ヘリウムエネルギー。ヘリウム3は未来のエネルギーです。冷戦の遺産

化石の天然資源が枯渇するため、人間の文明の生活の基準では、かなりの時間がかかります。石油とガスを置き換える可能性のある候補の中には、太陽エネルギー、風力、または水素があります。近年、地球の新たな救いについて耳にする機会がますます増えています。 ヘリウム-3. この物質が発電所の原料として利用できると考えられたのは、比較的最近のことです。

物質に関する一般データ：特性

1934 年、オーストラリアの物理学者マーク・オリファントは、イギリスのケンブリッジ大学のキャベンディッシュ研究所で働いていたときに、驚くべき発見をしました。重陽子ターゲットを爆撃することによる核融合の最初の実証中に、彼は化学元素番号 2 の新しい同位体の存在を仮定しました。今日、それはヘリウム 3 としても知られています。

それは次のものを持っています プロパティ:

陽子 2 個、中性子 1 個、電子 2 個が含まれます。
すべての既知の元素の中で、中性子よりも多くの陽子を持つ唯一の安定同位体です。
3.19 ケルビン (摂氏 -269.96 度) で沸騰します。沸騰中、物質はその密度の半分を失います。
角運動量は ½ であるため、フェルミオンになります。
蒸発潜熱は 0.026 kJ/mol です。

マーク・オリファントの発見から 5 年後、彼の理論的構築は実験的に確認されました。そして9年後、科学者たちはなんとか化合物を手に入れましたの液状 . 結局のところ、この凝集状態では、ヘリウム-3 は超流動特性を持っています。

つまり、絶対零度に近い温度では、毛細血管や狭いスリットをほとんど摩擦抵抗なく通り抜けることができます。

月でのヘリウム3の抽出

何十億年もの間、太陽風は大量のヘリウム-3 をレゴリスの表層に堆積させてきました。見積もりによると、地球の衛星上のその量は1,000万トンに達する可能性があります。

多くの宇宙大国には、その後の熱核融合の目的でこの物質を抽出するためのプログラムがあります。

2006 年 1 月、ロシアの会社 Energia は、2020 年までに月で地質調査を開始する計画を発表しました。現在、国の経済状況が困難なため、プロジェクトの将来は宙ぶらりんになっています。
2008 年、インド宇宙研究機構は地球の衛星の表面に探査機を送りました。その目的の 1 つは、ヘリウム含有鉱物の研究でした。
中国はまた、貴重な原材料の埋蔵量について独自の見解を持っています。計画によると、毎年3回のシャトルを衛星に送ることになっています。この燃料から生み出されるエネルギーは、全人類のニーズを十分に賄うことができます。

これまでのところ、SF映画でしか見られない夢のままです。その中には「ムーン」（2009年）と「アイアンスカイ」（2012年）があります。

このビデオでは、物理学者のボリス・ロマノフが、月でヘリウム 3 がどのような形になっているか、そこから取り込めるかどうかを説明します。

地球化学データ

同位体は地球にも存在しますが、少量ではあります。

これは、惑星形成中に合成された地球のマントルの主成分です。地球のこの部分におけるその総質量は、さまざまな推定によると、0.1 から 100 万トンです。
火山活動の結果として表面に現れます。したがって、ハワイ諸島の丘は、この物質を年間約 300 グラム排出します。中央海嶺 - 約3キロ。
1 つのリソスフェアプレートが別のプレートと衝突する場所では、数十万トンのヘリウム同位体が見つかります。技術開発の現在の段階では、この富を工業的に抽出することは不可能です。
地殻とマントルでの放射性元素の崩壊の結果として、自然は現在までこの化合物を生成し続けています。
一部の天然ガス源では、かなり少量 (最大 0.5%) 検出されます。専門家によると、天然ガス輸送の過程で毎年 26 m 3 のヘリウム 3 が分離されています。
地球の大気中にも存在します。その特定の割合は、他の大気ガスの原子の約 7.2 兆分の 1 です。最新の見積もりによると、大気の総質量 3 2 彼は少なくとも 37,000 トンに達します。

