Helijeva formula 3. Helij-tri je energija budućnosti. Sastav i struktura

Helij 3 - energija budućnosti

Svi znamo da naše ulje nije beskonačno, a studije su dokazale i njegovo organsko podrijetlo, što znači da je nafta neobnovljivi resurs. Nafta je zapaljiva uljasta tekućina, koja je mješavina ugljikovodika, crveno-smeđe, ponekad gotovo crne boje, iako je ponekad i blago obojena žuto-zelena pa čak i bezbojna nafta, specifičnog mirisa, česta je u sedimentnoj ljusci. Zemlje; jedan od najvažnijih minerala. Nafta je mješavina oko 1000 pojedinačnih tvari, od kojih su većina tekući ugljikovodici. Nafta zauzima vodeće mjesto u globalnoj bilanci goriva i energije: njen udio u ukupnoj potrošnji energetskih resursa iznosi 48% Zato je nafta kao izvor energije tako važna za čovječanstvo.

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

Grafikon jasno pokazuje da se vodećim mjestom mogu pohvaliti samo termoelektrane koje kao gorivo koriste neobnovljive izvore kao što su: nafta (sve vrste goriva dobivene iz nafte), ugljen, plin.

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, korištenje reakcije atomske fisije povlači za sobom ozbiljne posljedice u obliku zračenja.

Danas se plin, ugljen, treset, energija fisije atoma (nuklearna energija) aktivno koriste kao alternativne sirovine, no dobro smo svjesni da one nisu u stanju u potpunosti zamijeniti naftu kao sirovinu za proizvodnju energije. A rezerve istog prirodnog plina nisu beskonačne, korištenjem ovih alternativnih sirovina samo ćemo odgoditi energetsku krizu.

Znanstvenici su itekako svjesni problema koji dolazi za petama, te stvaraju i proučavaju alternativne izvore energije. Trenutno znanstvenici rade na projektima koji uključuju korištenje:

Bioplin

Biodizel

Bioetanol

Energija vjetra

Energija vodika

Geotermalna energija

Solarne ćelije

Nuklearna energija

Termonuklearna energija (temeljena na korištenju helija 3)

Glavni dio

Dakle, razmotrimo svaku alternativu zasebno.

2.1 Bioplin

Biometan je plin dobiven fermentacijom organskog otpada (bioplin). Najprikladnije područje primjene bioplina je grijanje stočnih farmi, stambenih prostora i tehnoloških prostora. Bioplin 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 uvjetima, kalorijska vrijednost je 1 litra. biometana iznosi 33 - 36 kJ.

Biometan ima visoku otpornost na detonaciju, što smanjuje koncentraciju štetnih tvari u ispušnim plinovima i smanjuje količinu naslaga u motoru.

Biometan kao motorno gorivo trebao bi se koristiti u transportnim motorima bilo u komprimiranom ili ukapljenom stanju. Međutim, glavni faktor odvraćanja od široke upotrebe stlačenog biometana kao motornog goriva, kao u slučaju stlačenog prirodnog plina, je prijevoz značajne mase cilindara za gorivo.

U inozemstvu se problemu dobivanja i korištenja bioplina posvećuje velika pozornost. U kratkom vremenu u mnogim zemljama svijeta pojavila se čitava bioplinska industrija: 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 bioplina samo jedne zemlje - Kine.

Prednosti bioplina uključuju:

Primanje energije bez dodatne emisije CO 2 .

Zatvoreni sustavi ne ispuštaju ili malo propuštaju mirise.

Poboljšanje trgovinske situacije i smanjenje ovisnosti o uvoznicima energije.

Električna energija iz bioplina može se proizvoditi 24 sata dnevno.

Ne ovisi o vjetru/vodi/struji.

Poboljšanje gnojidbe tla.

2.2 Biodizel

Biodizel je gorivo na bazi biljnih ili životinjskih masti (ulja), kao i produkata njihove esterifikacije. Primjenjuje se u motornom prometu u obliku raznih mješavina s 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 prerade 99% biodizela u 28 dana, što nam omogućuje govoriti o minimiziranju onečišćenja rijeka i jezera.

Prednosti biodizela uključuju:

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

značajno smanjenje štetnih emisija (uključujući CO, CO2, SO2, fine čestice i hlapljive organske spojeve);

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

Mane

U hladnoj sezoni potrebno je zagrijavati gorivo koje ide od spremnika goriva do pumpe za gorivo ili koristiti mješavinu 20% BIODIZELA i 80% dizelskog goriva.

2.3 Bioetanol

Bioetanol je tekuće alkoholno gorivo čije su pare teže od zraka. Proizvodi se od poljoprivrednih proizvoda koji sadrže škrob ili šećer, poput kukuruza, žitarica ili šećerne trske. Za razliku od alkohola od kojeg se prave alkoholna pića, gorivi etanol 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 nepogodnim za piće.

Bioetanol na bazi goriva proizvodi se gotovo na isti način kao i konvencionalni prehrambeni alkohol 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, krumpira, jeruzalemske artičoke, kukuruza, pšenice, ječma, raži itd.

Prednosti bioetanola uključuju:

Etanol ima visok oktanski broj

Bioetanol je razgradiv i ne zagađuje prirodno

vodni sustavi

10% etanola u benzinu smanjuje toksičnost ispušnih plinova

smanjiti emisiju CO za 26%, emisiju dušikovog oksida

za 5%, čestice aerosola za 40%.

Etanol je jedini obnovljivi izvor

tekuće gorivo, čija je uporaba u

kao dodatak benzinu ne zahtijeva modifikaciju

konstrukcije motora

Nema posebno izraženih nedostataka.

2.4. Snaga vjetra

Energija vjetra je neregulirani izvor energije. Učinak vjetroelektrane ovisi o snazi vjetra, vrlo promjenjivom faktoru. Sukladno tome, proizvodnja električne energije iz vjetrogeneratora u elektroenergetski sustav izrazito je neujednačena iu dnevnom i tjednom, mjesečnom, godišnjem i dugoročnom razdoblju. S obzirom da sam energetski sustav ima heterogena energetska opterećenja (vrhove i padove potrošnje energije), koja se naravno ne mogu regulirati energijom vjetra, uvođenje značajnog udjela energije vjetra u energetski sustav doprinosi njegovoj destabilizaciji. Jasno je da energija vjetra zahtijeva rezervu snage u energetskom sustavu (na primjer, u obliku plinskih turbinskih elektrana), kao i mehanizme za izravnavanje heterogenosti njihove proizvodnje (u obliku hidroelektrana ili pumpnih elektrana). akumulacijske elektrane). Ova značajka energije vjetra značajno povećava troškove električne energije dobivene od njih. Mreže nerado spajaju vjetroturbine na mrežu, što je dovelo do zakona koji to od njih zahtijeva.

