ヘリウム式 3。ヘリウム 3 は未来のエネルギーです。構成と構造

ヘリウム 3 - 未来のエネルギー

私たちは皆、私たちの石油が無限ではないことを知っており、研究ではその有機起源も証明されています。つまり、石油は再生不可能な資源です. 油は可燃性の油性液体で、炭化水素の混合物で、赤褐色、時にはほとんど黒色ですが、わずかに黄緑色や無色の油でさえある場合もあり、特定の臭いがあり、堆積殻によく見られます地球の; 最も重要なミネラルの一つ。オイルは、約 1000 種類の物質の混合物であり、そのほとんどが液体炭化水素です。石油は世界の燃料とエネルギーのバランスの主要な位置を占めており、エネルギー資源の総消費量に占める割合は 48% であるため、エネルギー源としての石油は人類にとって非常に重要です。

現在、主なエネルギー源は、火力発電所、火力発電所、原子力発電所です。

グラフは、火力発電所だけが主導的な地位を誇っていることを明確に示しています。これらの発電所は、石油（石油から得られるあらゆる種類の燃料）、石炭、ガスなどの再生不可能な資源を燃料として使用しています。

水力発電所は 20% しかなく、たとえ世界が最大数の河川を水力発電所に利用し始めたとしても、すべての水力発電所が放出するエネルギーの合計では人類のニーズを満たすことはできません。

原子力発電所は世界のエネルギー生産の 17% しか占めておらず、原子核分裂反応の使用は放射線の形で深刻な結果を伴います。

現在、ガス、石炭、泥炭、原子核分裂のエネルギー（原子力エネルギー）が代替原料として積極的に利用されていますが、エネルギー生産の原料として石油を完全に置き換えることはできないことは十分承知しています。そして、同じ天然ガスの埋蔵量は無限ではありません。これらの代替原材料を使用すると、エネルギー危機を遅らせるだけです.

科学者たちは問題が迫っていることを十分に認識しており、代替エネルギー源を作成して研究しています。現在、科学者は以下の使用を含むプロジェクトに取り組んでいます。

バイオガス

バイオディーゼル

バイオエタノール

風力エネルギー

水素エネルギー

地熱エネルギー

太陽電池

核エネルギー

熱核エネルギー (ヘリウム 3 の使用に基づく)

主要部分

それでは、それぞれの選択肢を個別に考えてみましょう。

2.1 バイオガス

バイオメタンは、有機廃棄物（バイオガス）の発酵から得られるガスです。バイオガスの最も適切な適用分野は、畜産農場、住宅施設、および技術分野の暖房です。バイオガスはモーター燃料としても使用できます。生成された余剰燃料は、ディーゼル発電機を使用して電気に処理できます。

バイオメタンは、体積エネルギー濃度が低い。通常の状態では、発熱量は 1 リットルです。バイオメタンは 33 ～ 36 kJ です。

バイオメタンは爆発抵抗が高く、排気ガス中の有害物質の濃度を減らし、エンジン内の堆積物の量を減らします。

自動車燃料としてのバイオメタンは、輸送エンジンで圧縮または液化状態で使用する必要があります。しかし、圧縮天然ガスの場合のように、圧縮バイオメタンをモーター燃料として広く使用することに対する主な抑止力は、かなりの量の燃料シリンダーの輸送です。

海外では、バイオガスの取得と利用の問題が大きな注目を集めています。短期間で、世界の多くの国でバイオガス産業全体が出現しました。1980 年には、世界に約 800 万のバイオガスプラントがあり、総容量は 17 億から 20 億立方メートルでした。年間 m であり、現在、これらの数値は、中国という 1 つの国のみのバイオガス生産性に対応しています。

バイオガスの利点は次のとおりです。

CO 2 を追加排出せずにエネルギーを受け取る。

クローズドシステムは臭気を漏らさないか、わずかに漏らします。

貿易状況を改善し、エネルギー輸入業者への依存を減らします。

バイオガス発電は24時間発電可能。

風・水・電気に頼らない。

土壌施肥の改善。

2.2 バイオディーゼル

バイオディーゼルは、植物性または動物性脂肪 (油) とそれらのエステル化生成物をベースにした燃料です。ディーゼル燃料とのさまざまな混合物の形で自動車輸送に適用されます。

アプリケーションの環境面:

実験が示しているように、バイオディーゼルは水に入っても動植物に害を与えません。さらに、バイオディーゼルはほぼ完全に分解されます。土壌または水中では、微生物が 28 日間でバイオディーゼルの 99% を処理します。これにより、川や湖の汚染を最小限に抑えることができます。

バイオディーゼルの利点は次のとおりです。

エンジンの寿命を延ばすセタン価と潤滑性の増加。

有害な排出物（CO、CO2、SO2、微粒子、揮発性有機化合物を含む）の大幅な削減。

インジェクター、燃料ポンプ、燃料供給経路の清掃を促進します。

欠陥

寒い季節には、燃料タンクから燃料ポンプに送られる燃料を加熱するか、20% BIODIESEL 80% ディーゼル燃料の混合物を使用する必要があります。

2.3 バイオエタノール

バイオエタノールは、蒸気が空気よりも重い液体アルコール燃料です。とうもろこし、穀物、サトウキビなど、でんぷんや砂糖を含む農産物から作られます。アルコール飲料が作られるアルコールとは異なり、燃料エタノールは水を含まず、短い蒸留 (5 列ではなく 2 列の蒸留塔) によって生成されるため、メタノールとフーゼル油、およびガソリンが含まれているため、飲むことができません。