物質の現代的な使用

国家経済で使用されるほぼすべての同位体は、原子炉内でリチウム 6 中性子が照射されるトリチウムの放射性崩壊によって得られます。

何十年も ヘリウム 3 は、核弾頭の製造における副産物に過ぎませんでした。. しかし、1991 年に START-1 条約が調印された後、超大国はミサイルの生産を削減したため、製品の生産量も減少しました。

今日、同位体の生産規模は拡大しており、新たな用途が発見されています。

磁気回転比が比較的高いため、この物質の粒子は肺の医療用断層撮影に使用されます。患者は、過分極ヘリウム 3 原子を含むガス混合物を吸入します。次に、赤外線レーザー放射の影響下で、コンピューターが臓器の解剖学的および機能的な画像を描画します。
科学研究所では、この化合物は極低温目的で使用されます。冷蔵庫の表面から蒸発させることで、0.2ケルビンに近い値を達成することができます。
近年、この物質を発電所の原料として使用するというアイデアが人気を集めています。最初のそのような施設は、2010 年にテネシーバレー (米国) で建設されました。

燃料としてのヘリウム-3

制御された熱核エネルギーの使用に対する 2 番目の修正されたアプローチは、原材料として 32 He と重水素を使用することです。このような反応の結果は、ヘリウム 4 イオンと高エネルギー陽子になります。

理論的には、このテクノロジーには次の利点があります。

静電界を利用してイオンの融合を制御するため、高効率。陽子の運動エネルギーは、固体変換によって直接電気に変換されます。陽子エネルギーを熱に変換するために原子力発電所で使用されるタービンを構築する必要はありません。
他のタイプの発電所と比較して、資本コストと運用コストが低い。
空気も水も汚染されていません。
最新のコンパクトユニットの使用により、比較的小さい寸法。
放射性燃料はありません。

ただし、批評家は、そのような決定の重大な「湿気」に注意しています。最高の状態で 核融合の商業利用は2050年まで始まらない.

シリアル番号 2 の化学元素のすべての同位体の中で、ヘリウム 3 は際立っています。それが何であるかは、次の特性によって簡単に説明できます。安定しており（つまり、放射線の結果として変換を受けない）、液体の形で超流動特性を持ち、比較的小さな質量を持っています.

宇宙でのヘリウム 3 の形成に関するビデオ

このビデオでは、物理学者のダニールポタポフが、宇宙でヘリウム 3 がどのように形成されたか、宇宙の形成においてヘリウム 3 が果たした役割について説明します。

今後数年間で、勝者（または勝者）がほぼ無尽蔵のエネルギー源を手に入れるルナレース2を目撃する可能性があります。これにより、人類は質的に新しい技術秩序に入ることができ、そのパラメータは推測することしかできません。

ヘリウム3とは？

学校の物理の授業で、ヘリウムの原子質量は 4 であり、この元素は不活性ガスであることを覚えています。特にエネルギーの放出を伴う化学反応でそれを使用することは問題があります。まったく別の物質は、原子質量3のヘリウム同位体です。重水素（原子質量2の水素の同位体）との熱核反応に入ることができ、その結果、巨大なエネルギーが生成されますプロトンの放出を伴う通常のヘリウム-4の合成（3 He + D → 4 Not + p +エネルギー）。同様に、わずか 1 グラムのヘリウム 3 から、15 トンの石油を燃焼させた場合と同じエネルギーを得ることができます。

ヘリウム 3 のトンは、年間 10 GW のレベルでエネルギーを放出するのに十分です。したがって、ロシアの現在のエネルギー需要をすべて賄うためには、年間 20 トンのヘリウム 3 が必要であり、人類全体では、年間約 200 トンの同位体が必要になります。同時に、調査された炭化水素埋蔵量の最新の推定によると、埋蔵量が無制限ではない石油とガスを燃やす必要はありません-人類は半世紀の間だけ十分です. また、チェルノブイリとフクシマの後に特に重要性を増した、かなり危険な原子力発電所を稼働させる必要もありません。

ヘリウム3はどこで入手できますか?