Male samostalne vjetroturbine mogu imati problema s mrežnom infrastrukturom, budući da cijena dalekovoda i rasklopnih uređaja za spajanje na elektroenergetsku mrežu može biti previsoka.

Velike vjetroturbine imaju značajne probleme s popravkom, budući da je zamjena velikog dijela (lopatice, rotora i sl.) na visini većoj od 100 m složen i skup pothvat.

Prednosti:

Ekološki prihvatljiv.

Sigurno za ljude (bez zračenja, bez otpada).

Glavni nedostaci:

Niska gustoća energije po jedinici površine kotača vjetra; nepredvidive promjene brzine vjetra tijekom dana i sezone, koje zahtijevaju rezervaciju vjetroelektrane ili akumulaciju proizvedene energije; negativan utjecaj na stanište ljudi i životinja, na televizijske komunikacije i sezonske migracijske putove ptica.

2.5. Energija vodika

Vodikova energetika je smjer u proizvodnji i potrošnji energije od strane čovječanstva, koji se temelji na korištenju vodika kao sredstva za akumulaciju, transport i potrošnju energije od strane ljudi, prometne infrastrukture i raznih proizvodnih područja. Vodik je odabran kao najčešći element na zemljinoj površini iu svemiru, toplina izgaranja vodika je najveća, a produkt izgaranja u kisiku je voda (koja se opet uvodi u ciklus energije vodika). Postoji nekoliko načina za proizvodnju vodika:

Od prirodnog plina

Plinifikacija ugljena:

Elektroliza vode (*reverzna reakcija)

Vodik iz biomase

Prednosti:

ekološka čistoća vodikovog goriva.

obnovljivost.

izuzetno visoka učinkovitost - 75%, što je gotovo 2,5 puta više od najsuvremenijih postrojenja koja rade na nafti i plinu.

Vodik također ima ozbiljnije nedostatke. Prvo, u slobodnom plinovitom stanju ne postoji u prirodi, odnosno mora se rudariti. Drugo, vodik, kao plin, prilično je opasan. Njegova mješavina sa zrakom isprva nevidljivo "gori", odnosno oslobađa toplinu, a zatim lako detonira od najmanje iskre. Klasičan primjer eksplozije vodika je černobilska nesreća, kada je vodik nastao kao posljedica pregrijavanja cirkonija i vode koja je pala na njega, a koja je potom detonirala. Treće, vodik treba negdje skladištiti, i to u velikim spremnicima, jer ima malu gustoću. I može se komprimirati samo pod vrlo visokim tlakom, otprilike 300 atmosfera.

2.6. geotermalna energija

Erupcija vulkana jasan je dokaz enormne topline unutar planeta. Znanstvenici procjenjuju temperaturu Zemljine jezgre na tisuće stupnjeva Celzijusa. Ta se temperatura postupno smanjuje od vruće unutarnje jezgre, gdje znanstvenici vjeruju da metali i stijene mogu postojati samo u rastaljenom stanju, do površine Zemlje. Geotermalna energija može koristiti na dva glavna načina - za proizvodnju električne energije i za grijanje domova, institucija i industrijskih poduzeća. Za koju od ovih namjena će se koristiti 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 se suha para može izravno koristiti za pokretanje turbine i proizvodnju električne energije. Kondenzacijska voda se može vratiti u tlo i, ako je dovoljno kvalitetna, ispustiti u obližnju vodu.

Transformacija toplinske energije oceana.

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

Korištenje temperaturne razlike moguće je u tri glavna smjera: izravna pretvorba na temelju termoelemenata, pretvorba topline u mehaničku energiju u toplinskim strojevima i pretvorba u mehaničku energiju u hidrauličkim strojevima pomoću razlike u gustoći tople i hladne vode.

Prednosti:

Oni su gotovo bez potrebe za održavanjem.

Jedna od prednosti geotermalne elektrane je što, u usporedbi s elektranom na fosilna goriva, pri proizvodnji iste količine električne energije emitira dvadesetak puta manje ugljičnog dioksida, čime se smanjuje njezin utjecaj na globalni okoliš.

Glavna prednost geotermalne energije je njena praktična neiscrpljivost i potpuna neovisnost o uvjetima okoline, dobu dana i godini.

Koji problemi nastaju pri korištenju podzemnih termalnih voda? Glavna je potreba za ponovnim ubrizgavanjem otpadnih voda u podzemni vodonosnik. Termalne vode sadrže veliku količinu soli raznih toksičnih metala (na primjer, bor, olovo, cink, kadmij, arsen) i kemijskih spojeva (amonijak, fenoli), što isključuje ispuštanje ovih voda u prirodne vodne sustave koji se nalaze na površini. .

2.7. Solarne ćelije

Kako rade solarne ćelije:

solarni Ćelije (SC) izrađene su od materijala koji izravno pretvaraju sunčevu svjetlost u električnu energiju. Većina trenutno komercijalno proizvedenih solarnih ćelija izrađena je od silicija.

Posljednjih godina razvijene su nove vrste materijala za solarne ćelije. Na primjer, tankoslojne solarne ćelije izrađene od bakar-indija-diselenida i CdTe (kadmijev telurid). Ovi SC-ovi su također nedavno korišteni u komercijalne svrhe.

Prednosti:

Sunčeva energija je gotovo beskonačna

Ekološki prihvatljiv

Sigurno za ljude i prirodu

Nedostaci: Sunčana elektrana ne radi noću i ne radi učinkovito u jutarnjem i večernjem sumraku. U isto vrijeme, vrhunac potrošnje energije pada na večernje sate. Osim toga, kapacitet elektrane može dramatično i neočekivano varirati zbog vremenskih promjena. Zbog relativno male vrijednosti solarne konstante, solarna energija zahtijeva korištenje velikih površina zemlje za elektrane (npr. za elektranu od 1 GW to može biti nekoliko desetaka četvornih kilometara). Unatoč ekološkoj čistoći dobivene energije, same solarne ćelije sadrže otrovne tvari, kao što su olovo, kadmij, galij, arsen itd., a za njihovu proizvodnju troši se mnogo drugih opasnih tvari. Suvremene fotoćelije imaju ograničen vijek trajanja (30-50 godina), a masovna uporaba uskoro će otvoriti teško pitanje njihovog zbrinjavanja, koje također još nema ekološki prihvatljivo rješenje.

