Helio formulė 3. Helis-trys yra ateities energija. Sudėtis ir struktūra

Helis 3 – ateities energija

Visi žinome, kad mūsų naftos nėra begalė, o tyrimai taip pat įrodė jos organinę kilmę, o tai reiškia, kad nafta yra neatsinaujinantis išteklius. Aliejus yra degus aliejinis skystis, kuris yra angliavandenilių mišinys, raudonai rudos, kartais beveik juodos spalvos, nors kartais būna ir šiek tiek gelsvai žalios spalvos ir net bespalvis aliejus, turi specifinį kvapą, paplitęs nuosėdiniame kiaute. Žemės; vienas iš svarbiausių mineralų. Nafta yra maždaug 1000 atskirų medžiagų, kurių dauguma yra skystieji angliavandeniliai, mišinys. Nafta užima pirmaujančią vietą pasauliniame kuro ir energijos balanse: jos dalis bendrame energijos išteklių suvartojime siekia 48. Todėl nafta, kaip energijos šaltinis, yra tokia svarbi žmonijai.

Šiuo metu pagrindiniai energijos šaltiniai yra: šiluminė elektrinė, šiluminė elektrinė, atominė elektrinė.

Grafike aiškiai matyti, kad lyderiaujančiomis pozicijomis gali pasigirti tik šiluminės elektrinės, kurios kaip kurą naudoja neatsinaujinančius išteklius, tokius kaip: nafta (visų rūšių kuras, gaunamas iš naftos), anglis, dujos.

Hidroelektrinėms tenka vos 20 proc., net jei pasaulis hidroelektrinėms pradės naudoti didžiausią upių skaičių, bendra visų hidroelektrinių išskiriama energija nepajėgs patenkinti žmonijos poreikių.

Atominės elektrinės užima tik 17% pasaulio energijos gamybos, atomų dalijimosi reakcijos panaudojimas sukelia rimtų pasekmių radiacijos pavidalu.

Dabar kaip alternatyvios žaliavos aktyviai naudojamos dujos, anglis, durpės, atomų dalijimosi energija (branduolinė energija), tačiau puikiai žinome, kad jos negali visiškai pakeisti naftos kaip žaliavos energijos gamybai. O tų pačių gamtinių dujų atsargos nėra begalinės, naudodami šias alternatyvias žaliavas energetinę krizę tik atitolsime.

Mokslininkai puikiai žino apie kylančią problemą ir kuria bei tiria alternatyvius energijos šaltinius. Šiuo metu mokslininkai dirba su projektais, kuriuose naudojami:

Biodujos

Biodyzelinas

Bioetanolis

Vėjo energija

Vandenilio energija

Geotermine energija

Saulės elementai

Atominė energija

Termobranduolinė energija (remiantis helio 3 naudojimu)

Pagrindinė dalis

Taigi, apsvarstykime kiekvieną alternatyvą atskirai.

2.1 Biodujos

Biometanas yra dujos, gaunamos fermentuojant organines atliekas (biodujas). Tinkamiausia biodujų panaudojimo sritis – gyvulininkystės ūkių, gyvenamųjų patalpų ir technologinių zonų šildymas. Biodujos taip pat gali būti naudojamos kaip variklių kuras. Pagaminto kuro perteklius gali būti perdirbamas į elektros energiją naudojant dyzelinius generatorius.

Biometanas turi mažą tūrinę energijos koncentraciją. Normaliomis sąlygomis kaloringumas yra 1 litras. biometanas yra 33 - 36 kJ.

Biometanas pasižymi dideliu atsparumu detonacijai, todėl išmetamosiose dujose sumažėja kenksmingų medžiagų koncentracija ir sumažėja nuosėdų kiekis variklyje.

Biometanas kaip variklių kuras turėtų būti naudojamas transporto varikliuose suspaustas arba suskystintas. Tačiau pagrindinis veiksnys, atgrasantis nuo plataus suslėgto biometano, kaip variklių kuro, naudojimo, kaip ir suslėgtų gamtinių dujų atveju, yra didelės masės kuro balionų transportavimas.

Užsienyje biodujų gavimo ir panaudojimo problemai skiriamas didelis dėmesys. Per trumpą laiką daugelyje pasaulio šalių atsirado ištisa biodujų pramonė: jei 1980 metais pasaulyje buvo apie 8 milijonus biodujų gamyklų, kurių bendras pajėgumas siekė 1,7-2 milijardus kubinių metrų. m per metus, tai šiuo metu šie skaičiai atitinka tik vienos šalies – Kinijos – biodujų produktyvumą.