現代の技術の発展により、この要素の実際にアクセスできる唯一のソースは月の表面です. ヘリウム 3 は、2 つの水素原子が結合した結果として、星 (たとえば、太陽) の深部で単独で形成されます。

この場合、この反応の主な生成物は通常のヘリウム-4であり、同位体-3が少量形成されます。その一部は太陽風によって運ばれ、惑星系全体に均等に分布しています。

ヘリウム3は、その原子が地球の磁場によって偏向されるため、実際には地球に落ちません。しかし、そのようなフィールドを持たない惑星では、要素は土壌の上層に堆積し、徐々に蓄積します。磁場を持たない地球に最も近い天体は月なので、人類が利用できるこの貴重なエネルギー担体の埋蔵量が集中しているのは月です。

これは、理論計算だけでなく、実証研究の結果によっても確認されています。地球に運ばれた月の土のすべてのサンプルで、ヘリウム-3 が比較的高濃度で検出されました。平均して、100 トンのレゴリスは 1 g です。与えられたエネルギー同位体。

したがって、前述の 20 トンのヘリウム 3 を抽出してロシア連邦の年間エネルギー需要を完全に満たすには、20 億トンの月の土を「シャベルで掘る」必要があります。

物理的には、これは採石場の深さ 3 m で 20x20 km の月面のサイトに相当します。このような大規模な採掘を組織する作業は非常に困難ですが、非常に解決可能であり、現代のエンジニアは確信しています。どう見ても、核融合炉用の数十トンの燃料を地球に運ぶことは、より困難で費用のかかる問題になるでしょう。

ヘリウムエネルギー革命において、人類に欠けているものは何ですか?

ヘリウム3に基づく本格的な熱核エネルギーを地球上で開発するために、人々は3つの主要なタスクを解決する必要があります。

1. 地球と月のルートに沿って往復する信頼できる強力な貨物輸送手段の作成。
2. 多くの技術的問題に関連するヘリウム 3 を抽出するための月面基地と複合体の建設。
3. 地球上での実際の熱核発電所の建設。そのためには、特定の技術的障壁も克服する必要があります。

最初の問題を解決するために、人類はほとんど近づいてきました。 Moon Race 2 に参加している 4 つの国と EU は、大量の貨物を月周回軌道に投入できる大型ロケットをすでに開発しているか、開発中です。たとえば、ロシアは 2027 年までに、少なくとも 10 トンのペイロードを月に届けることができる Angara-A5V ロケットをハードウェアに実装することを計画しています。月の重力は地球の 6 分の 1 であるため、帰りの輸送は簡単ですが、ここでは燃料が問題になります。地球から輸入するか、衛星の表面で生成する必要があります。

2 番目のタスクは、レゴリスからのヘリウム 3 の実際の抽出を組織化することに加えて、将来の鉱山労働者のための生命維持システムを備えた信頼性の高い月面基地を作成する必要があるため、はるかに深刻です。これは、ISSやミールを中心とした軌道ステーションの長年の運用で培われた技術に大きく貢献します。ロシアと他の国の両方で、今日、月面基地が積極的に設計されており、おそらく今日のわが国は、そのようなプロジェクトを実際に実施するための最大の技術を持っています。

3番目の問題に関しては、熱核反応炉の作成に関する作業が過去30年間地球上で行われてきました。ここでの主な技術的困難は、いわゆる高温プラズマ（熱核融合の「点火」に必要）を維持することの問題です。「磁気トラップ」。

この問題は、重水素とトリチウムを結合する原理 (D + T = 4 He + n + エネルギー) で動作する原子炉では既に解決されています。このような反応を維持するには、1億度の温度で十分です。

しかし、そのような原子炉は非常に放射性が高いため、大量生産されることはありません。ヘリウム 3 と重水素を含む反応を開始するには、3 億から 7 億度の温度が必要です。これまでのところ、そのようなプラズマを磁気トラップに長期間保持することはできませんが、現在フランスで建設中の国際熱核融合実験炉 (ITER) の打ち上げにより、この分野でのブレークスルーがもたらされる可能性があります。 2025年までに運用開始。

したがって、2030年から2040年までの10年。ヘリウム3に基づくエネルギー開発の出発点になる可能性は十分にあります。この時までに、明らかに、上記の技術的障害が克服されるからです。したがって、経済とすべての人の生活の質の両方にとって、その後のすべての結果を伴う、人類を非常に安価な（ほぼ無料の）エネルギーの時代に移行させることができるエネルギープロジェクトの実施のための資金を見つけることが残っています.