2.8.Nuklearna energija

Nuklearna energija (atomska energija), unutarnja energija atomskih jezgri koja se oslobađa tijekom nuklearnih transformacija (nuklearnih reakcija). Korištenje nuklearne energije temelji se na provedbi lančanih reakcija fisije teških jezgri i reakcija termonuklearne fuzije – fuzije lakih jezgri; i te i druge reakcije popraćene su oslobađanjem energije.Na primjer, tijekom fisije jedne jezgre oslobađa se oko 200 MeV. Potpunom fisijom jezgri smještene u 1 g urana oslobađa se energija 2,3 * 104 kWh. To je ekvivalentno energiji dobivenoj izgaranjem 3 tone ugljena ili 2,5 tone nafte. Reakcija kontrolirane nuklearne fisije koristi se u nuklearnim reaktorima.

Prednosti:

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

Srednji utjecaj na okoliš.

Nedostaci nuklearnih elektrana:

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

Neželjeni način rada s promjenjivom snagom za reaktore koji rade na toplinske neutrone;

Uz malu vjerojatnost incidenata, njihove su posljedice izuzetno teške

Velika kapitalna ulaganja, kako specifična, po 1 MW instalirane snage za jedinice s kapacitetom manjim od 700-800 MW, tako i opća, potrebna za izgradnju stanice, njezine infrastrukture, kao iu slučaju moguće likvidacije.

Sve navedene alternative nafti imaju jednu, ali vrlo značajnu manu, NISU u stanju POTPUNO zamijeniti naftu kao energent. U ovoj situaciji može pomoći samo korištenje termonuklearne energije.

2.9. Termonuklearna energija

Termonuklearna energija uz sudjelovanje helija 3 je sigurna i kvalitetna energija.

termonuklearne reakcije. Oslobađanje energije tijekom fuzije jezgri lakih atoma deuterija, tricija ili litija uz stvaranje helija događa se tijekom termonuklearnih reakcija. Te se reakcije nazivaju termonuklearnim jer se mogu odvijati samo pri vrlo visokim temperaturama. Inače, sile električnog odbijanja ne dopuštaju jezgrama da se toliko približe jedna drugoj da počnu djelovati nuklearne sile privlačenja. Reakcije nuklearne fuzije izvor su zvjezdane energije. Iste reakcije odvijaju se tijekom eksplozije hidrogenske bombe. Provedba kontrolirane termonuklearne fuzije na Zemlji obećava čovječanstvu novi, praktički neiscrpan izvor energije. Najviše obećava u tom pogledu je reakcija fuzije deuterija i tricija.

Ako koristite deuterij s izotopom helija-3 u fuzionom reaktoru umjesto materijala koji se koriste u nuklearnoj energiji. Intenzitet neutronskog toka pada za faktor 30 - prema tome, moguće je lako osigurati radni vijek reaktora od 30-40 godina (sukladno tome smanjuje se količina emitiranog zračenja). Nakon završetka rada helijskog reaktora više se ne stvara visokoradioaktivni otpad, a radioaktivnost strukturnih elemenata bit će toliko niska da se mogu zakopati doslovno na gradskom odlagalištu, lagano posuti zemljom.

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

Prije svega zato što je ovaj izotop izuzetno mali na našem planetu. Rađa se na Suncu, zbog čega se ponekad naziva i "solarni izotop". Njegova ukupna masa tamo premašuje težinu našeg planeta. Helij-3 solarni vjetar nosi u okolni prostor. Zemljino magnetsko polje skreće značajan dio tog vjetra, pa stoga helij-3 čini samo jedan bilijunti dio Zemljine atmosfere – oko 4000 tona, a na samoj Zemlji još manje – oko 500 kg.

Na Mjesecu ima mnogo više ovog izotopa. Tamo se nalazi u "regolitu" mjesečevog tla, koji po sastavu nalikuje običnoj troski. Riječ je o ogromnim – gotovo neiscrpnim rezervama!

Analiza šest uzoraka tla koje su donijele ekspedicije Apollo i dva uzorka koja su dostavile sovjetske automatske stanice na Luni pokazala je da regolit koji prekriva sva mora i visoravni Mjeseca sadrži do 106 tona helija-3, što bi zadovoljilo potrebe zemljina energija , čak se povećala u usporedbi sa suvremenom za nekoliko puta, za tisućljeće! Prema suvremenim procjenama, rezerve helija-3 na Mjesecu su tri reda veličine veće - 109 tona.

Osim na Mjesecu, helij-3 nalazi se iu gustim atmosferama divovskih planeta, a prema teorijskim procjenama njegove zalihe samo na Jupiteru iznose 1020 tona, što bi bilo dovoljno za napajanje Zemlje do kraja svijeta. .

Projekti proizvodnje helija-3

Regolit prekriva Mjesec slojem debljine nekoliko metara. Regolit Mjesečevih mora bogatiji je helijem od regolita platoa. 1 kg helija-3 nalazi se u približno 100 000 tona regolita.

Stoga je za izdvajanje dragocjenog izotopa potrebno obraditi golemu količinu mrvičastog Mjesečevog tla.

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

1. Vađenje regolita.

Posebni "kombajni" sakupljat će regolit iz površinskog sloja debljine oko 2 m i dostavljati ga na mjesta obrade ili prerađivati izravno u procesu rudarenja.

2. Oslobađanje helija iz regolita.

Kad se regolit zagrije na 600°C, oslobađa se (desorbira) 75% helija sadržanog u regolitu; kada se zagrije na 800°C, oslobađa se gotovo sav helij. Zagrijavanje prašine predlaže se u posebnim pećima, fokusirajući sunčevu svjetlost pomoću plastičnih leća ili zrcala.

3. Dostava na Zemlju svemirskom letjelicom za višekratnu upotrebu.

Tijekom ekstrakcije helija-3 iz regolita se izdvajaju i brojne tvari: vodik, voda, dušik, ugljikov dioksid, dušik, metan, ugljikov monoksid, koje mogu biti korisne za održavanje lunarnog industrijskog kompleksa.

Projekt prvog lunarnog kombajna, dizajniranog za obradu regolita i izdvajanje izotopa helija-3 iz njega, predložila je grupa J. Kulchinskog. Trenutno privatne američke tvrtke razvijaju nekoliko prototipova koji će, prema svemu sudeći, biti predani na natječaj nakon što NASA odluči o značajkama buduće ekspedicije na Mjesec.

Jasno je da će, osim isporuke kombajna na Mjesec, morati izgraditi skladišta, nastanjivu 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 dobro isplatiti s obzirom na to da dolazi globalna energetska kriza, kada će tradicionalni tipovi nositelja energije (ugljen, nafta, prirodni plin) moraju biti napušteni.