Biodujų pranašumai yra šie:

Energijos gavimas be papildomo CO 2 išmetimo.

Uždarosiose sistemose kvapai neskleidžiami arba jie šiek tiek nepraleidžia.

Prekybos situacijos gerinimas ir priklausomybės nuo energijos importuotojų mažinimas.

Biodujų elektros energija gali būti gaminama 24 valandas per parą.

Nepriklauso nuo vėjo/vandens/elektros.

Dirvožemio tręšimo gerinimas.

2.2 Biodyzelinas

Biodyzelinas – tai kuras, kurio pagrindą sudaro augaliniai arba gyvuliniai riebalai (aliejai), taip pat jų esterifikacijos produktai. Jis naudojamas automobilių transporte įvairių mišinių su dyzelinu pavidalu.

Aplinkosaugos taikymo aspektai:

Biodyzelinas, kaip parodė eksperimentai, patekęs į vandenį nekenkia augalams ir gyvūnams. Be to, jame vyksta beveik visiškas biologinis irimas: dirvožemyje ar vandenyje mikroorganizmai per 28 dienas apdoroja 99% biodyzelino, o tai leidžia kalbėti apie upių ir ežerų taršos mažinimą.

Biodyzelino pranašumai yra šie:

cetaninio skaičiaus ir tepimo padidėjimas, kuris prailgina variklio tarnavimo laiką;

žymiai sumažinti kenksmingų išmetamųjų teršalų kiekį (įskaitant CO, CO2, SO2, smulkias daleles ir lakiuosius organinius junginius);

Skatinkite purkštukų, kuro siurblių ir kuro tiekimo kanalų valymą.

Trūkumai

Šaltuoju metų laiku būtina šildyti kurą, einantį iš kuro bako į kuro siurblį arba naudoti 20% BIODYZELIO 80% dyzelinio kuro mišinį.

2.3 Bioetanolis

Bioetanolis yra skystas alkoholio kuras, kurio garai yra sunkesni už orą. Jis gaminamas iš žemės ūkio produktų, kurių sudėtyje yra krakmolo arba cukraus, pavyzdžiui, kukurūzų, javų ar cukranendrių. Skirtingai nuo alkoholio, iš kurio gaminami alkoholiniai gėrimai, degalų etanolyje nėra vandens ir jis gaminamas sutrumpinto distiliavimo būdu (dvi distiliavimo kolonėlės vietoj penkių), todėl jame yra metanolio ir fuzelio alyvų, taip pat benzino, todėl jis yra negeriamas.

Kuro pagrindu pagamintas bioetanolis gaminamas beveik taip pat, kaip ir įprastas maisto alkoholis, skirtas alkoholinių gėrimų gamybai, tačiau yra keletas reikšmingų skirtumų.

Etanolį galima gaminti iš bet kokių cukraus ir krakmolo turinčių žaliavų: cukranendrių ir runkelių, bulvių, topinambų, kukurūzų, kviečių, miežių, rugių ir kt.

Bioetanolio pranašumai yra šie:

Etanolis turi aukštą oktaninį skaičių

Bioetanolis yra skaidomas ir neteršia natūralaus

vandens sistemos

10% etanolio benzine sumažina išmetamųjų dujų toksiškumą

sumažinti CO emisiją 26%, azoto oksido emisiją

5%, aerozolių dalelių 40%.

Etanolis yra vienintelis atsinaujinantis produktas

skystas kuras, kurio naudojimas in

kaip benzino priedo nereikia modifikuoti

variklių konstrukcijos

Jis neturi ypač ryškių trūkumų.

2.4. Vėjo energija

Vėjo energija yra nereguliuojamas energijos šaltinis. Vėjo parko našumas priklauso nuo vėjo stiprumo, labai kintamo faktoriaus. Atitinkamai, vėjo generatoriaus elektros energijos tiekimas į elektros sistemą yra labai netolygus tiek dienos, tiek savaitės, mėnesio, metinės ir ilgalaikės perspektyvos. Atsižvelgiant į tai, kad pati energetikos sistema turi nevienalytes energijos apkrovas (energijos suvartojimo pikas ir nuosmukius), kurių, žinoma, negali reguliuoti vėjo energija, didelės vėjo energijos dalies įvedimas į energetikos sistemą prisideda prie jos destabilizavimo. Akivaizdu, kad vėjo energijai reikalingas galios rezervas energetikos sistemoje (pavyzdžiui, dujų turbininių elektrinių pavidalu), taip pat jų generavimo nevienalytiškumo išlyginimo mechanizmai (hidroelektrinių ar siurblinių pavidalu). akumuliacinės elektrinės). Ši vėjo energijos savybė gerokai padidina iš jų gaunamos elektros energijos kainą. Tinklai nenoriai jungia vėjo jėgaines prie tinklo, todėl buvo priimti teisės aktai, reikalaujantys tai daryti.