物理学および数理科学の候補者 A. PETRUKOVYCH。

2003 年末、米国大統領の軽率な指示により、宇宙における人類の新たな目標の問題が議題に上った。月に有人ステーションを建設するという目標は、他の提案の中でも特に、ヘリウム3のユニークな月の埋蔵量を使用して地球上でエネルギーを生成するという魅力的なアイデアに部分的に基づいています. 月のヘリウムが有用であるかどうかにかかわらず、未来は明らかになりますが、それについての話は非常に魅力的であり、原子核と太陽系の構造に関する私たちの知識をエネルギーと鉱業の実際的な側面と比較することができます.

科学と生命 // イラスト

なぜ？または核融合 - 現実の錬金術

鉛を金に変えることは、中世の錬金術師の夢でした。いつものように、自然は人間の空想よりも豊かであることが判明しました。核融合反応は多種多様な化学元素を生み出し、私たちの世界の物質的基盤を築きました。ただし、融合は金よりもはるかに価値のあるもの、つまりエネルギーを提供することもできます。この意味での核反応は、化学反応 (すなわち、分子変換反応) に似ています。各構成物質は、分子であろうと原子核であろうと、化合物を破壊するために費やさなければならない結合エネルギーによって特徴付けられます。形成されると解放されます。反応生成物の結合エネルギーが出発物質の結合エネルギーよりも高い場合、反応はエネルギーを放出しながら進行し、それを何らかの形で受け取る方法を習得すれば、出発物質を燃料として使用できます。化学プロセスの中で、この意味で最も効果的なのは、ご存知のように、酸素との相互作用の反応です-燃焼は、今日、発電所、輸送、および日常生活で主要かつかけがえのないエネルギー源として機能します（さらにエネルギーは、フッ素、特にフッ素分子と水素との反応中に放出されますが、フッ素自体とフッ化水素の両方が非常に攻撃的な物質です)。

原子核内の陽子と中性子の結合エネルギーは、原子を分子に結合するエネルギーよりもはるかに大きく、アインシュタインの偉大な公式を使用して文字通り重み付けすることができます。え = ＭＣ 2: 原子核の質量は、原子核を構成する個々の陽子と中性子の質量よりも著しく小さい。したがって、1トンの核燃料が何百万トンもの石油に取って代わります。ただし、核融合は熱核融合と呼ばれる理由があります。正に帯電した2つの原子核が互いに近づくときの静電反発を克服するために、それらを適切に加速する必要があります。つまり、核燃料を数億度に加熱する必要があります。 (温度は粒子の運動エネルギーの尺度であることを思い出してください)。実際、そのような温度では、もはや気体や液体ではなく、中性原子がなく、電子とイオンだけが存在する第 4 の状態であるプラズマを扱っています。

自然界では、このような核融合に適した条件は星の内部にしか存在しません。太陽のエネルギーは、陽子からヘリウム 4 原子核を合成する、いわゆるヘリウムサイクル反応に依存しています。巨大な星や超新星爆発では、より重い元素も生まれ、宇宙のさまざまな元素が形成されます. (確かに、ヘリウムの一部は、ビッグバンの際に宇宙が誕生したときに直接形成された可能性があると考えられています。) この意味で、太陽は長時間燃焼し、ゆっくり: プロセスは、2 つの陽子からの重水素核融合の最初の最も遅い反応によって遅くなります。次のすべての反応ははるかに高速で、すぐに利用可能な重水素を消費し、いくつかの段階でヘリウム原子核に処理します。その結果、コアに含まれる太陽物質の 100 分の 1 しか核融合に関与していないと仮定しても、放出されるエネルギーは 1 キログラムあたりわずか 0.02 ワットです。しかし、それはまさにこの遅さであり、主に恒星の基準によると、発光体の質量が小さく（太陽は亜矮星のカテゴリーに属します）、何十億年にもわたって太陽エネルギーの流れが一定であることを保証することによって説明されます。地球上の生命の存在そのもの。巨大な星では、物質からエネルギーへの変換がはるかに高速ですが、その結果、惑星系を適切に取得する時間さえないまま、数千万年で完全に燃え尽きてしまいます。