S obzirom da će nafte nestati za 35-40 godina, imamo dovoljno vremena za realizaciju takvog projekta. A zemlja koja to bude mogla provesti bit će lider u budućnosti, a ako udružimo snage, možemo postići veće rezultate i to brže.

I tako, zašto termonuklearna energija? Zato što:

Veliki izvor energije s obilnim i posvuda dostupnim gorivom.

Vrlo nizak globalni utjecaj na okoliš - Nema emisija CO2.

- "Svakodnevni rad" elektrane ne zahtijeva transport radioaktivnih materijala.

Elektrana je sigurna, nema mogućnosti "otapanja" ili "nekontrolirane reakcije".

Radioaktivnog otpada nema, što ne stvara problem budućim generacijama.

Isplativo je: potrebno je oko 100 kg deuterija za proizvodnju 1 GW energije i 3 tone prirodnog litija za korištenje tijekom cijele godine, proizvodeći oko 7 milijardi kWh

3. Zaključak

Dakle, energija je važan resurs neophodan za udoban život čovječanstva. A vađenje energije jedan je od glavnih problema čovječanstva. Sada se nafta aktivno koristi kao izvor električne energije i goriva, ali nije beskonačna i njezine rezerve se svake godine samo smanjuju. A trenutno razvijene alternative ne dopuštaju potpunu zamjenu ulja ili imaju ozbiljne nedostatke.

Danas je jedini izvor energije koji može osigurati potrebnu količinu energije za cijelo čovječanstvo, a da pritom nema ozbiljne nedostatke, termonuklearna energija koja se temelji na korištenju helija 3. Tehnologija dobivanja energije iz ove reakcije je mukotrpna i zahtijeva velika ulaganja, ali je tako dobivena energija ekološki prihvatljiva i računa se u milijardama kilovata.

Ako dobijete jeftinu i ekološki prihvatljivu energiju, možete zamijeniti naftu koliko god je to moguće, na primjer, napustiti benzinske motore u korist električnih, proizvoditi toplinu koristeći električnu energiju itd. Dakle, nafta, kao sirovina za kemijsku proizvodnju, biti dovoljan čovječanstvu za mnoga nadolazeća stoljeća.

Dakle, na Mjesecu (koji je glavni izvor helija 3) potrebno je stvoriti industriju. Za stvaranje industrije morate imati plan razvoja, a to je pitanje nekoliko godina i što prije krenete, to bolje. Jer ako to morate učiniti već u bezizlaznoj situaciji (tijekom energetske krize, na primjer), hitno, to će rezultirati sasvim drugim izdacima.

A zemlja koja se brže razvija u tom smjeru postat će lider u budućnosti. Jer energija je budućnost.

4. Popis korištene 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 nafte

4. http://vz.ru/economy/2007/11/1/121681.html - POGLED / Svijet ostaje bez nafte

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

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

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

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

9. http://bibliotekar.ru/alterEnergy/37.htm - Prednosti i nedostaci energije vjetra. Principi pretvorbe 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 - Helij-3, Helij-3

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

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. ožujka 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 na djelu

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

Fizička svojstva

Korištenje

Brojači neutrona

Brojači plinova punjeni helijem-3 koriste se za detekciju neutrona. Ovo je najčešća metoda za mjerenje toka neutrona. Oni reagiraju

n+ 3 He → 3 H + 1 H + 0,764 MeV.

Nabijene produkte reakcije - triton i proton - registrira plinski brojač koji radi u načinu proporcionalnog brojača ili Geiger-Mullerovog brojača.

Postizanje ultraniskih temperatura

Otapanjem tekućeg helija-3 u heliju-4 postižu se temperature milikelvina.

Lijek

Polarizirani helij-3 (može se pohraniti dulje vrijeme) nedavno se koristi u magnetskoj rezonanciji za snimanje pluća pomoću nuklearne magnetske rezonancije.

Cijena

Prosječna cijena helija-3 u 2009. bila je 930 dolara po litri.

Helij-3 kao nuklearno gorivo

Reakcija 3 He + D → 4 He + p ima brojne prednosti u odnosu na najostvariviju reakciju deuterij-tricij T + D → 4 He + n u zemaljskim uvjetima. Ove prednosti uključuju:

Nedostaci reakcije helij-deuterij uključuju značajno viši temperaturni prag. Prije početka mora se postići temperatura od oko milijardu stupnjeva.

Trenutno se helij-3 ne izdvaja iz prirodnih izvora, već se stvara umjetno, tijekom raspada tricija. Potonji je proizveden za termonuklearno oružje ozračivanjem bora-10 i litija-6 u nuklearnim reaktorima.

Planovi za iskopavanje helija-3 na Mjesecu

Helij-3 je nusprodukt reakcija koje se odvijaju na Suncu. Na Zemlji se vadi u vrlo malim količinama, procjenjuje se na nekoliko desetaka grama godišnje.

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

Zaklada Wikimedia. 2010. godine.

Pogledajte što je "helij-3" u drugim rječnicima:

- (lat. Helium) He, kemijski element VIII skupine periodnog sustava, atomskog broja 2, atomske mase 4,002602, pripada plemenitim plinovima; bez boje i mirisa, gustoće 0,178 g/l. Teže ga je ukapljiti od svih poznatih plinova (na 268,93 °C); ... ... Veliki enciklopedijski rječnik

- (grčki, od helyos sunce). Elementarno tijelo otkriveno u Sunčevom spektru i prisutno na Zemlji u nekim rijetkim mineralima; nalazi se u zraku u tragovima. Rječnik stranih riječi uključenih u ruski jezik. Chudinov A.N ... Rječnik stranih riječi ruskog jezika

- (simbol He), plinoviti nemetalni element, PLEMENITI PLIN, otkriven 1868. Prvi put dobiven iz minerala clevit (raznolikost uranita) 1895. Trenutačno je njegov glavni izvor prirodni plin. Također sadržano u... Znanstveni i tehnički enciklopedijski rječnik

Ja, muž. , staro Eliy, I. Otac: Gelievich, Gelievna.Izvedenice: Gelya (Gela); Elya.Podrijetlo: (Od grč. hēlios sunce.) Imendan: 27. srpnja Rječnik osobnih imena. Helij Vidi Ellius. Dnevni anđeo. Referenca… Rječnik osobnih imena

HELIJ- kem. element, simbol He (lat. Helium), at. n. 2, na. m. 4.002, odnosi se na inertne (plemenite) plinove; bez boje i mirisa, gustoće 0,178 kg/m3. U normalnim uvjetima, vodik je monoatomski plin, čiji se atom sastoji od jezgre i dva elektrona; formiran... Velika politehnička enciklopedija

Helij-tri. Čudna i neshvatljiva fraza. Međutim, što dalje idemo, to ćemo ga više čuti. Jer, prema mišljenju stručnjaka, upravo će helij-tri spasiti naš svijet od nadolazeće energetske krize. I u ovom pothvatu najaktivnija uloga je dana Rusiji.