Mažos autonominės vėjo jėgainės gali turėti problemų su tinklo infrastruktūra, nes perdavimo linijos ir skirstomųjų įrenginių prijungimo prie elektros tinklo kaina gali būti per didelė.

Didelės vėjo turbinos patiria didelių remonto problemų, nes didelės dalies (menčių, rotoriaus ir kt.) keitimas didesniame nei 100 m aukštyje yra sudėtingas ir brangus darbas.

Privalumai:

Ekologiškas.

Saugus žmonėms (be radiacijos, be atliekų).

Pagrindiniai trūkumai:

Mažas energijos tankis vėjo rato ploto vienetui; nenuspėjami vėjo greičio pokyčiai dienos ir sezono metu, dėl kurių reikia rezervuoti vėjo jėgainių parką arba kaupti pagamintą energiją; neigiamą poveikį žmonių ir gyvūnų buveinei, televizijos ryšiams ir sezoniniams paukščių migracijos maršrutams.

2.5. Vandenilio energija

Vandenilio energija – tai žmonijos energijos gamybos ir vartojimo kryptis, pagrįsta vandenilio, kaip žmonių, transporto infrastruktūros ir įvairių gamybos sričių energijos kaupimo, transportavimo ir vartojimo priemonės, naudojimu. Vandenilis pasirenkamas kaip labiausiai paplitęs elementas žemės paviršiuje ir erdvėje, vandenilio degimo šiluma yra didžiausia, o degimo produktas deguonyje yra vanduo (kuris vėl įtraukiamas į vandenilio energijos ciklą). Yra keli vandenilio gamybos būdai:

Iš gamtinių dujų

Anglies dujinimas:

Vandens elektrolizė (*atvirkštinė reakcija)

Vandenilis iš biomasės

Privalumai:

vandenilio kuro ekologinis grynumas.

atsinaujinimo.

itin aukštas efektyvumas – 75%, tai yra beveik 2,5 karto didesnis nei moderniausių įrenginių, veikiančių naudojant naftą ir dujas.

Vandenilis turi ir rimtesnių trūkumų. Pirma, laisvoje dujinėje būsenoje jis neegzistuoja gamtoje, tai yra, jis turi būti iškasamas. Antra, vandenilis, kaip dujos, yra gana pavojingas. Jo mišinys su oru iš pradžių nepastebimai „sudega“, tai yra, išskiria šilumą, o vėliau lengvai detonuoja nuo menkiausios kibirkšties. Klasikinis vandenilio sprogimo pavyzdys yra Černobylio avarija, kai perkaitus cirkoniui ir ant jo nukritus vandeniui susidarė vandenilis, kuris vėliau detonavo. Trečia, vandenilį reikia laikyti kažkur ir didelėse talpyklose, nes jo tankis mažas. Ir jis gali būti suspaustas tik esant labai aukštam slėgiui, maždaug 300 atmosferų.

2.6. geotermine energija

Ugnikalnių išsiveržimas yra aiškus milžiniško karščio planetos viduje įrodymas. Mokslininkai apskaičiavo, kad Žemės šerdies temperatūra siekia tūkstančius laipsnių Celsijaus. Ši temperatūra palaipsniui mažėja nuo karštos vidinės šerdies, kurioje, mokslininkų nuomone, metalai ir uolienos gali egzistuoti tik išsilydę, iki Žemės paviršiaus. Geoterminė energija gali gali būti naudojamas dviem pagrindiniais būdais – elektrai gaminti ir namams, įstaigoms ir pramonės įmonėms šildyti. Kuriems iš šių tikslų jis bus naudojamas, priklauso nuo to, kokia forma jis bus mūsų žinioje. Kartais vanduo išsiveržia iš žemės gryno „sauso garo“ pavidalu, t.y. garai be vandens lašelių priemaišų. Šie sausi garai gali būti tiesiogiai naudojami turbinai sukti ir elektros energijai gaminti. Kondensacinį vandenį galima grąžinti į žemę ir, jei jis pakankamai geros kokybės, išleisti į šalia esantį vandens telkinį.