実験室で熱核融合を実行することを決定した人間は、この方法で自然を裏切り、太陽よりも効率的でコンパクトなエネルギー発生器を作成します。しかし、重水素とトリチウムの混合物からのヘリウムの合成という、はるかに簡単に実装できる反応を選択することができます。計画されている国際熱核反応炉である ITER トカマクは着火限界に達することができるようになる予定ですが、そこから熱核エネルギーの商業利用まではまだ非常に遠いです (「科学と生命」を参照)。、、2001）。ご存知のように、主な問題は、プラズマを目的の温度に加熱し続けることです。そのような温度の壁は破壊を免れることができないため、プラズマ雲を磁場で保持しようとします。水素爆弾では、混合物を必要な状態に圧縮して加熱する小さな原子電荷の爆発によって問題が解決されますが、この方法は平和的なエネルギー生産にはあまり適していません。（いわゆる爆発的エネルギーの展望については「科学と生命」2002年7号参照）

重水素-トリチウム反応の主な欠点は、半減期がわずか 12.5 年であるトリチウムの放射能が高いことです。これは利用可能な最も放射線汚染反応であり、産業用原子炉では、材料の放射線破壊のために燃焼室の内壁を数年ごとに交換する必要があります。確かに、崩壊時間が長いために地下深くに無期限に埋設する必要がある最も有害な放射性廃棄物は、合成中にまったく形成されません。もう1つの問題は、放出されたエネルギーが主に中性子によって運ばれることです。これらの電気的に帯電していない粒子は電磁場に気付かず、一般的に物質との相互作用が不十分であるため、それらからエネルギーを奪うことは容易ではありません.

重水素やヘリウム 3 を含むトリチウムを含まない核融合反応は、安定した原子核のみを使用し、不都合な中性子を生成しないため、実質的に放射線に対して安全です。ただし、このような反応を「点火」するには、低い核融合率を補うために、プラズマを10倍以上、最大10億度まで加熱する必要があります（同時に、その保持の問題を解決します）。したがって、今日、そのようなオプションは、重水素-トリチウムに続く第2世代の将来の熱核反応炉の基礎と見なされています。しかし、この代替熱核エネルギーのアイデアは、予想外の同盟者を獲得しました。スペースコロニー化の支持者は、ヘリウム 3 を月面膨張の主要な経済目標の 1 つと考えており、クリーンな熱核エネルギーに対する人類の必要性を提供する必要があります。

どこ？またはサニーゲスト

一見すると、ヘリウムをどこで手に入れるかは問題ではありません。ヘリウムは宇宙で 2 番目に豊富な元素であり、その中の軽い同位体の相対的含有量は 1000 分の 1 弱です。しかし、地球にとって、ヘリウムはエキゾチックです。揮発性の高いガスです。地球は重力でそれを保持することができず、太陽系の形成中に原始惑星雲から地球に落ちた一次ヘリウムのほとんどすべてが大気から宇宙に戻った. ヘリウムでさえ太陽で最初に発見されたため、古代ギリシャの神ヘリオスにちなんで名付けられました。その後、放射性元素を含む鉱物から発見され、最終的に他の希ガスと一緒に大気中に取り込まれました。地上のヘリウムは主に宇宙のものではなく、二次的な放射線起源のものです。放射性化学元素の崩壊中に、アルファ粒子が飛び出します-ヘリウム-4核。ヘリウム 3 はこのようには形成されないため、地球上のその量は無視でき、文字通りキログラムで計算されます。

天王星または海王星の大気、またはこの軽いガスを保持するのに十分な大きさの惑星、または太陽で、宇宙起源のヘリウム（ヘリウム-3の含有量が比較的高い）を買いだめできます。太陽ヘリウムに近づく方が簡単であることが判明しました。惑星間空間全体が太陽風で満たされ、7万個の陽子が3000個のアルファ粒子（ヘリウム4核と1つのヘリウム3核）を占めています。この風は非常に希薄で、地上の基準では真の真空であり、「ネット」でそれを捉えることは不可能です (Nauka i Zhizn, No. 7, 2001 を参照)。したがって、過去40億年間定期的に補充されてきた自然のトラップを空にすることが可能です. プラズマ衝撃の結果、この間に数億トンのヘリウム-3が月に落ちました.月の表面に風が残っていた場合、5 グラムのヘリウム 3 に加えて、表面の各平方メートルには、平均で 100 キログラムの水素と 16 のヘリウム 4 が存在することになります.この量から、火星人よりもわずかに希薄なだけのかなりまともな大気、または深さ2メートルの液体ガスの海を作り出すことができます!