燃料ベースのバイオエタノールは、アルコール飲料を製造するための従来の食用アルコールとほぼ同じ方法で製造されますが、いくつかの重要な違いがあります。

エタノールは、サトウキビとビート、ジャガイモ、キクイモ、トウモロコシ、小麦、大麦、ライ麦など、砂糖とデンプンを含むあらゆる原材料から製造できます。

バイオエタノールの利点は次のとおりです。

エタノールはオクタン価が高い

バイオエタノールは分解性があり、自然を汚染しません

水システム

ガソリン中の 10% エタノールは、排気毒性を低減します

CO排出量を26%削減、窒素酸化物排出量を削減

5%、エアロゾル粒子は 40%。

再生可能な唯一のエタノール

液体燃料、その使用

ガソリンへの添加剤として変更を必要としません

エンジン設計

特に目立った欠点はありません。

2.4. 風力

風力発電は、規制されていないエネルギー源です。風力発電所の出力は、非常に変動する要因である風の強さに依存します。したがって、風力発電機から電力システムへの電力出力は、日単位、週単位、月単位、年単位、および長期的に非常に不均一です。エネルギーシステム自体に不均一なエネルギー負荷（エネルギー消費のピークとディップ）があり、もちろん風力エネルギーでは調整できないことを考えると、風力エネルギーのかなりの部分をエネルギーシステムに導入すると、エネルギーシステムが不安定になります。風力エネルギーは、エネルギーシステム（例えば、ガスタービン発電所の形で）に電力の予備を必要とすることは明らかです。貯蔵発電所）。風力エネルギーのこの機能は、それらから受け取る電気のコストを大幅に増加させます。グリッドは、風力タービンをグリッドに接続することに消極的です。

小型の独立型風力タービンは、電力網に接続するための送電線と開閉装置のコストが高すぎる可能性があるため、ネットワークインフラストラクチャに問題がある可能性があります。

100 m を超える高さの大きな部品 (ブレード、ローターなど) の交換は複雑で費用のかかる作業であるため、大型の風力タービンでは重大な修理の問題が発生しています。

利点:

環境にやさしい。

人体に安全（放射線なし、廃棄物なし）。

主な欠点:

風車の単位面積あたりのエネルギー密度が低い。風力発電所の予約または生成されたエネルギーの蓄積を必要とする、日中および季節中の風速の予測不可能な変化。人間と動物の生息地、テレビ通信、季節的な鳥の渡りルートへの悪影響。

2.5。水素エネルギー

水素エネルギーは、人、輸送インフラ、およびさまざまな生産分野によるエネルギーの蓄積、輸送、および消費の手段としての水素の使用に基づいて、人類によるエネルギーの生産と消費の方向性です。水素は、地球の表面と宇宙で最も一般的な元素として選択され、水素の燃焼熱は最も高く、酸素の燃焼生成物は水です (これは再び水素エネルギーのサイクルに導入されます)。水素を生成するにはいくつかの方法があります。

天然ガスから

石炭ガス化：

水の電気分解（※逆反応）

バイオマス由来の水素

利点:

水素燃料の生態学的純度。

再生可能性。

非常に高い効率 - 75%。これは、石油とガスで動作する最新の設備のほぼ 2.5 倍です。

水素には、さらに深刻な欠点もあります。まず、遊離ガス状態では、自然界には存在しません。つまり、採掘する必要があります。第二に、ガスとしての水素は非常に危険です。空気との混合物は、最初は目に見えないほど「燃える」、つまり熱を放出し、わずかな火花から簡単に爆発します。水素爆発の典型的な例はチェルノブイリ事故で、過熱したジルコニウムに水が落ちて水素が発生し、それが爆発した。第三に、水素は密度が低いため、どこかに大きな容器に保管する必要があります。また、約 300 気圧という非常に高い圧力下でのみ圧縮できます。

2.6. 地熱エネルギー

火山の噴火は、地球内部が非常に熱くなっていることの明確な証拠です。科学者は、地球の核の温度を摂氏数千度と見積もっています。この温度は、金属や岩石が溶融状態でしか存在できないと科学者が信じている高温の内核から地表まで徐々に低下します。地熱エネルギーは主に 2 つの方法で使用されます。発電と家庭、施設、産業企業の暖房です。これらの目的のどれに使用されるかは、当社が所有する形態によって異なります。時々、水が純粋な「乾き蒸気」の形で地面から噴き出します。水滴の混入のない蒸気。この乾き蒸気を直接利用してタービンを回し、発電することができます。凝縮水は地面に戻すことができ、水質が十分に良ければ、近くの水域に排出されます。

海洋の熱エネルギーの変換。

海水の温度差を利用して発電するというアイデアは、約100年前、つまり1981年に登場しました。フランスの物理学者 Jacques D. Arsonval は、海の太陽エネルギーに関する研究を発表しました。当時、海が熱エネルギーを受け取って蓄える能力については、すでに多くのことが知られていました。海流の誕生のメカニズムと、水の表層と深層の間の温度差の形成における主な規則性も知られていました。

温度差の使用は、熱電素子に基づく直接変換、熱機械での熱の機械エネルギーへの変換、および温水と冷水の密度の違いを使用した油圧機械での機械エネルギーへの変換の 3 つの主な方向で可能です。

利点:

それらは事実上メンテナンスフリーです。

地熱発電所の利点の1つは、化石燃料発電所と比較して、同じ量の電力を生成した場合に排出される二酸化炭素が約20倍少なく、地球環境への影響が少ないことです。

地熱エネルギーの主な利点は、その実用的な無尽蔵性と、環境条件、時間帯、および年からの完全な独立性です。

地下熱水を利用するとどのような問題が発生しますか? 主なものは、廃水を地下帯水層に再注入する必要があることです。温泉水には、さまざまな有毒金属（ホウ素、鉛、亜鉛、カドミウム、ヒ素など）の塩と化合物（アンモニア、フェノール）が大量に含まれているため、これらの水が地表にある天然水系に排出されません。 .

2.7. 太陽電池

太陽電池のしくみ:

太陽セル (SC) は、太陽光を直接電気に変換する材料でできています。現在商業的に生産されている太陽電池のほとんどはシリコンでできています。

近年、太陽電池用の新しいタイプの材料が開発されています。例えば、二セレン化インジウム銅とCdTe（テルル化カドミウム）で作られた薄膜太陽電池。これらの SC も最近商業的に使用されています。

利点:

太陽のエネルギーはほぼ無限大

環境にやさしい

人にも自然にも安全

短所：太陽光発電所は夜間は作動せず、朝夕の薄暮時は有効に作動しません。同時に、電力消費のピークは夕方の時間帯になります。さらに、天候の変化により、発電所の容量が予期せず劇的に変動する可能性があります。太陽定数の値が比較的小さいため、太陽エネルギーは発電所用に広い土地を使用する必要があります (たとえば、1 GW の発電所の場合、これは数十平方キロメートルになる場合があります)。受け取ったエネルギーの環境はきれいですが、太陽電池自体には鉛、カドミウム、ガリウム、ヒ素などの有毒物質が含まれており、それらの生産は他の多くの有害物質を消費します。現代のフォトセルの耐用年数は限られており (30 ～ 50 年)、大量に使用するとすぐに廃棄の困難な問題が発生し、環境的に許容できる解決策もまだありません。

