι ανιχνευτές - εκατοντάδες χιλιάδες κομμάτια. Αυτός είναι ο λόγος που το ήλιο-3 έχει γίνει φανταστικά ακριβό και απρόσιτο στη μαζική ιατρική.

Ωστόσο, υπάρχουν ελπίδες. Είναι αλήθεια ότι δεν εκχωρούνται στο σεληνιακό ήλιο-3 (η παραγωγή του παραμένει μακρινή προοπτική), αλλά στο τρίτιο, το οποίο σχηματίζεται σε αντιδραστήρες βαρέος νερού τύπου CANDU, οι οποίοι λειτουργούν στον Καναδά, την Αργεντινή, τη Ρουμανία, την Κίνα και το Νότο Κορέα.

Πιθανώς λίγα πράγματα στον τομέα της θερμοπυρηνικής ενέργειας περιβάλλονται από μύθους όπως το Ήλιο 3. Στις δεκαετίες 80-90 διαδόθηκε ενεργά ως καύσιμο που θα έλυνε όλα τα προβλήματα της ελεγχόμενης θερμοπυρηνικής σύντηξης, καθώς και έναν από τους λόγους για να απομακρυνθεί τη Γη (γιατί στη γη της είναι κυριολεκτικά μερικές εκατοντάδες κιλά, και στη Σελήνη ένα δισεκατομμύριο τόνοι) και επιτέλους ξεκινήστε την εξερεύνηση του ηλιακού συστήματος. Όλα αυτά βασίζονται σε πολύ περίεργες ιδέες για τις δυνατότητες, τα προβλήματα και τις ανάγκες της θερμοπυρηνικής ενέργειας που δεν υπάρχει σήμερα, για τις οποίες θα μιλήσουμε.

Το μηχάνημα για την εξόρυξη ηλίου3 στο φεγγάρι είναι ήδη έτοιμο, το μόνο που μένει είναι να βρεις τη χρήση του.

Όταν μιλάνε για ήλιο3, εννοούν τις αντιδράσεις θερμοπυρηνικής σύντηξης He3 + D -> He4 + Hή He3 + He3 -> 2He4 + 2H. Σε σύγκριση με την κλασική D + T -> He4 +nδεν υπάρχουν νετρόνια στα προϊόντα της αντίδρασης, πράγμα που σημαίνει ότι δεν υπάρχει ενεργοποίηση της κατασκευής ενός θερμοπυρηνικού αντιδραστήρα από υπερενεργητικά νετρόνια. Επιπλέον, το γεγονός ότι τα νετρόνια από τα «κλασικά» μεταφέρουν το 80% της ενέργειας από το πλάσμα θεωρείται πρόβλημα, επομένως η ισορροπία αυτοθέρμανσης εμφανίζεται σε υψηλότερη θερμοκρασία. Ένα άλλο αξιοσημείωτο πλεονέκτημα της έκδοσης ηλίου είναι ότι η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να αφαιρεθεί απευθείας από τα φορτισμένα σωματίδια της αντίδρασης και όχι με θέρμανση του νερού με νετρόνια - όπως σε παλιούς σταθμούς παραγωγής ενέργειας με καύση άνθρακα.

Άρα, όλα αυτά δεν είναι αλήθεια, ή μάλλον ένα πολύ μικρό μέρος της αλήθειας.