しかし、月には似たようなものはなく、太陽風イオンのごく一部だけが、月の土の上層であるレゴリスに永遠に残ります。ソビエトのルナステーションとアメリカのアポロによって地球に運ばれた月の土の研究は、そこに含まれるヘリウム-3 が約 1 億分の 1、つまり 1 トンあたり 0.01 グラムであることを示しました。そして合計すると、月には約100万トンのこの同位体があり、地球の基準ではかなり多い. 現在の世界のエネルギー消費レベルでは、月の燃料は 1 万年分で十分であり、これは地球上のすべての回収可能な化学燃料 (ガス、石油、石炭) のエネルギーポテンシャルの約 10 倍です。

なので？または「グラム当たりの生産量、年間労働当たり」

残念ながら、月にはヘリウムの「湖」はなく、表面近くの層全体に多かれ少なかれ均一に分散しています。それにもかかわらず、技術的な観点からは、採掘プロセスは非常に単純であり、月の植民地化の熱狂者によって詳細に開発されました (たとえば、www.asi.org を参照)。

現在の地球の年間エネルギー需要を満たすには、月から約 100 トンのヘリウム 3 を持ち込むだけで済みます。この数は、スペースシャトル (シャトル) の 3 回または 4 回の飛行に対応し、その可用性に魅了されます。ただし、最初に約 10 億トンの月の土壌を掘り起こす必要があります。これは、鉱業の基準からするとそれほど多くはありません。たとえば、世界中で年間 20 億トンの石炭が採掘されています (ロシアでは約 300百万トン）。もちろん、岩石中のヘリウム 3 の含有量はそれほど高くありません。たとえば、少なくとも数グラムの金と少なくとも 2 カラット (0.4 g) の1トンあたりのダイヤモンド. この意味で、ヘリウム-3 は、20 世紀の初めから数キログラムしか得られていないラジウムとしか比較できません。1 トンの純粋なウランを処理した後、0.4 グラムのラジウムしか得られません。ウラン自体の抽出の問題。前世紀の初め、放射能に対するロマンチックな態度の時期に、ラジウムは非常に人気があり、物理学者だけでなく作詞家にも知られていました.V.V.のフレーズを思い出してください. しかし、ヘリウム 3 は、人間が使用するほとんどすべての物質よりも高価です。ヘリウムの潜在的なエネルギーを 1 バレルあたり 7 ドルのバーゲン価格で石油に換算すると、1 トンで少なくとも 10 億ドルの費用がかかります。

太陽光線を集光する鏡の助けを借りて、たとえば数百度に加熱されたレゴリスからガスが簡単に放出されます。ヘリウム 3 を他の多くのガス、主にヘリウム 4 から分離する必要があることを忘れないでください。これは、ガスを液体状態に冷却し、同位体の沸点のわずかな違い (ヘリウム 4 では 4.22 K、ヘリウム 3 では 3.19 K) を利用することによって行われます。別の洗練された分離方法は、液体ヘリウム 4 の超流動特性の利用に基づくもので、垂直壁を通って隣接する容器に独立して流れ、非超流動ヘリウム 3 のみが残ります (「科学と生命」を参照)。 . 2, 2004)。

残念ながら、これはすべて、地球の「温室」状態ではなく、月の空気のない空間で行う必要があります。いくつかの鉱山の町をそこに移動する必要があります。これは、本質的に、月の植民地化を意味します。現在、何百人もの専門家が地球に近い軌道で数人の宇宙飛行士の安全を監視しており、乗組員はいつでも地球に戻ることができます。何万人もの人々が宇宙にいることに気付いた場合、彼らは地球からの詳細な監視なしに、真空の中で独力で生活し、水、空気、燃料、および基本的な建築材料を提供する必要があります。しかし、月には十分な水素、酸素、金属があります。それらの多くは、ヘリウム採掘の副産物として入手できます。そうすれば、ヘリウム 3 は地球との取引で利益を生む商品になる可能性があります。しかし、そのような困難な状況にある人々は地球人よりもはるかに多くのエネルギーを必要とするため、ヘリウム3の月の埋蔵量は、私たちの子孫にとってそれほど無限ではなく、魅力的ではないかもしれません.