2.8.原子力

核エネルギー（原子エネルギー）、核変換（核反応）中に放出される原子核の内部エネルギー。核エネルギーの使用は、重核の核分裂の連鎖反応と熱核融合反応 - 軽核の核融合 - の実行に基づいています。これらの反応とその他の反応の両方にエネルギーの放出が伴い、たとえば、1 つの原子核の核分裂では約 200 MeV が放出されます。 1 gのウランにある原子核の完全な核分裂により、2.3 * 104 kWhのエネルギーが放出されます。これは石炭3トン、石油2.5トンを燃やして得られるエネルギーに相当します。制御された核分裂反応は、原子炉で使用されます。

利点:

安くて持続可能な（燃料費に比べて）電気料金。

中程度の環境影響。

原子力発電所の欠点:

照射された燃料は危険であり、複雑で費用のかかる再処理および保管手段が必要です。

熱中性子で動作する原子炉の可変出力による望ましくない動作モード。

インシデントの発生確率が低いため、その結果は非常に深刻です

容量が 700 ～ 800 MW 未満のユニットの設備容量 1 MW あたりの具体的な大規模な設備投資と、ステーションの建設、インフラストラクチャ、および清算の可能性に必要な一般的な設備投資。

石油に代わる上記のすべての代替品には1つありますが、非常に重大な欠点があり、エネルギー源として石油を完全に置き換えることはできません. この状況で役立つのは、熱核エネルギーの使用だけです。

2.9. 熱核エネルギー

ヘリウム3が関与する熱核エネルギーは、安全で高品質のエネルギーです。

熱核反応。ヘリウムの形成を伴う重水素、トリチウム、またはリチウムの軽原子核の融合中のエネルギーの放出は、熱核反応の過程で発生します。これらの反応は、非常に高い温度でしか起こらないため、熱核反応と呼ばれます。そうしないと、電気的反発力によって核が互いに接近することができなくなり、核の引力が作用し始めます。核融合反応は星のエネルギー源です。水素爆弾の爆発中にも同じ反応が起こります。地球上での制御された熱核融合の実施は、人類に新しい、事実上無尽蔵のエネルギー源を約束します。この点で最も有望なのは、重水素とトリチウムの核融合反応です。

原子力で使用される材料の代わりに、核融合炉でヘリウム 3 の同位体を持つ重水素を使用する場合。中性子束の強度は 30 分の 1 に低下します。したがって、原子炉の耐用年数を 30 ～ 40 年容易に確保することができます (放出される放射線の量はそれに応じて減少します)。ヘリウム原子炉の運転が完了した後、高レベルの廃棄物は発生せず、構造要素の放射能は非常に低いため、文字通り都市のゴミ捨て場に軽く土をまぶして埋めることができます。

だから問題は何ですか？こんなに儲かる核融合燃料がいまだに使われていないのはなぜでしょうか。

まず第一に、この同位体は私たちの惑星では非常に小さいからです. それは太陽で生まれるため、「太陽同位体」と呼ばれることもあります。そこにあるその総質量は、私たちの惑星の重量を超えています。ヘリウム 3 は、太陽風によって周囲の空間に運ばれます。地球の磁場はこの風のかなりの部分を偏向させるため、ヘリウム 3 は地球の大気のわずか 1 兆分の 1 (約 4000 トン) しか占めておらず、地球自体ではさらに少なく、約 500 kg です。

月にはこの同位体がもっとたくさんあります。そこでは、組成が通常のスラグに似ている月の土壌「レゴリス」に散在しています。私たちは巨大な - ほとんど無尽蔵の埋蔵量について話しています!

アポロ計画によってもたらされた 6 つの土壌サンプルと、ソ連の自動ルナステーションによって運ばれた 2 つのサンプルの分析により、月のすべての海と高原を覆うレゴリスには、月の必要量を満たすヘリウム 3 が最大 106 トン含まれていることがわかりました。地球のエネルギーは、千年の間、現代のものと比較して数倍も増加しました! 現代の推定によると、月のヘリウム3の埋蔵量は3桁大きく、109トンです。

月に加えて、ヘリウム 3 は巨大惑星の高密度の大気中に存在することがあり、理論的な見積もりによると、木星だけでその埋蔵量は 1020 トンであり、これは時間の終わりまで地球に電力を供給するのに十分です。 .

ヘリウム3製造プロジェクト

レゴリスは、厚さ数メートルの層で月を覆っています。月の海のレゴリスは、高原のレゴリスよりもヘリウムが豊富です。ヘリウム3は、約10万トンのレゴリスに1kg含まれています。

そのため、貴重な同位体を抽出するためには、もろい月の土を大量に処理する必要があります。

すべての機能を考慮すると、ヘリウム 3 製造技術には次のプロセスが含まれる必要があります。

1. レゴリスの抽出。

特殊な「ハーベスター」が厚さ約 2 m の表層からレゴリスを収集し、処理ポイントに配送するか、マイニングプロセスで直接処理します。

2. レゴリスからのヘリウムの放出。

レゴリスを600℃に加熱すると、レゴリスに含まれるヘリウムの75％が放出（脱着）され、800℃に加熱すると、ほとんどのヘリウムが放出されます。粉塵加熱は、特殊な炉で行うことが提案されており、プラスチックレンズまたは鏡で太陽光を集光します。

3. 再利用可能な宇宙船による地球への配送。

ヘリウム 3 の抽出中に、レゴリスから多数の物質も抽出されます。水素、水、窒素、二酸化炭素、窒素、メタン、一酸化炭素は、月面産業団地の維持に役立ちます。

レゴリスを処理し、そこからヘリウム 3 同位体を抽出するように設計された最初の月コンバインのプロジェクトは、J. Kulchinski のグループによって提案されました。現在、アメリカの民間企業がいくつかのプロトタイプを開発しており、NASAが月への将来の遠征の特徴を決定した後、それらは競争に提出されるようです.