Vandenyno šiluminės energijos transformacija.

Idėja panaudoti vandenynų vandenų temperatūrų skirtumą elektros energijai gaminti kilo maždaug prieš 100 metų, būtent 1981 m. Prancūzų fizikas Jacques'as D. Arsonvalas paskelbė darbą apie jūrų saulės energiją. Tuo metu jau buvo daug žinoma apie vandenyno gebėjimą priimti ir kaupti šiluminę energiją. Taip pat buvo žinomas vandenyno srovių gimimo mechanizmas ir pagrindiniai dėsningumai formuojantis temperatūros skirtumams tarp paviršinio ir giluminio vandens sluoksnių.

Temperatūros skirtumo panaudojimas galimas trimis pagrindinėmis kryptimis: tiesioginis konvertavimas termoelementų pagrindu, šilumos pavertimas mechanine energija šiluminėse mašinose ir pavertimas mechanine energija hidraulinėse mašinose naudojant šilto ir šalto vandens tankių skirtumą.

Privalumai:

Jiems beveik nereikia priežiūros.

Vienas iš geoterminės elektrinės privalumų yra tas, kad, palyginti su iškastinio kuro jėgaine, gamindama tokį patį elektros energijos kiekį ji išskiria apie dvidešimt kartų mažiau anglies dvideginio, o tai sumažina jos poveikį globaliai aplinkai.

Pagrindinis geoterminės energijos privalumas – jos praktinis neišsemiamumas ir visiška nepriklausomybė nuo aplinkos sąlygų, paros ir metų laiko.

Kokios problemos kyla naudojant požeminius terminius vandenis? Pagrindinis iš jų yra būtinybė pakartotinai suleisti nuotekas į požeminį vandeningąjį sluoksnį. Terminiuose vandenyse yra daug įvairių toksiškų metalų druskų (pavyzdžiui, boro, švino, cinko, kadmio, arseno) ir cheminių junginių (amoniako, fenolių), o tai neleidžia šiems vandenims patekti į natūralias vandens sistemas, esančias paviršiuje. .

2.7. Saulės elementai

Kaip veikia saulės elementai:

saulės Ląstelės (SC) yra pagamintos iš medžiagų, kurios saulės šviesą tiesiogiai paverčia elektra. Dauguma šiuo metu komerciškai gaminamų saulės elementų yra pagaminti iš silicio.

Pastaraisiais metais buvo sukurtos naujos saulės elementų medžiagos. Pavyzdžiui, plonasluoksniai saulės elementai, pagaminti iš vario-indžio-diselenido ir CdTe (kadmio telūrido). Šie SC taip pat neseniai buvo naudojami komerciniais tikslais.

Privalumai:

Saulės energija yra beveik begalinė

Ekologiškas

Saugus žmogui ir gamtai

Trūkumai: Saulės elektrinė neveikia naktimis ir neveikia efektyviai ryto ir vakaro prieblandoje. Tuo pačiu metu energijos suvartojimo pikas patenka į vakaro valandas. Be to, elektrinės pajėgumai gali smarkiai ir netikėtai svyruoti dėl oro pokyčių. Dėl santykinai nedidelės saulės konstantos vertės saulės energijai elektrinėms reikia naudoti didelius žemės plotus (pavyzdžiui, 1 GW jėgainei tai gali būti kelios dešimtys kvadratinių kilometrų). Nepaisant gaunamos energijos aplinkos švarumo, pačiuose saulės baterijose yra toksinių medžiagų, tokių kaip švinas, kadmis, galis, arsenas ir kt., o jų gamybai sunaudojama daug kitų pavojingų medžiagų. Šiuolaikiniai fotoelementai turi ribotą tarnavimo laiką (30-50 metų), o masinis naudojimas greitai iškels sudėtingą jų utilizavimo problemą, kuri taip pat dar neturi aplinkai priimtino sprendimo.