Mjesec

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

Prvo, ova reakcija oslobađa puno veći (za red veličine!) broj neutrona visoke energije. Nijedan od poznatih materijala ne može izdržati tako intenzivan tok neutrona dulje od šest godina - unatoč činjenici da ima smisla napraviti reaktor s resursom od najmanje 30 godina. Posljedično, trebat će zamijeniti prvu stijenku reaktora za fuziju tricija - a to je vrlo kompliciran i skup postupak, koji je povezan i s gašenjem reaktora na prilično dugo razdoblje.
Drugo, potrebno je zaštititi magnetski sustav reaktora od snažnog neutronskog zračenja, što komplicira i, shodno tome, poskupljuje dizajn.
Treće, mnogi elementi dizajna reaktora tricija nakon završetka rada bit će vrlo aktivni i zahtijevat će pokopavanje dugo vremena u skladišnim objektima posebno stvorenim za tu svrhu.

U slučaju korištenja deuterija s izotopom helija-3 umjesto tricija u termonuklearnom reaktoru većina problema se može riješiti. Intenzitet toka neutrona pada za faktor 30 - sukladno tome, moguće je lako osigurati radni vijek od 30-40 godina. Nakon završetka rada helijskog reaktora više se ne stvara visokoradioaktivni otpad, a radioaktivnost strukturnih elemenata bit će toliko niska da se mogu zakopati doslovno na gradskom odlagalištu, lagano posuti zemljom.

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

Na Mjesecu ima mnogo više ovog izotopa. Tamo se nalazi u "regolitu" mjesečevog tla, koji po sastavu nalikuje običnoj troski. Riječ je o ogromnim – gotovo neiscrpnim rezervama!

Analiza šest uzoraka tla koje su donijele ekspedicije Apollo i dva uzorka koje su dopremile sovjetske automatske stanice " Mjesec”, pokazalo je da regolit koji prekriva sva Mjesečeva mora i visoravni sadrži do 106 tona helija-3, što bi zadovoljilo potrebe Zemljine energije, čak nekoliko puta povećane u odnosu na moderne, za tisućljeće! Prema suvremenim procjenama, rezerve helija-3 na Mjesecu su tri reda veličine veće - 109 tona.

Projekti proizvodnje helija-3

Regolit prekriva Mjesec slojem debljine nekoliko metara. Regolit Mjesečevih mora bogatiji je helijem od regolita platoa. 1 kg helija-3 nalazi se u približno 100 000 tona regolita.

Stoga je za izdvajanje dragocjenog izotopa potrebno obraditi golemu količinu mrvičastog Mjesečevog tla.

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

1. Vađenje regolita.

Posebni "kombajni" sakupljat će regolit iz površinskog sloja debljine oko 2 m i dostavljati ga na mjesta obrade ili prerađivati izravno u procesu rudarenja.

2. Oslobađanje helija iz regolita.

3. Dostava na Zemlju svemirskom letjelicom za višekratnu upotrebu.

Glavni tehnološki problem

Na putu stvaranja energije na temelju helija-3 postoji jedan važan problem. Činjenica je da je reakciju deuterij-helij-3 mnogo teže provesti nego reakciju deuterij-tricij.

Prije svega, izuzetno je teško zapaliti smjesu ovih izotopa. Izračunata temperatura na kojoj će se odvijati termonuklearna reakcija u smjesi deuterija i tricija je 100-200 milijuna stupnjeva. Kada se koristi helij-3, potrebna temperatura je dva reda veličine viša. Zapravo, moramo zapaliti malo sunce na Zemlji.

Međutim, povijest razvoja nuklearne energije (posljednjih pola stoljeća) pokazuje porast generiranih temperatura za red veličine tijekom 10 godina. Godine 1990. helij-3 već je spaljivan u europskom JET tokamaku, a rezultirajuća snaga iznosila je 140 kW. Otprilike u isto vrijeme američki tokamak TFTR dosegao je temperaturu potrebnu za početak reakcije u smjesi deuterija i helija.

Međutim, zapaliti smjesu pola je uspjeha. Loša strana termonuklearne energije je teškoća u ostvarivanju praktičnih povrata, jer je radno tijelo plazma zagrijana na mnogo milijuna stupnjeva, koja se mora držati u magnetskom polju.

Pokusi kroćenja plazme provode se desetljećima, no tek su krajem lipnja prošle godine u Moskvi predstavnici niza zemalja potpisali sporazum o izgradnji Međunarodnog termonuklearnog eksperimentalnog reaktora (ITER) na jugu Francuske u grad Cadarache, prototip praktične termonuklearne elektrane. ITER će kao gorivo koristiti deuterij i tricij.

Fuzijski reaktor helij-3 bit će strukturno složeniji od ITER-a, a zasad ga nema ni u projektima. Iako se stručnjaci nadaju da će se prototip reaktora helij-3 pojaviti u sljedećih 20-30 godina, ova tehnologija ostaje čista fantazija.

Pitanje proizvodnje helija-3 analizirali su stručnjaci tijekom rasprava o budućem istraživanju i istraživanju Mjeseca, održanih u travnju 2004. u Pododboru za svemir i aeronautiku Odbora za znanost Zastupničkog doma američkog Kongresa. Njihov zaključak bio je nedvosmislen: čak iu dalekoj budućnosti ekstrakcija helija-3 na Mjesecu potpuno je neisplativa.

Kao što je rekao John Logsdon, direktor Instituta za svemirsku politiku u Washingtonu: “Američka svemirska zajednica ne smatra rudarenje helija-3 ozbiljnim izgovorom za povratak na Mjesec. Letjeti tamo po ovaj izotop je kao poslati Kolumba u Indiju po uran prije pet stotina godina. Može ga donijeti, i donio bi ga, samo nekoliko stotina godina nitko ne bi znao što bi s njim.

Eksploatacija helija-3 kao nacionalni projekt

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

Ovu izjavu čelnika raketno-svemirske korporacije Energija Nikolaja Sevastjanova ruski znanstveni promatrači doživjeli su kao prijavu za formiranje novog "nacionalnog projekta".

Dapače, jedna od glavnih funkcija države, osobito 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, okretanje rijeka.