月へのコンバインの配送に加えて、貯蔵施設、居住可能な基地 (複合機器全体にサービスを提供するため)、宇宙港などを建設する必要があることは明らかです。しかし、従来型のエネルギーキャリア (石炭、石油、天然ガス) が機能しなくなったときに、世界的なエネルギー危機が来ているという事実を考えると、月に高度なインフラストラクチャを構築するための高いコストは十分に報われると考えられています。放棄する必要があります。

石油が 35 ～ 40 年で枯渇することを考えると、そのようなプロジェクトを実施するのに十分な時間があります。そして、将来のリーダーとなるのはそれを実施できる国であり、私たちが力を合わせれば、より大きな成果をより速い時間枠で達成することができます。

では、なぜ熱核エネルギーなのか？それは：

どこでも豊富で利用可能な燃料を備えた大規模なエネルギー源。

地球環境への影響が非常に少ない - CO2 を排出しません。

・発電所の「日常の運転」は、放射性物質の輸送を必要としません。

発電所は安全で、「メルトダウン」や「制御不能な反応」の可能性はありません。

放射性廃棄物がなく、将来の世代に問題を引き起こしません。

収益性: 1 GW のエネルギーを生成するには約 100 kg の重水素が必要であり、1 年間使用するには 3 トンの天然リチウムが必要であり、約 70 億 kWh を生成します。

3.まとめ

このように、エネルギーは人類が快適に生きるために必要な重要な資源です。そして、エネルギーの抽出は人類の主要な問題の1つです。現在、石油は電気および燃料エネルギー源として積極的に使用されていますが、無限ではなく、その埋蔵量は毎年減少しています。また、現在開発されている代替手段では、オイルを完全に置き換えることができないか、深刻な欠点があります。

今日、すべての人類に必要な量のエネルギーを供給できると同時に重大な欠点を持たない唯一のエネルギー源は、ヘリウム 3 の使用に基づく熱核エネルギーです。この反応からエネルギーを得る技術は面倒であり、大規模な投資ですが、こうして得られるエネルギーは環境に優しく、数十億キロワットで計算されます。

安価で環境に優しいエネルギーが得られれば、石油を可能な限り置き換えることができます。たとえば、ガソリンエンジンを放棄して電気エンジンを使用する、電気を使用して熱を生成するなどです。このように、石油は化学製品の原料として何世紀にもわたって人類にとって十分です。

したがって、月（ヘリウム3の主な供給源である）では、産業を作成する必要があります。産業を作るためには開発計画が必要ですが、これは数年かかることであり、早ければ早いほど良いです。絶望的な状況（たとえば、エネルギー危機の間）ですでにそれをしなければならない場合、緊急に、それはまったく異なる費用をもたらすからです.

そして、この方向でより速く発展する国は、将来リーダーになるでしょう。エネルギーは未来だからです。

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構成と構造

物理的特性

使用法

中性子カウンター

中性子の検出には、ヘリウム 3 が充填されたガスカウンターが使用されます。これは、中性子束を測定するための最も一般的な方法です。彼らは反応します

n+ 3 He → 3 H + 1 H + 0.764 MeV。

荷電反応生成物 - トリトンとプロトン - は、比例カウンターまたはガイガーミュラーカウンターのモードで動作するガスカウンターによって登録されます。

超低温の取得

液体のヘリウム 3 をヘリウム 4 に溶かすと、ミリケルビンの温度に到達します。

薬

偏極ヘリウム-3 (長期保存可能) は、最近、核磁気共鳴を使用して肺を画像化する磁気共鳴画像法で使用されています。

価格

2009 年のヘリウム 3 の平均価格は 1 リットルあたり 930 ドルでした。

核燃料としてのヘリウム-3

反応 3 He + D → 4 He + p は、地球条件下で最も達成可能な重水素-トリチウム反応 T + D → 4 He + n よりも多くの利点があります。これらの利点は次のとおりです。

ヘリウム-重水素反応の欠点には、温度しきい値が大幅に高くなることが含まれます。開始する前に、約 10 億度の温度に到達する必要があります。

現在、ヘリウム 3 は天然資源から抽出されるのではなく、トリチウムの崩壊中に人工的に生成されます。後者は、原子炉でホウ素 10 とリチウム 6 を照射することにより、熱核兵器用に製造されました。

月でのヘリウム3採掘計画

ヘリウム 3 は、太陽で起こる反応の副産物です。地球上では、年間数十グラムと推定される非常に少量が採掘されています。

不安定 (1 日未満): 5 He: ヘリウム-5、6 He: ヘリウム-6、7 He: ヘリウム-7、8 He: ヘリウム-8、9 He: ヘリウム-9、10 He: ヘリウム-10

ウィキメディア財団。 2010 .

「ヘリウム-3」が他の辞書にあるものを参照してください。

- (緯度ヘリウム) He、周期系の第 VIII 族の化学元素、原子番号 2、原子質量 4.002602、希ガスに属します。無色無臭、密度 0.178 g/l。既知のすべてのガスよりも液化するのが困難です (268.93 °C); ... ... 大百科事典

- (ギリシャ語、helyos sun から)。太陽スペクトルで発見され、いくつかの希少鉱物として地球上に存在する素体。空気中に微量存在します。ロシア語に含まれる外国語の辞書。チュディノフ A.N ... ロシア語の外国語辞書

- (記号 He) は、1868 年に発見されたガス状の非金属元素、希ガスです。1895 年に鉱物のクレビット (ウラン石の一種) から初めて得られました。現在、その主な供給源は天然ガスです。また、含まれている... 科学技術百科事典

私、夫。、年 Eliy、I.父：Gelievich、Gelievnaデリバティブ：Gelya（Gela）; Elya. 語源: (ギリシャ語の hēlios sun より) 名前の日: 7 月 27 日個人名の辞書。ヘリウムエリウスを参照。デイエンジェル。参照 … 人名辞典

ヘリウム-化学。要素、記号 He (緯度ヘリウム)、で。 n. 2、で。 m. 4.002、不活性（希）ガスを指します。無色無臭、密度0.178kg/m3。通常の状態では、水素は単原子気体であり、その原子は原子核と 2 つの電子で構成されています。形成された... 大工科百科事典