Ας ξεκινήσουμε με το γεγονός ότι στην ίδια πυκνότητα πλάσματος και βέλτιστη θερμοκρασία, η αντίδραση He3 + D θα υποχωρήσει 40 φορές λιγότεροαπελευθέρωση ενέργειας ανά κυβικό μέτρο πλάσματος εργασίας. Σε αυτή την περίπτωση, η θερμοκρασία που απαιτείται για τουλάχιστον 40 φορές ρήξη θα είναι 10 φορές υψηλότερη - 100 keV (ή ένα δισεκατομμύριο βαθμούς) έναντι 10 για D +T. Από μόνη της, μια τέτοια θερμοκρασία είναι αρκετά εφικτή (το ρεκόρ για τα tokamaks σήμερα είναι 50 keV, μόνο δύο φορές χειρότερο), αλλά για να δημιουργήσουμε ένα ενεργειακό ισοζύγιο (ρυθμός ψύξης VS ρυθμός θέρμανσης, συμπεριλαμβανομένης της αυτοθέρμανσης), πρέπει να αυξήσουμε την απελευθέρωση ενέργειας κατά 50 φορές από κυβικά μέτρα αντίδρασης He3 + D, η οποία μπορεί να γίνει μόνο με αύξηση της πυκνότητας κατά 50 φορές. Σε συνδυασμό με δεκαπλάσια αύξηση της θερμοκρασίας, αυτό δίνει αύξηση της πίεσης του πλάσματος κατά 500 φορές- από 3-5 atm σε 1500-2500 atm, και την ίδια αύξηση στην αντίθλιψη για να διατηρηθεί αυτό το πλάσμα.

Αλλά οι εικόνες είναι εμπνευσμένες.

Θυμάστε, έγραψα ότι οι μαγνήτες του σπειροειδούς πεδίου ITER, που δημιουργούν αντιπίεση στο πλάσμα, είναι προϊόντα απολύτως ρεκόρ, οι μόνοι στον κόσμο από άποψη παραμέτρων; Έτσι, οι οπαδοί του He3 προτείνουν να κάνουμε μαγνήτες 500 φορές πιο ισχυρούς.

Εντάξει, ξεχάστε τις δυσκολίες, μήπως τα πλεονεκτήματα αυτής της αντίδρασης τις πληρώσουν;

Διάφορες θερμοπυρηνικές αντιδράσεις που ισχύουν για CTS. Το He3 + D δίνει ελαφρώς περισσότερη ενέργεια από το D + T, αλλά δαπανάται πολλή ενέργεια για την υπέρβαση της απώθησης Coulomb (φόρτιση 3 και όχι 2), επομένως η αντίδραση είναι αργή.

Ας ξεκινήσουμε με τα νετρόνια. Τα νετρόνια σε έναν βιομηχανικό αντιδραστήρα θα είναι ένα σοβαρό πρόβλημα, καταστρέφοντας τα υλικά του σκάφους, θερμαίνοντας όλα τα στοιχεία που αντιμετωπίζουν το πλάσμα τόσο πολύ που πρέπει να ψύχονται με μια αξιοπρεπή ποσότητα νερού. Και το πιο σημαντικό, η ενεργοποίηση υλικών από νετρόνια θα οδηγήσει στο γεγονός ότι ακόμη και 10 χρόνια μετά το κλείσιμο ενός θερμοπυρηνικού αντιδραστήρα, θα έχει χιλιάδες τόνους ραδιενεργών δομών που δεν μπορούν να αποσυναρμολογηθούν με το χέρι και οι οποίες θα παλαιωθούν στην αποθήκευση για εκατοντάδες και χιλιάδες χρόνια. Η απαλλαγή από τα νετρόνια θα διευκόλυνε προφανώς τη δημιουργία ενός θερμοπυρηνικού σταθμού ηλεκτροπαραγωγής.

Κλάσμα ενέργειας που μεταφέρεται από νετρόνια. Εάν προσθέσετε περισσότερο He3 στον αντιδραστήρα, μπορείτε να το μειώσετε στο 1%, αλλά αυτό θα ενισχύσει περαιτέρω τις συνθήκες ανάφλεξης.