2.8.Branduolinė energija

Branduolinė energija (atominė energija), vidinė atomų branduolių energija, išsiskirianti vykstant branduoliniams virsmams (branduolinėms reakcijoms). Branduolinės energijos panaudojimas pagrįstas grandininių sunkiųjų branduolių dalijimosi ir termobranduolinės sintezės reakcijų įgyvendinimu – lengvųjų branduolių sinteze; tiek tas, tiek kitas reakcijas lydi energijos išsiskyrimas.Pavyzdžiui, vieno branduolio dalijimosi metu išsiskiria apie 200 MeV. Visiškai suskaidžius branduolius, esančius 1 g urano, išsiskiria 2,3 * 104 kWh energijos. Tai prilygsta energijai, gaunamai sudeginant 3 tonas anglių arba 2,5 tonos naftos. Branduoliniuose reaktoriuose naudojama kontroliuojama branduolio dalijimosi reakcija.

Privalumai:

žemos ir tvarios (palyginti su kuro savikaina) elektros energijos kainos;

Vidutinis poveikis aplinkai.

Atominių elektrinių trūkumai:

Apšvitintas kuras yra pavojingas, reikalaujantis sudėtingų ir brangių perdirbimo ir saugojimo priemonių;

Nepageidaujamas darbo režimas su kintama galia reaktoriams, dirbantiems su šiluminiais neutronais;

Esant mažai incidentų tikimybei, jų pasekmės yra itin sunkios

Didelės kapitalo investicijos, tiek specifinės, 1 MW instaliuotos galios blokams, kurių galia mažesnė nei 700-800 MW, ir bendrosios, reikalingos stoties statybai, jos infrastruktūrai, taip pat galimo likvidavimo atveju.

Visos aukščiau išvardintos alyvos alternatyvos turi vieną, bet labai reikšmingą trūkumą – jos NEgali VISIŠKAI pakeisti alyvos kaip energijos šaltinio. Šioje situacijoje gali padėti tik termobranduolinės energijos naudojimas.

2.9. Termobranduolinė energija

Termobranduolinė energija, kurioje dalyvauja helis 3, yra saugi ir kokybiška energija.

termobranduolinės reakcijos. Energijos išsiskyrimas vykstant termobranduolinėms reakcijoms vykstant deuterio, tričio ar ličio lengvųjų atomų branduoliams susiliejant su helio susidarymu. Šios reakcijos vadinamos termobranduolinėmis, nes gali vykti tik esant labai aukštai temperatūrai. Priešingu atveju elektrinės atstūmimo jėgos neleidžia branduoliams taip priartėti vienas prie kito, kad pradėtų veikti branduolinės traukos jėgos. Branduolinės sintezės reakcijos yra žvaigždžių energijos šaltinis. Tos pačios reakcijos vyksta ir sprogstant vandenilinei bombai. Valdomos termobranduolinės sintezės įgyvendinimas Žemėje žada žmonijai naują, praktiškai neišsenkamą energijos šaltinį. Šiuo atžvilgiu perspektyviausia yra deuterio ir tričio sintezės reakcija.

Jei sintezės reaktoriuje naudojate deuterį su helio-3 izotopu, o ne medžiagas, naudojamas branduolinėje energetikoje. Neutronų srauto intensyvumas krenta 30 kartų – atitinkamai nesunkiai galima užtikrinti 30-40 metų reaktoriaus tarnavimo laiką (atitinkamai mažėja ir skleidžiamos spinduliuotės kiekis). Pabaigus eksploatuoti helio reaktorių, nesusidaro didelio aktyvumo atliekos, o konstrukcinių elementų radioaktyvumas bus toks mažas, kad juos bus galima tiesiogine prasme užkasti miesto sąvartyne, lengvai apibarsčius žeme.

Taigi kokia problema? Kodėl vis dar nenaudojame tokio pelningo sintezės kuro?

Visų pirma todėl, kad šis izotopas mūsų planetoje yra itin mažas. Jis gimsta ant Saulės, todėl kartais vadinamas „saulės izotopu“. Jo bendra masė ten viršija mūsų planetos svorį. Helis-3 į aplinkinę erdvę neša saulės vėjas. Žemės magnetinis laukas nukreipia nemažą šio vėjo dalį, todėl helis-3 sudaro tik trilijonąją Žemės atmosferos dalį – apie 4000 tonų.Pačioje Žemėje jo dar mažiau – apie 500 kg.

Šio izotopo Mėnulyje yra daug daugiau. Ten jis yra įsiterpęs į mėnulio dirvožemio „regolitą“, kuris savo sudėtimi primena įprastą šlaką. Kalbame apie didžiulius – beveik neišsenkamus rezervus!