ヘリウム3。奇妙で理解できないフレーズ。ただし、先に進むほど、それが聞こえてきます。専門家によると、差し迫ったエネルギー危機から世界を救うのはヘリウム3です。そして、この企業では、ロシアに最も積極的な役割が与えられています。

月

重水素 - トリチウム核融合反応を基礎として使用する有望な熱核エネルギーは、現代の原子力発電所で使用される核分裂のエネルギーよりも安全ですが、まだ多くの重大な欠点があります。

まずは、この反応は、はるかに多くの（桁違いに！）高エネルギー中性子を放出します。少なくとも 30 年の資源を持つ原子炉を作ることは理にかなっているという事実にもかかわらず、既知の材料のどれも、そのような強い中性子束に 6 年以上耐えることはできません。その結果、トリチウム核融合炉の最初の壁を交換する必要があります。これは非常に複雑で費用のかかる手順であり、原子炉をかなり長期間停止することにも関連しています。
第二に、原子炉の磁気システムを強力な中性子放射から保護する必要があります。これにより、設計が複雑になり、それに応じてコストが増加します。
第三に、運転終了後のトリチウム原子炉の設計の多くの要素は非常に活発であり、この目的のために特別に作成された貯蔵施設に長期間埋葬する必要があります。

熱核反応炉でトリチウムの代わりにヘリウム-3同位体を持つ重水素を使用する場合、ほとんどの問題は解決できます。中性子束の強度は 30 分の 1 に低下します。したがって、30 ～ 40 年の耐用年数を簡単に確保できます。ヘリウム原子炉の運転が完了した後、高レベルの廃棄物は発生せず、構造要素の放射能は非常に低いため、文字通り都市のゴミ捨て場に軽く土をまぶして埋めることができます。

何が問題ですか？こんなに儲かる核融合燃料がいまだに使われていないのはなぜでしょうか。

アポロ探検隊によって持ち込まれた6つの土壌サンプルと、ソビエトの自動ステーションによって運ばれた2つのサンプルの分析」月」、月のすべての海と高原を覆うレゴリスには、地球のエネルギーのニーズを満たす最大106トンのヘリウム-3が含まれていることが示されました。現代の推定によると、月のヘリウム3の埋蔵量は3桁大きく、109トンです。

ヘリウム3製造プロジェクト

そのため、貴重な同位体を抽出するためには、もろい月の土を大量に処理する必要があります。

すべての機能を考慮すると、ヘリウム 3 製造技術には次のプロセスが含まれる必要があります。

1. レゴリスの抽出。

特殊な「ハーベスター」が厚さ約 2 m の表層からレゴリスを収集し、処理ポイントに配送するか、マイニングプロセスで直接処理します。

2. レゴリスからのヘリウムの放出。

3. 再利用可能な宇宙船による地球への配送。

主な技術的問題

ヘリウム 3 に基づいてエネルギーを生成する方法には、重要な問題が 1 つあります。事実、重水素-ヘリウム-3反応は、重水素-トリチウム反応よりも実行がはるかに困難です。

まず第一に、これらの同位体の混合物に点火することは非常に困難です。重水素とトリチウムの混合物で熱核反応が進行する計算温度は、1億から2億度です。ヘリウム 3 を使用する場合、必要な温度は 2 桁高くなります。実際、私たちは地球上で小さな太陽を照らさなければなりません。

しかし、原子力エネルギーの開発の歴史 (過去半世紀) は、発生する温度が 10 年間で 1 桁上昇したことを示しています。 1990 年には、ヨーロッパの JET トカマクでヘリウム 3 が燃焼され、その出力は 140 kW でした。ほぼ同時に、アメリカのトカマク TFTR は、重水素とヘリウムの混合物中で反応を開始するのに必要な温度に達しました。

ただし、混合物に点火することは戦いの半分です。熱核エネルギーのマイナス面は、実用的なリターンを得ることの難しさです。これは、作業体が数百万度に加熱されたプラズマであり、磁場内に保持する必要があるためです。

プラズマテイミング実験は何十年にもわたって実施されてきましたが、昨年 6 月末にモスクワで、多くの国の代表者がフランス南部の国際熱核融合実験炉 (ITER) の建設に関する合意に署名しました。実用的な熱核発電所のプロトタイプであるカダラッシュ市。 ITER は重水素とトリチウムを燃料として使用します。

ヘリウム 3 核融合炉は、構造的に ITER よりも複雑になる予定であり、これまでのところ、プロジェクトにも含まれていません。専門家は、プロトタイプのヘリウム 3 原子炉が今後 20 ～ 30 年以内に登場することを望んでいますが、この技術は純粋な幻想のままです。

ヘリウム 3 生産の問題は、2004 年 4 月に米国議会下院科学委員会の宇宙航空小委員会で開催された月の将来の探査と探査に関する公聴会で専門家によって分析されました。彼らの結論は明白でした。遠い将来でさえ、月でのヘリウム3の抽出は完全に不採算です。

ワシントンの宇宙政策研究所のディレクターであるジョン・ログスドンは、次のように述べています。この同位元素を求めてそこに飛ぶことは、500 年前にウランを求めてコロンブスをインドに送るようなものです。彼はそれを持ってくることができます、そして彼はそれを持ってきたでしょう.

国家プロジェクトとしてのヘリウム3採掘

「私たちは今、未来の熱核エネルギーと、地球上では生産できない新しい環境に優しいタイプの燃料について話している. ヘリウム3を抽出するための月の産業開発について話しています。

ロケットと宇宙企業のエネルギア、ニコライ・セバスチャノフの責任者によるこの声明は、ロシアの科学オブザーバーによって、新しい「国家プロジェクト」の形成のためのアプリケーションとして認識されました。

実際、国家の主な機能の 1 つは、特に 20 世紀において、まさに想像の限界に達した社会の課題を策定することでした。これはソビエト国家にも当てはまりました。電化、工業化、原子爆弾の作成、最初の人工衛星、川の流れ。

今日、ロシア連邦では、州は試みていますが、不可能に近いタスクを策定することはできません。州は、全国規模のプロジェクトであることを示し、このプロジェクトから理論的に得られる利益を正当化する人物を必要としています。熱核エネルギーに燃料を供給するための月から地球へのヘリウム-3の開発と生産のプログラムは、これらの要件を理想的に満たしています。