Εντάξει, αλλά τι γίνεται με την άμεση μετατροπή της ενέργειας των φορτισμένων σωματιδίων σε ηλεκτρική ενέργεια; Τα πειράματα δείχνουν ότι η ροή ιόντων με ενέργεια 100 keV μπορεί να μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια με απόδοση 80%. Δεν έχουμε νετρόνια εδώ... Θέλω να πω, δεν αφαιρούν όλη την ενέργεια που μπορούμε να πάρουμε μόνο με τη μορφή θερμότητας - ας απαλλαγούμε από τους ατμοστρόβιλους και ας βάλουμε συλλέκτες ιόντων;

Ναι, υπάρχουν τεχνολογίες για την άμεση μετατροπή της ενέργειας πλάσματος σε ηλεκτρική ενέργεια, μελετήθηκαν ενεργά τη δεκαετία του '60-70 και έδειξαν απόδοση της τάξης του 50-60% (όχι 80, πρέπει να σημειωθεί). Ωστόσο, αυτή η ιδέα είναι ελάχιστα εφαρμόσιμη τόσο στους αντιδραστήρες D + T όσο και στους He3 + D. Γιατί συμβαίνει αυτό, αυτή η εικόνα βοηθά να καταλάβουμε.

Δείχνει την απώλεια θερμότητας του πλάσματος μέσω διαφορετικών καναλιών. Συγκρίνετε D+T και D + He3. Η μεταφορά είναι αυτό που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την άμεση μετατροπή της ενέργειας του πλάσματος σε ηλεκτρική. Εάν στην παραλλαγή D + T, τα πάντα αφαιρούνται από εμάς από άσχημα νετρόνια, τότε στην περίπτωση του He3 + D, τα πάντα αφαιρούνται από την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία του πλάσματος, κυρίως σύγχροτρον και ακτίνες Χ bremsstrahlung (στην εικόνα Bremsstrahlung). Η κατάσταση είναι σχεδόν συμμετρική, παρόλα αυτά, είναι απαραίτητο να αφαιρέσετε τη θερμότητα από τους τοίχους και ακόμα με άμεση μετατροπή δεν μπορούμε να βγάλουμε περισσότερο από 10-15%την ενέργεια της θερμοπυρηνικής καύσης, και τα υπόλοιπα - με τον παλιό τρόπο, μέσω μιας ατμομηχανής.

Απεικόνιση σε μια μελέτη για την άμεση μετατροπή ενέργειας πλάσματος στη μεγαλύτερη ανοιχτή παγίδα Gamma-10 στην Ιαπωνία.

Εκτός από τους θεωρητικούς περιορισμούς, υπάρχουν και μηχανικοί - στον κόσμο (συμπεριλαμβανομένης της ΕΣΣΔ) δαπανήθηκαν γιγαντιαίες προσπάθειες για τη δημιουργία εγκαταστάσεων για την άμεση μετατροπή της ενέργειας πλάσματος σε ηλεκτρική ενέργεια για συμβατικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής, γεγονός που επέτρεψε την αύξηση της απόδοσης από 35% έως 55%. Βασίζεται κυρίως σε γεννήτριες MHD. 30 χρόνια δουλειάς μεγάλων ομάδων τελείωσαν σε ζιλχ - ο πόρος της εγκατάστασης ήταν εκατοντάδες ώρες, όταν οι μηχανικοί ενέργειας χρειάζονται χιλιάδες και δεκάδες χιλιάδες. Ο τεράστιος όγκος των πόρων που δαπανήθηκαν για αυτήν την τεχνολογία οδήγησε, ειδικότερα, στο γεγονός ότι η χώρα μας έχει μείνει πίσω στην παραγωγή αεριοστροβίλων ηλεκτρικής ενέργειας και σταθμών κύκλου ατμοστροβίλου αερίου (που δίνουν ακριβώς την ίδια αύξηση στην απόδοση - από 35 στο 55%!).

Παρεμπιπτόντως, ισχυροί υπεραγώγιμοι μαγνήτες χρειάζονται επίσης για γεννήτριες MHD. Εδώ εμφανίζονται οι μαγνήτες SP για μια γεννήτρια MHD 30 MW.