ところで、この場合の代替ソリューションがあります。技術者と物理学者が、現代のトカマクで必要とされるヘリウムプラズマに必要な 10 倍の高温の滞留に対処する方法を見つけた場合 (今では完全に素晴らしいと思われる作業です)、温度をさらに 2 倍だけ上げるだけで、"プロトンとホウ素が関与する反応合成を点火します。そうすれば、燃料に関するすべての問題が解決され、はるかに低価格になります。地殻には、たとえば銀や金よりも多くのホウ素があり、冶金、電子工学、化学の添加剤として広く使用されています。採掘および加工工場では、年間数十万トンのさまざまなホウ素含有塩が生産されます。陸地に十分な埋蔵量がない場合、1 トンの海水には数グラムのホウ素が含まれます。また、応急処置キットにホウ酸のバイアルを入れている人は、将来のために自分のエネルギーを蓄えていると考えることができます.

文学

ブロンスタイン M. P. 太陽物質。 - テラブッククラブ、2002 年。

豊富な海からの月の土。 - M.:ナウカ、1974年。

イラストのキャプション

病気。 1. 核融合反応のヘリウムサイクルは、2 つの陽子が融合して重水素原子核になることから始まります。次の段階では、より複雑な核が形成されます。以下で必要となる、最も単純な反応の最初のいくつかを書き留めておきましょう。
p + p → D + e - + n
D + D → T + p または
D + D → 3 He + n
D + T → 4 He + n
D + 3 He → 4 He +2p
p + 11 Be → 3 4 He
反応速度は、正に帯電した 2 つのイオンが接近したときに静電障壁を超える確率と、実際に原子核が融合する確率 (いわゆる相互作用断面積) によって決まります。特に、核の運動エネルギーが高く、その電荷が低いほど、静電障壁を通過しやすくなり、反応速度が高くなります (グラフを参照)。熱核エネルギーの理論の重要なパラメーターである反応着火基準は、核融合中に放出されるエネルギー (反応速度にプラズマ密度と燃焼時間を掛けた値に比例する) がプラズマ燃料のどの密度と温度でどれだけのコストを超えるかを決定します。損失と効率を考慮したプラズマ加熱。重水素と三重水素の反応が最も速く、着火するには濃度10 14 cm -3 程度のプラズマを1.5億度に加熱し、1～2秒保持する必要があります。他の成分 - ヘリウム 3 やホウ素 - での反応で正のエネルギーバランスを達成するためには、プラズマの温度と密度を 10 倍にすることによって、低い速度を補う必要があります。しかし、2 つの原子核の衝突が成功すると、それらを加熱するために費やされるエネルギーの 1000 倍のエネルギーが放出されます。太陽コアで重水素とトリチウムを形成するヘリウムサイクルの最初の反応は非常にゆっくりと進行するため、対応する曲線はこのグラフの領域には収まりません。

病気。 2. 太陽風は、太陽表面から惑星間空間に絶え間なく流れ込む希薄なプラズマの流れです。風は年間約 3x10 -14 の太陽質量しか持ち去りませんが、この風が惑星間媒体の主成分であることが判明し、太陽の近くから星間プラズマを移動させます。これがヘリオスフィアが作成される方法です-星間ガスを通って太陽とともに移動する、約100天文単位の半径を持つ一種の泡です。天文学者が望んでいるように、アメリカの衛星ボイジャー 1 号とボイジャー 2 号は現在その境界に近づいており、まもなく太陽系を離れる最初の宇宙船となるでしょう。太陽風は、1959 年にソビエトの惑星間ステーション「ルナ 2」によって最初に発見されましたが、太陽からの粒子の流れの存在の間接的な証拠は以前から知られていました。地球の住民が磁気嵐を負っているのは、太陽風のおかげである (「科学と生命」No. 7、2001 を参照)。地球の軌道では、風は 1 立方センチメートルあたり平均 6 個のイオンしか含まず、450 km / s という驚異的な速度で移動しますが、太陽系の規模ではそれほど速くはありません。地球まであと3日。太陽風は陽子96%、ヘリウム原子核4%です。他の要素の混合は重要ではありません。