ロシア科学アカデミーの宇宙研究所の科学秘書であるアレクサンダー・ザハロフ氏はインタビューで、「何らかの主要な技術的問題に不足があると思う」と語った。 - おそらく、これが原因で、月での熱核エネルギー用のヘリウム3の生産に関するこのすべての話が最近発生しました。もし月-ミネラルの源、そしてそこからこのヘリウム-3を運ぶためですが、地球には十分なエネルギーがありません...これはすべて理解できます、それはとてもいいですね。そして、このために、おそらく、影響力のある人々にお金を割り当てるよう説得するのは簡単です. そう思います"。

この同位体は、熱核エネルギーの必要性のために月で採掘される予定です。ただし、これは遠い未来の話です。それにもかかわらず、ヘリウム-3 は今日、特に医療分野で非常に需要があります。

ウラジミール・テスレンコ

地球の大気中のヘリウム 3 の総量はわずか 35,000 トンと推定されており、マントルから大気中への (火山や地殻の断層を通って) 年間数キログラムの量が流れています。月のレゴリスでは、数億年にわたって太陽風にさらされるうちに、ヘリウム 3 が徐々に蓄積されました。その結果、1 トンの月の土には 0.01 g のヘリウム 3 と 28 g のヘリウム 4 が含まれています。この同位体比 (~0.04%) は、地球の大気よりもはるかに高いです。

月でのヘリウム 3 の抽出に関する野心的な計画は、宇宙のリーダー (ロシアと米国) だけでなく、新規参入者 (中国とインド) によっても真剣に検討されており、この同位体に置かれた希望と関連しています。エネルギー産業によって。核反応 3He+D→4He+p は、地球条件下で最も達成可能な重水素-トリチウム反応 T+D→4He+n よりも多くの利点があります。

これらの利点には、反応ゾーンからの中性子束が 10 分の 1 に減少することが含まれます。これにより、誘導される放射能と原子炉構造材料の劣化が劇的に減少します。さらに、反応生成物の 1 つである陽子は、中性子とは異なり、容易に捕捉され、追加の電気を生成するために使用できます。同時に、ヘリウム-3と重水素の両方が不活性であり、それらの貯蔵には特別な予防措置は必要ありません。また、炉心の減圧を伴う原子炉事故が発生した場合、放出の放射能はゼロに近くなります。ヘリウム-重水素反応には重大な欠点もあります。それは、温度しきい値が非常に高いことです (反応を開始するには、10 億度のオーダーの温度が必要です)。

これはすべて未来の問題ですが、ヘリウム 3 は現在でも非常に需要があります。確かに、エネルギーではなく、核物理学、極低温産業、および医学についてです。

磁気共鳴画像

磁気共鳴画像法 (MRI) は、医療分野での使用が開始されて以来、主要な診断方法の 1 つとなり、害を及ぼすことなくさまざまな臓器の「内部」を見ることができます。

人体の質量の約 70% は水素にかかっており、水素の原子核である陽子には特定のスピンと関連する磁気モーメントがあります。陽子が外部の一定の磁場に置かれた場合、スピンと磁気モーメントは磁場に沿って、または磁場に向かって配向され、最初の場合の陽子のエネルギーは2番目の場合よりも小さくなります。陽子は、たとえば、特定の周波数で電磁界量子を照射することにより、これらのエネルギーレベルの差に等しい厳密に定義されたエネルギーを陽子に転送することにより、最初の状態から2番目の状態に転送できます。

ヘリウム3を磁化する方法

ヘリウム 3 を磁化する最も簡単で直接的な方法は、強力な磁場でヘリウム 3 を冷却することです。ただし、この方法の効率は非常に低く、さらに、強力な磁場と低温が必要です。したがって、実際には、光ポンピングの方法が使用されます-偏光ポンプ光子からヘリウム原子へのスピンの転送。ヘリウム 3 の場合、これは 2 つの段階で発生します。準安定状態での光ポンピングと、基底状態と準安定状態のヘリウム原子間のスピン交換です。技術的には、これは、弱い高周波放電によって準安定状態に移行したヘリウム-3を細胞に照射し、弱い磁場の存在下で円偏光レーザー放射を照射することによって実現されます。偏極ヘリウムは、セシウムで裏打ちされた容器に 10 気圧で約 100 時間保存できます。

これはまさに MRI スキャナーの仕組みであり、個々の陽子を検出しないだけです。多数の陽子を含むサンプルを強力な磁場に置くと、磁気モーメントが磁場に沿って反対方向に向いている陽子の数はほぼ等しくなります。このサンプルに厳密に定義された周波数の電磁放射を照射し始めると、「フィールドに沿って」磁気モーメント（およびスピン）を持つすべての陽子が反転し、「フィールドに向かって」位置を取ります。この場合、エネルギーの共鳴吸収があり、緩和と呼ばれる初期状態に戻るプロセス中に、検出可能な受信エネルギーの再放出があります。この現象は、核磁気共鳴（NMR）と呼ばれます。 NMR で有用な信号が依存する物質の平均分極は、外部磁場の強度に正比例します。検出してノイズから分離できる信号を得るには、超伝導マグネットが必要です。これだけが、1 ～ 3 T 程度の誘導で磁場を作り出すことができます。

磁気ガス

MR断層撮影装置は陽子クラスターを「見る」ため、大量の水素（主に水の形）を含む軟部組織や臓器の研究と診断に優れており、分子の磁気特性を区別することもできます. このようにして、たとえば、ヘモグロビン（血液中の主要な酸素運搬体）を含む動脈血と、常磁性デオキシヘモグロビンを含む静脈血を区別できます。これが、脳の活動を追跡できるfMRI（機能的MRI）の基礎です。ニューロン。

しかし、悲しいかな、MRI のような素晴らしい技術は、空気で満たされた肺の研究にはまったく適していません (水素で満たしたとしても、低密度の気体媒体からの信号はノイズバックグラウンドに対して弱すぎます)。また、肺の軟部組織は「多孔質」で水素をほとんど含まないため、MRI の助けを借りてもあまりよく見えません。