Danas u Ruskoj Federaciji država pokušava, ali ne može formulirati zadatke na rubu nemogućeg. Državi treba netko tko će joj pokazati jedan svenarodni projekt i opravdati dobrobiti koje teoretski proizlaze iz tog projekta. Program razvoja i proizvodnje helija-3 s Mjeseca na Zemlju u svrhu opskrbe termonuklearnom energijom gorivom idealno ispunjava te zahtjeve.

"Samo mislim da postoji nedostatak u nekom velikom tehnološkom problemu", rekao je Alexander Zakharov, doktor fizikalnih i matematičkih znanosti, znanstveni tajnik Instituta za istraživanje svemira Ruske akademije znanosti, u intervjuu. - Možda je zbog toga nedavno i nastala sva ova priča o proizvodnji helija-3 na Mjesecu za termonuklearnu energiju. Ako a Mjesec- izvor minerala, i odatle nositi ovaj helij-3, ali nema dovoljno energije na Zemlji ... Sve je to razumljivo, zvuči vrlo lijepo. A za to je, možda, lako uvjeriti utjecajne ljude da dodijele novac. Mislim da da".

Ovaj se izotop planira iskopavati na Mjesecu za potrebe termonuklearne energije. No, to je stvar daleke budućnosti. Ipak, helij-3 je danas izuzetno tražen, posebno u medicini.

Vladimir Teslenko

Ukupna količina helija-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, helij-3 se postupno nakupljao tijekom stotina milijuna godina izloženosti sunčevom vjetru. Kao rezultat toga, tona Mjesečevog tla sadrži 0,01 g helija-3 i 28 g helija-4; ovaj izotopski omjer (~0,04%) mnogo je veći nego u Zemljinoj atmosferi.

Ambiciozni planovi za ekstrakciju helija-3 na Mjesecu, o kojima ozbiljno razmišljaju ne samo svemirski lideri (Rusija i SAD), već i pridošlice (Kina i Indija), povezani su s nadama polaganim u ovaj izotop. od strane energetske industrije. Nuklearna reakcija 3He+D→4He+p ima niz prednosti u odnosu na najostvariviju reakciju deuterij-tricij T+D→4He+n u zemaljskim uvjetima.

Te prednosti uključuju desetak puta niži tok neutrona iz reakcijske zone, što dramatično smanjuje induciranu radioaktivnost i degradaciju strukturnih materijala reaktora. Osim toga, jedan od produkata reakcije, protoni, za razliku od neutrona, lako se hvataju i mogu se koristiti za stvaranje dodatne električne energije. U isto vrijeme, i helij-3 i deuterij su neaktivni, njihovo skladištenje ne zahtijeva posebne mjere opreza, au slučaju nesreće reaktora s depresurizacijom jezgre, radioaktivnost ispuštanja je blizu nule. Reakcija helij-deuterij ima i ozbiljan nedostatak - znatno viši temperaturni prag (za početak reakcije potrebna je temperatura reda veličine milijardu stupnjeva).

Iako je sve ovo stvar budućnosti, helij-3 je već sada iznimno tražen. Istina, ne za energetiku, već za nuklearnu fiziku, kriogenu industriju i medicinu.

Magnetska rezonancija

Od svog početka u medicini, magnetska rezonancija (MRI) postala je jedna od glavnih dijagnostičkih metoda koja omogućuje pogled "unutra" različitih organa bez ikakve štete.

Otprilike 70% mase ljudskog tijela otpada na vodik, čija jezgra, proton, ima određeni spin i pridruženi magnetski moment. Ako se proton stavi u vanjsko konstantno magnetsko polje, spin i magnetski moment usmjereni su duž polja ili prema njemu, a energija protona u prvom slučaju bit će manja nego u drugom. Proton se može prebaciti iz prvog stanja u drugo tako da mu se prenese strogo određena energija jednaka razlici između tih energetskih razina, na primjer, ozračivanjem kvantima elektromagnetskog polja na određenoj frekvenciji.

Kako magnetizirati helij-3

Najjednostavniji i najizravniji način magnetiziranja helija-3 je njegovo hlađenje u jakom magnetskom polju. Međutim, učinkovitost ove metode je vrlo niska, štoviše, zahtijeva jaka magnetska polja i niske temperature. Stoga se u praksi koristi metoda optičkog pumpanja - prijenos spina na atome helija s polariziranih fotona pumpanja. U slučaju helija-3, to se događa u dvije faze: optičko pumpanje u metastabilnom stanju i izmjena spina između atoma helija u osnovnom i metastabilnom stanju. Tehnički, to se ostvaruje ozračivanjem ćelije helijem-3, prevedene u metastabilno stanje slabim visokofrekventnim električnim pražnjenjem, laserskim zračenjem kružne polarizacije u prisutnosti slabog magnetskog polja. Polarizirani helij može se čuvati u posudi obloženoj cezijem pod tlakom od 10 atmosfera oko 100 sati.

Upravo tako radi MR skener, samo što ne detektira pojedinačne protone. Ako uzorak koji sadrži veliki broj protona stavimo u snažno magnetsko polje, tada će broj protona s magnetskim momentom usmjerenim uzduž i suprotno od polja biti približno jednak. Ako ovaj uzorak počnemo ozračivati elektromagnetskim zračenjem strogo definirane frekvencije, svi protoni s magnetskim momentom (i spinom) “duž polja” će se preokrenuti i zauzeti položaj “prema polju”. U tom slučaju dolazi do rezonantne apsorpcije energije, a tijekom procesa vraćanja u početno stanje, zvanog relaksacija, dolazi do reemisije primljene energije, što se može detektirati. Taj se fenomen naziva nuklearna magnetska rezonancija, NMR. Prosječna polarizacija tvari, o kojoj ovisi korisni signal u NMR-u, izravno je proporcionalna jakosti vanjskog magnetskog polja. Za dobivanje signala koji se može detektirati i odvojiti od šuma potreban je supravodljivi magnet - samo on može stvoriti magnetsko polje s indukcijom reda veličine 1-3 T.

magnetski plin

MR tomograf "vidi" klastere protona, stoga je izvrstan za proučavanje i dijagnosticiranje mekih tkiva i organa koji sadrže velike količine vodika (uglavnom u obliku vode), a također omogućuje razlikovanje magnetskih svojstava molekula. Na taj način možete, recimo, razlikovati arterijsku krv koja sadrži hemoglobin (glavni prijenosnik kisika u krvi) od venske krvi koja sadrži paramagnetski deoksihemoglobin - to je osnova fMRI (funkcionalna MRI), koja vam omogućuje praćenje aktivnosti mozga neuroni.