病気。 3. 月のレゴリスは、月の表面に数メートルの厚さのかなり緩い層です。それは主に、平均サイズが1ミリメートル未満の小さな破片で構成されており、温度変化や隕石の衝突による月の岩石の破壊の結果として、数十億年にわたって蓄積されました。月の土の研究は、レゴリス中の酸化チタンが多いほど、ヘリウム原子が多いことを示しました。

病気。 4. 表層近くのチタンの存在は、遠隔分光分析 (クレメンタイン衛星によって得られた図の右の画像の赤色) によって非常に簡単に検出され、ヘリウムの「堆積物」のマップが得られます。、一般に、月の海の位置と一致します。

病気。 5. 1 トンのヘリウム 3 を抽出するには、少なくとも 100 平方キロメートルの領域でレゴリスの表層を処理する必要があります。その過程で、月での生活を整えるのに役立つ他のガスを大量に入手することが可能になります。サイトから引用した写真

仮説、事実、推論

月のヘリウム 3 は、未来の熱核燃料です。

サイトの著者によるコメント: アメリカの月面宇宙計画の活性化に伴い、月には水の存在とともに、核の燃料であるヘリウム-3同位体の巨大な埋蔵量があるとますます耳にします。未来のエネルギー。これはそうですか、この人類への約束はどのような見通しですか、私たちは月を探査する必要がありますか、そしてどのようにこれを行うことができますか - これは質問の小さなリストであり、あなたがこの記事で学ぶ答えです.ロシア科学アカデミーの学者であるエリック・ミハイロヴィチ・ガリモフの本からの「ヘリウム3」の章「概念と誤算：過去20年間のロシアにおける基本的な宇宙研究。20年間の無益な努力」。

月にヘリウム3が豊富に含まれているという事実は、月の物質が最初に地球に持ち込まれて以来知られていました。アポロ計画の際にアメリカの宇宙飛行士によって持ち込まれ、ソビエトの自動輸送機ルナによって運ばれた月の土のサンプルでは、ヘリウム同位体 3He (3He/4He 比) の相対濃度は、地上のヘリウムよりも 1,000 倍高いことが判明しました。これは、大気によって保護されていない太陽の粒子放射による月の表面の照射の結果です。何十億年にもわたって、太陽から放出された元素の原子、特に太陽に固有の同位体比の水素とヘリウムが、月の表面のほこりの多い層（レゴリス）に取り込まれます。 3 He が効果的な熱核燃料であるというもう 1 つの事実は、物理学者にはもっと早くから知られていました。しかし、これらの事実から実際的な結論は得られませんでした。急速に発展する石油とガスの生産により、地上エネルギーが提供されました。原子力は利用可能なウラン原料に基づいていました。制御された熱核融合は、重水素とトリチウムの単純な反応でも実行されませんでした。地球上では、ヘリウム 3 は商業的な量では入手できません。

80年代後半から90年代前半。地球のエネルギー源として月を利用する可能性についての出版物がありました。たとえば、月面で収集された太陽エネルギーを集束高周波ビームの形で地球に送信するプロジェクトが提案されました。月のヘリウム-3の抽出と配送のアイデアも表明されました。特に、このアイデアの熱狂者は、月に行ったことのあるアメリカの宇宙飛行士ハロルド・シュミットでした。彼は、ヘリウム 3 の使用の可能性について真剣な本を書きました。

月探査への回帰を呼びかけ、月の内部構造を研究するという具体的かつ緊急の課題に加えて、私は月のヘリウム3資源の開発を遠い将来の展望として念頭に置かなければならない課題として常に言及しました.

今日、私たちは月の征服が私たちに与えるものを完全には予見していないと思います。月の研究が基礎地質学にとって非常に重要であるという事実について、何度も書かなければなりませんでした。月の研究なしには、地球の初期の歴史、つまり大気、海洋、およびその上の生命の起源を復元することは不可能です。地球の歴史の最初の5億年から6億年の痕跡が地質学的記録から完全に消去され、月に保存されているという理由だけで。そして、月と地球は遺伝的に統一されたシステムを表しているからです.

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、最も積極的な役割がロシアに割り当てられています。

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。

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。

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生産プロジェクト

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が将来の月への遠征の特徴を決定した後、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迫っ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。

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、10 年間で生成される温度が 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、混合気を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います」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"。