この制限を回避することは可能ですか? 「磁化された」ガスを使用すると可能です。この場合、すべての (またはほとんどすべての) 磁気モーメントが一方向に向けられるため、平均分極は外部場によって決定されません。 1966 年、フランスの物理学者アルフレッドカスラーは、「原子のヘルツ共鳴を研究するための光学的方法の発見と開発に対して」という言葉でノーベル賞を受賞しました。彼は、スピン系の光分極の問題、つまり円分極による光子の共鳴吸収中の光ポンピングを使用したガス (特にヘリウム 3) の「磁化」の問題を扱いました。

核磁気共鳴は、水素原子核 - 陽子の磁気特性を利用しています。外部磁場がなければ、陽子の磁気モーメントは任意に方向付けられます (最初の画像のように)。強力な磁場が適用されると、陽子の磁気モーメントは磁場に平行に、「沿って」または「向かって」配向されます。これらの 2 つの位置は、異なるエネルギーを持っています (2)。エネルギー差に対応する共鳴周波数を有する無線周波パルスは、陽子の磁気モーメントを場に向けて「向ける」(3)。無線周波数パルスの終了後、逆の「フリップ」が発生し、陽子が共鳴周波数で放出されます。この信号は、断層撮影装置の高周波システムによって受信され、コンピューターによって画像を作成するために使用されます (4)。

深呼吸

医学における偏極ガスの使用は、プリンストン大学とニューヨーク大学ストーニーブルック校の研究者グループによって開拓されました。 1994 年、科学者は Nature 誌に、マウスの肺の最初の MRI 画像を示す記事を発表しました。

確かに、MRI は標準的なものではありません。この技術は、水素原子核 (陽子) ではなく、キセノン 129 原子核の応答に基づいていました。さらに、ガスはまったく普通ではありませんでしたが、過分極、つまり事前に「磁化」されていました。このようにして、新しい診断方法が生まれ、すぐに人間の医学で使用され始めました。

過分極ガス (通常は酸素と混合) が肺の隅々まで入り込むため、最高の X 線よりも 1 桁高い解像度の MRI 画像を取得できます。肺の各領域の酸素分圧の詳細なマップを作成し、血流の質と毛細血管内の酸素の拡散について結論を出すことさえ可能です。この技術により、喘息患者の肺換気の性質を研究し、肺胞のレベルで重症患者の呼吸プロセスを制御することが可能になります。

MRI のしくみ。 MRI スキャナーは、水素原子の原子核である陽子のクラスターを検出します。したがって、MR イメージングは、異なる組織の水素 (主に水) の含有量の違いを示します。ある組織を別の組織と区別する方法は他にもあり (磁気特性の違いなど)、専門的な研究で使用されています。

過分極ガスを使用した MRI の利点はこれに限定されません。ガスは過分極しているため、有用な信号レベルははるかに高くなります (約 10,000 倍)。これは、超強力な磁場が不要であることを意味し、いわゆる低磁場 MRI スキャナーの設計につながります。これらのスキャナーは、より安価で、より移動可能で、より広々としています。このような設備では、0.005 T 程度の電磁石が使用されますが、これは標準的な MRI スキャナーより数百倍弱いものです。

小さな障害

この分野での最初の実験は過分極キセノン 129 で行われましたが、すぐにヘリウム 3 に置き換えられました。無害で、キセノン 129 よりも鮮明な画像を生成し、磁気モーメントが 3 倍であるため、NMR 信号が強くなります。さらに、質量が他のキセノン同位体と近接していることによるキセノン 129 の濃縮は高価なプロセスであり、達成可能なガス分極はヘリウム 3 の分極よりも大幅に低くなります。さらに、キセノン129には鎮静効果があります。

しかし、低磁場断層撮影法がシンプルで安価であるなら、過分極ヘリウム MRI が現在すべての診療所で使用されていないのはなぜでしょうか? 1つの障害があります。しかし、なんと！

冷戦の遺産

ヘリウム 3 を得る唯一の方法は、トリチウムの崩壊です。 3He の在庫の多くは、冷戦中の核軍拡競争で生成されたトリチウムの崩壊が原因です。米国では、2003 年までに約 260,000 リットルの「生の」（未精製）ヘリウム 3 が蓄積され、2010 年までに未使用のガスは 12,000 リットルしか残っていませんでした。この希薄なガスの需要の増加に関連して、2007 年には限られた量のトリチウムの生産さえ回復し、2015 年までに年間 8,000 リットルの追加のヘリウム 3 を受け取ることが計画されています。同時に、その年間需要はすでに少なくとも 40,000 リットルです (そのうち、医療に使用されるのはわずか 5% です)。 2010 年 4 月、米国科学技術委員会は、ヘリウム 3 の不足は多くの分野で実際に悪影響をもたらすと結論付けました。米国の原子力産業で働く科学者でさえ、州の備蓄からヘリウム 3 を入手するのに苦労しています。

混合冷却

ヘリウム 3 なしでは成り立たないもう 1 つの産業は、極低温産業です。超低温を実現する、いわゆる。ヘリウム3をヘリウム4に溶かす効果を利用した希釈冷凍機。 0.87 K 未満の温度では、混合物はヘリウム 3 とヘリウム 4 が豊富な 2 つの相に分離します。これらの相間の遷移にはエネルギーが必要であり、これにより非常に低い温度 (0.02 K まで) まで冷却できます。最も単純なこのようなデバイスには、ヘリウム 3 が十分に供給されており、ヘリウム 3 は界面を通ってヘリウム 4 が豊富な相に徐々に移動します。エネルギーの吸収。ヘリウム3の供給がなくなると、デバイスはそれ以上機能しなくなります - それは「使い捨て」です。
特に、欧州宇宙機関のプランク軌道観測所で使用されたのは、この冷却方法です。プランクの仕事は、0.1 K に冷却された 48 個の HFI (高周波機器) ボロメータ検出器を使用して、CMB (約 2.7 K の温度) の異方性を高解像度で記録することでした。冷却システム内のヘリウム-3 の供給が使い果たされる前に。、プランクはマイクロ波の範囲で空の写真を5枚撮ることができました。

ヘリウム 3 のオークション価格は 1 リットルあたり 2,000 ドル前後で変動しており、下落傾向は見られません。このガスの不足は、核物質を検出するためのデバイスで使用される中性子検出器を作るためにヘリウム-3の大部分が使用されるという事実によるものです。このような検出器は、(n, p) 反応 (中性子の捕捉と陽子の放出) に従って中性子を記録します。そして、核物質を輸入しようとする試みを検出するために、そのような検出器がたくさん必要です-数十万個。ヘリウム 3 が途方もなく高価になり、大衆医療に利用できなくなったのはこのためです。