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

Je li moguće zaobići ovo ograničenje? Moguće je ako koristite "magnetizirani" plin - u ovom slučaju prosječna polarizacija neće biti određena vanjskim poljem, jer će svi (ili gotovo svi) magnetski momenti biti usmjereni u jednom smjeru. I to uopće nije fikcija: 1966. godine francuski fizičar Alfred Kastler dobio je Nobelovu nagradu s formulacijom "Za otkriće i razvoj optičkih metoda za proučavanje Hertzovih rezonancija u atomima". Bavio se pitanjima optičke polarizacije spinskih sustava - odnosno samo "magnetiziranjem" plinova (osobito helija-3) pomoću optičkog pumpanja tijekom rezonantne apsorpcije fotona s kružnom polarizacijom.

Nuklearna magnetska rezonancija koristi magnetska svojstva jezgri vodika – protona. Bez vanjskog magnetskog polja, magnetski momenti protona su proizvoljno usmjereni (kao na prvoj slici). Kada se primijeni snažno magnetsko polje, magnetski momenti protona su usmjereni paralelno s poljem, bilo "uzduž" ili "prema". Ova dva položaja imaju različite energije (2). Radiofrekvencijski impuls s rezonantnom frekvencijom koja odgovara razlici energija "okreće" magnetske momente protona "prema" polju (3). Nakon završetka radiofrekventnog impulsa dolazi do obrnutog "okreta" i protoni emitiraju na rezonantnoj frekvenciji. Taj signal prima radiofrekvencijski sustav tomografa i koristi ga računalo za izradu slike (4).

Dišite duboko

Korištenje polariziranih plinova u medicini započela je skupina istraživača s Princetona i Sveučilišta New York u Stony Brooku. Godine 1994. znanstvenici su objavili članak u časopisu Nature prikazujući prvu MRI sliku mišjih pluća.

Istina, MRI nije sasvim standardna - tehnika se temeljila ne na odgovoru jezgri vodika (protona), već na 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 koristiti u humanoj medicini.

Hiperpolarizirani plin (obično pomiješan s kisikom) ulazi u najudaljenije kutove pluća, što omogućuje dobivanje MRI slike s rezolucijom koja je za red veličine veća od najboljih rendgenskih zraka. Moguće je čak napraviti detaljnu kartu parcijalnog tlaka kisika u svakom području pluća i zatim izvući zaključke o kvaliteti protoka krvi i difuzije kisika u kapilarama. Ova tehnika omogućuje proučavanje prirode ventilacije pluća u astmatičara i kontrolu procesa disanja kritičnih bolesnika na razini alveola.

Kako MRI radi. MRI skener detektira nakupine protona – jezgre vodikovih atoma. Stoga MR snimanje pokazuje razlike u sadržaju vodika (uglavnom vode) u različitim tkivima. Postoje i drugi načini razlikovanja jednog tkiva od drugog (recimo, razlike u magnetskim svojstvima), koji se koriste u specijaliziranim studijama.

Prednosti MRI-a koji koristi hiperpolarizirane plinove nisu ograničene na ovo. Budući da je plin hiperpolariziran, razina korisnog signala je mnogo viša (oko 10 000 puta). To znači da nema potrebe za superjakim magnetskim poljima i dovodi do dizajna takozvanih MRI skenera niskog polja - oni su jeftiniji, mobilniji i puno prostraniji. U takvim instalacijama koriste se elektromagneti koji stvaraju polje reda veličine 0,005 T, što je stotinama puta slabije od standardnih MRI skenera.

mala prepreka

Iako su prvi pokusi na ovom području izvedeni s hiperpolariziranim ksenonom-129, on je ubrzo zamijenjen helijem-3. Bezopasan je, daje oštrije slike od ksenona-129 i ima tri puta veći magnetski moment, što rezultira jačim NMR signalom. Osim toga, obogaćivanje ksenona-129 zbog blizine mase s drugim izotopima ksenona je skup proces, a ostvariva polarizacija plina znatno je niža od one helija-3. Osim toga, ksenon-129 ima sedativni učinak.

Ali ako su tomografi s niskim poljem jednostavni i jeftini, zašto se sada u svakoj klinici ne koristi hiperpolarizirani MRI s helijem? Postoji jedna prepreka. Ali što!

Hladnoratovsko naslijeđe

Jedini način da se dobije helij-3 je raspadom tricija. Velik dio zaliha 3He duguje svoje podrijetlo raspadu tricija proizvedenog tijekom utrke u nuklearnom naoružanju tijekom Hladnog rata. U SAD-u se do 2003. nakupilo približno 260.000 litara "sirovog" (nepročišćenog) helija-3, a do 2010. ostalo je samo 12.000 litara neiskorištenog plina. U vezi s rastućom potražnjom za ovim rijetkim plinom, 2007. godine čak je obnovljena proizvodnja ograničenih količina tricija, a do 2015. godine planira se dobiti dodatnih 8000 litara helija-3 godišnje. Istovremeno, godišnja potreba za njim već sada iznosi najmanje 40.000 litara (od čega se samo 5% koristi u medicini). U travnju 2010. američki Odbor za znanost i tehnologiju zaključio je da bi nedostatak helija-3 doveo do stvarnih negativnih posljedica za mnoga područja. Čak i znanstvenici koji rade u američkoj nuklearnoj industriji imaju poteškoća u nabavi helija-3 iz državnih zaliha.

Hlađenje miješanjem

Još jedna industrija koja ne može bez helija-3 je kriogena industrija. Za postizanje ultraniskih temperatura, tzv. dilution refrigerator koji koristi efekt otapanja helija-3 u helij-4. Na temperaturama ispod 0,87 K smjesa se razdvaja u dvije faze, bogate helijem-3 i helijem-4. Prijelaz između ovih faza zahtijeva energiju, a to omogućuje hlađenje do vrlo niskih temperatura - do 0,02 K. Najjednostavniji takav uređaj ima dovoljnu zalihu helija-3, koji se postupno kreće kroz sučelje u fazu bogatu helijem-4 s apsorpcija energije . Kada istekne zaliha helija-3, uređaj više neće moći raditi - on je "za jednokratnu upotrebu".
Upravo je ova metoda hlađenja korištena u orbitalnom opservatoriju Planck Europske svemirske agencije. Planckov zadatak bio je zabilježiti anizotropiju CMB (s temperaturom od oko 2,7 K) s visokom rezolucijom pomoću 48 HFI (High Frequency Instrument) bolometrijskih detektora ohlađenih na 0,1 K. Prije nego što je zaliha helija-3 u rashladnom sustavu iscrpljena , Planck je uspio snimiti 5 slika neba u mikrovalnom području.