しかし、希望はあります。確かに、それらは月のヘリウム-3（その生産は遠い見通しのままです）に割り当てられていませんが、カナダ、アルゼンチン、ルーマニア、中国、南部で運用されているCANDUタイプの重水炉で形成されるトリチウムに割り当てられています韓国。

おそらく、熱核エネルギーの分野で、ヘリウム 3 のような神話に取り囲まれているものはほとんどありません。80 年代から 90 年代にかけて、ヘリウム 3 は、制御された熱核融合のすべての問題を解決する燃料として、また降りる理由の 1 つとして積極的に普及しました。地球は文字通り数百キログラムであり、月は10億トンであるため、地球は太陽系を探索し始めます. これはすべて、今日存在しない熱核エネルギーの可能性、問題、およびニーズについての非常に奇妙な考えに基づいています。

月でヘリウム3を採掘する機械はすでに準備ができており、あとはその用途を見つけることだけです。

彼らがヘリウム3について話すとき、彼らは熱核融合反応を意味します He3 + D -> He4 + Hまた He3 + He3 -> 2He4 + 2H. クラシックに比べて D + T -> He4 +n反応生成物には中性子がありません。つまり、超エネルギー中性子による熱核反応炉の建設の活性化はありません。さらに、「古典」からの中性子がプラズマからエネルギーの 80% を運び去るという事実が問題であると考えられているため、自己発熱バランスはより高い温度で発生します。ヘリウムバージョンのもう 1 つの注目すべき利点は、古い石炭火力発電所のように中性子で水を加熱するのではなく、反応の荷電粒子から電気を直接除去できることです。

したがって、これはすべて真実ではなく、むしろ真実のごく一部です。

同じプラズマ密度と最適温度で、反応 He3 + D が屈服するという事実から始めましょう。 40分の1作業プラズマの立方メートルあたりのエネルギー放出。この場合、少なくとも 40 倍の破断に必要な温度は、10 倍の 100 keV (または 10億度) 対 D +T の場合は 10。それ自体で、そのような温度はかなり達成可能です (今日のトカマクの記録は 50 keV で、2 倍悪いだけです)。 He3 + D 反応の立方メートルから 50 倍のエネルギーが放出されます。これは、同じ 50 倍の密度を上げることによってのみ行うことができます。これは、温度が 10 倍に上昇することと相まって、 プラズマ圧力を500倍に増加- 3 ～ 5 気圧から 1500 ～ 2500 気圧に、このプラズマを維持するための背圧も同じように増加します。

でも絵は感動的です。

ITER のトロイダル磁場の磁石は、プラズマに対抗圧力を与えるものであり、絶対に記録破りの製品であり、パラメーターに関しては世界で唯一のものであると書いたことを覚えていますか? したがって、He3 ファンは磁石を 500 倍強力にすることを提案しています。

わかりました、難しいことは忘れてください。おそらく、この反応の利点がそれらを報いるのでしょうか?

CTSに適用可能な様々な熱核反応。 He3 + D は D + T よりもわずかに多くのエネルギーを与えますが、クーロン斥力 (2 ではなく 3 の電荷) を克服するために多くのエネルギーが費やされるため、反応は遅くなります。

中性子から始めましょう。産業用原子炉の中性子は深刻な問題となり、容器の材料に損傷を与え、プラズマに面しているすべての要素を過度に加熱するため、適切な量の水で冷却する必要があります。そして最も重要なことは、中性子による物質の活性化は、熱核反応炉の停止から10年後でも、手で分解できず、保管中に老化する数千トンの放射性構造を持つという事実につながります。何百年、何千年も。中性子をなくせば、明らかに熱核発電所の建設が容易になります。

中性子によって運ばれるエネルギーの割合。原子炉にさらに He3 を追加すると、それを 1% に減らすことができますが、これにより着火条件がさらに厳しくなります。

では、荷電粒子のエネルギーを電気に直接変換する場合はどうでしょうか? 実験では、100 keV のエネルギーを持つイオンの流れを 80% の効率で電気に変換できることが示されています。ここには中性子がありません... つまり、熱の形でしか得られないすべてのエネルギーを奪うわけではありません.蒸気タービンを取り除き、イオンコレクターに入れましょうか?

はい、プラズマエネルギーを電気に直接変換する技術があり、それらは60年代から70年代に積極的に研究され、50〜60％程度の効率を示しました（80ではなく、注意する必要があります）。ただし、この考えは、D + T リアクターと He3 + D の両方にあまり適用できません。なぜそうなのか、この写真は理解に役立ちます。

これは、さまざまなチャネルを介したプラズマの熱損失を示しています。 D+T と D + He3 を比較します。トランスポートは、プラズマエネルギーを電気に直接変換するために使用できるものです。 D + Tバリアントでは、すべてが厄介な中性子によって私たちから奪われます.He3 + Dの場合、プラズマの電磁放射、主にシンクロトロンとX線制動放射によってすべてが奪われます（写真）制動放射)。状況はほぼ対称的ですが、壁から熱を除去する必要がありますが、それでも直接変換する必要があります 10～15%以上引き出せない熱核燃焼のエネルギーとその他 - 蒸気エンジンによる昔ながらの方法。

日本最大のオープントラップガンマ 10 での直接プラズマエネルギー変換に関する研究の図。

理論的な制限に加えて、工学的な制限もあります-世界（ソ連を含む）では、従来の発電所のプラズマエネルギーを電気に直接変換するための設備を作成するために多大な努力が費やされました。 35%から55%。主に MHD ジェネレーターに基づいています。大規模なチームの 30 年間の作業は無駄に終わりました。電力エンジニアが数千、数万を必要とするとき、インストールのリソースは数百時間でした。この技術に費やされた莫大な量のリソースは、特に、我が国がパワーガスタービンと蒸気ガスタービンサイクルプラントの生産に遅れをとっているという事実につながりました（効率がまったく同じように向上します-35から55% まで!)。

ちなみに、MHD発電機にも強力な超電導磁石が必要です。ここに示されているのは、30 MW MHD 発電機用の SP 磁石です。