Aukcijska cijena helija-3 kreće se oko 2000 dolara po litri, a nema trenda pada. Nedostatak ovog plina uzrokovan je činjenicom da se najveći dio helija-3 koristi za izradu neutronskih detektora koji se koriste u uređajima za detekciju nuklearnih materijala. Takvi detektori registriraju neutrone prema (n, p) reakciji - zahvat neutrona i emisija protona. A da bi se otkrili pokušaji uvoza nuklearnih materijala potrebno je jako puno takvih detektora - stotine tisuća komada. Zbog toga je helij-3 postao fantastično skup i nedostupan masovnoj medicini.

Ipak, ima nade. Istina, oni se ne pripisuju lunarnom heliju-3 (njegova proizvodnja ostaje daleka perspektiva), već triciju, koji se formira u teškovodnim reaktorima tipa CANDU, koji rade u Kanadi, Argentini, Rumunjskoj, Kini i Južnoj Koreja.

Vjerojatno je malo stvari u području termonuklearne energije okruženo mitovima kao što je Helij 3. U 80-ima i 90-ima on je aktivno populariziran kao gorivo koje će riješiti sve probleme kontrolirane termonuklearne fuzije, ali i jedan od razloga za odlazak Zemlju (jer na njoj je Zemlja doslovno nekoliko stotina kilograma, a na Mjesecu milijardu tona) i konačno krenuti u istraživanje Sunčevog sustava. Sve se to temelji na vrlo čudnim idejama o mogućnostima, problemima i potrebama danas nepostojeće termonuklearne energije, o kojoj ćemo još govoriti.

Stroj za rudarenje helija3 na Mjesecu već je spreman, preostaje mu samo pronaći namjenu.

Kada govore o heliju3, misle na reakcije termonuklearne fuzije He3 + D -> He4 + H ili He3 + He3 -> 2He4 + 2H. U usporedbi s klasičnim D + T -> He4 +n u produktima reakcije nema neutrona, što znači da nema aktivacije izgradnje termonuklearnog reaktora superenergetskim neutronima. Osim toga, problemom se smatra činjenica da neutroni iz “klasika” odnose 80% energije iz plazme, pa se ravnoteža samozagrijavanja događa na višoj temperaturi. Još jedna značajna prednost helijeve verzije je da se električna energija može ukloniti izravno iz nabijenih čestica reakcije, a ne zagrijavanjem vode neutronima - kao u starim elektranama na ugljen.

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

Počnimo s činjenicom da će pri istoj gustoći 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 stupnjeva) naspram 10 za D +T. Sama po sebi takva temperatura je sasvim ostvariva (rekord za tokamake danas je 50 keV, samo dva puta lošije), ali da bismo uspostavili energetsku ravnotežu (brzina hlađenja VS brzina zagrijavanja, uključujući i samozagrijavanje), moramo povećati oslobađanje energije za 50 puta iz kubičnih metara reakcije He3 + D, što se može učiniti samo povećanjem gustoće za istih 50 puta. U kombinaciji s deseterostrukim povećanjem temperature, to daje povećanje tlaka plazme za 500 puta- od 3-5 atm do 1500-2500 atm, i isto povećanje protutlaka da bi se zadržala ova plazma.

Ali slike su inspirativne.

Zapamtite, napisao sam da su magneti toroidalnog polja ITER-a, koji stvaraju protupritisak na plazmu, apsolutno rekordni proizvodi, jedini u svijetu po parametrima? Dakle, obožavatelji He3 predlažu izradu magneta 500 puta snažnijih.

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

Razne termonuklearne reakcije koje su primjenjive za CTS. He3 + D daje nešto više energije nego D + T, ali se puno energije troši na svladavanje Coulombovog odbijanja (naboj 3 a ne 2), pa je reakcija spora.

Počnimo s neutronima. Neutroni u industrijskom reaktoru bit će ozbiljan problem, oštećujući materijale posude, zagrijavajući sve elemente okrenute prema plazmi toliko da ih je potrebno hladiti pristojnom količinom vode. I što je najvažnije, aktivacija materijala neutronima dovest će do toga da će i 10 godina nakon gašenja termonuklearni reaktor imati tisuće tona radioaktivnih struktura koje se ne mogu ručno rastaviti, a koje će odležati u skladištu stotinama i tisućama godina. Osloboditi se neutrona očito bi olakšalo stvaranje termonuklearne elektrane.

Frakcija energije koju nose neutroni. Ako dodate više He3 u reaktor, možete ga smanjiti na 1%, ali to će dodatno pooštriti uvjete paljenja.

OK, ali što je s izravnom pretvorbom energije nabijenih čestica u električnu energiju? Eksperimenti pokazuju da se protok iona s energijom od 100 keV može pretvoriti u električnu energiju s 80% učinkovitosti. Ovdje nemamo neutrone... Mislim, ne oduzimaju svu energiju koju možemo dobiti samo u obliku topline - riješimo se parnih turbina i stavimo ionske kolektore?

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

Prikazuje gubitak topline plazme kroz različite kanale. Usporedite D+T i D + He3. Prijevoz je ono što se može koristiti za izravno pretvaranje energije plazme u električnu energiju. Ako nam u D + T varijanti sve oduzimaju gadni neutroni, onda nam u slučaju He3 + D sve oduzima elektromagnetsko zračenje plazme, uglavnom sinkrotronsko i zakočno zračenje X-zraka (na slici Bremsstrahlung). Situacija je gotovo simetrična, svejedno je potrebno odvoditi toplinu sa zidova i dalje izravnom pretvorbom ne možemo izvući više od 10-15% energija termonuklearnog izgaranja, a ostalo - na starinski način, kroz parni stroj.

Ilustracija u studiji o izravnoj pretvorbi energije plazme na najvećoj otvorenoj zamci Gamma-10 u Japanu.

Osim teoretskih ograničenja, postoje i inženjerska - u svijetu (uključujući SSSR) uloženi su ogromni napori na stvaranje postrojenja za izravnu pretvorbu energije plazme u električnu energiju za konvencionalne elektrane, što je omogućilo povećanje učinkovitosti od 35% do 55%. Uglavnom se temelji na MHD generatorima. 30 godina rada velikih timova završilo je neuspjehom - resurs instalacije bio je stotine sati, a energetici trebaju tisuće i desetke tisuća. Gigantski resursi utrošeni u ovu tehnologiju doveli su, posebice, do toga da je naša zemlja zaostala u proizvodnji energetskih plinskih turbina i parno-plinskih turbinskih ciklusa (koja daju potpuno jednak porast učinkovitosti - od 35. do 55%!).

Usput, snažni supravodljivi magneti također su potrebni za MHD generatore. Ovdje su prikazani SP magneti za MHD generator od 30 MW.