Šešių „Apollo“ ekspedicijų atvežtų dirvožemio mėginių ir dviejų sovietinių automatinių „Luna“ stočių atgabentų mėginių analizė parodė, kad visas Mėnulio jūras ir plynaukštes dengiančiame regolite yra iki 106 tonų helio-3, kuris atitiktų Žemės energija net kelis kartus padidėjo, palyginti su šiuolaikine, tūkstantmetį! Remiantis šiuolaikiniais skaičiavimais, helio-3 atsargos Mėnulyje yra trimis dydžiais didesnės – 109 tonos.

Be Mėnulio, tankioje milžiniškų planetų atmosferoje galima rasti helio-3, o, remiantis teoriniais skaičiavimais, vien jo atsargos Jupiteryje yra 1020 tonų, kurių pakaktų Žemei aprūpinti energija iki laikų pabaigos. .

Helio-3 gamybos projektai

Regolitas padengia Mėnulį kelių metrų storio sluoksniu. Mėnulio jūrų regolitas yra turtingesnis helio nei plokščiakalnių regolitas. 1 kg helio-3 yra maždaug 100 000 tonų regolito.

Todėl, norint išgauti brangųjį izotopą, reikia apdoroti didžiulį kiekį trupinio mėnulio dirvožemio.

Atsižvelgiant į visas savybes, helio-3 gamybos technologija turėtų apimti šiuos procesus:

1. Regolito gavyba.

Specialūs „kombainai“ surinks regolitą nuo maždaug 2 m storio paviršinio sluoksnio ir pristatys į perdirbimo punktus arba apdoros tiesiogiai kasybos procese.

2. Helio išsiskyrimas iš regolito.

Įkaitinus regolitą iki 600°C, išsiskiria (desorbuojasi) 75% jame esančio helio, kaitinant iki 800°C – beveik visas helis. Šildymą dulkėmis siūloma atlikti specialiose krosnyse, fokusuojant saulės šviesą plastikiniais lęšiais arba veidrodžiais.

3. Pristatymas į Žemę daugkartinio naudojimo erdvėlaiviu.

Išgaunant helio-3 iš regolito taip pat išgaunama daugybė medžiagų: vandenilis, vanduo, azotas, anglies dioksidas, azotas, metanas, anglies monoksidas, kurie gali būti naudingi Mėnulio pramoniniam kompleksui išlaikyti.

Pirmojo mėnulio kombaino, skirto apdoroti regolitą ir iš jo išgauti helio-3 izotopą, projektą pasiūlė J. Kulčinskio grupė. Šiuo metu privačios Amerikos kompanijos kuria keletą prototipų, kurie, matyt, bus pateikti konkursui NASA apsisprendus dėl būsimos ekspedicijos į Mėnulį ypatybių.

Akivaizdu, kad, be kombainų pristatymo į Mėnulį, jie turės pastatyti saugyklas, gyvenamąją bazę (aptarnauti visą įrangos kompleksą), kosmodromą ir daug daugiau. Tačiau manoma, kad didelės išlaidos kuriant išplėtotą infrastruktūrą Mėnulyje atsipirks su kaupu, nes artėja pasaulinė energetinė krizė, kai tradiciniai energijos nešėjai (anglis, nafta, gamtinės dujos) atsipirks. reikia atsisakyti.

Atsižvelgiant į tai, kad nafta baigsis po 35-40 metų, turime pakankamai laiko tokiam projektui įgyvendinti. Ir būtent ta šalis, kuri sugebės tai įgyvendinti, bus lyderė ateityje, o sujungę jėgas galime pasiekti didesnių rezultatų ir per greitesnį laiką.

Taigi, kodėl termobranduolinė energija? Nes tai:

Didelio masto energijos šaltinis su gausiu ir visur prieinamu kuru.

Labai mažas pasaulinis poveikis aplinkai – nėra CO2 emisijų.

– Elektrinės „kasdieniniam darbui“ radioaktyviųjų medžiagų transportuoti nereikia.

Jėgainė yra saugi, nėra „išlydymo“ ar „nekontroliuojamos reakcijos“ galimybės.

Nėra radioaktyviųjų atliekų, kurios nekelia problemų ateities kartoms.

Tai pelninga: norint pagaminti 1 GW energijos, reikia apie 100 kg deuterio ir 3 tonų natūralaus ličio, kad būtų galima sunaudoti visus metus, pagaminant apie 7 milijardus kWh.

3.Išvada

Taigi energija yra svarbus išteklius, būtinas patogiam žmonijos egzistavimui. O energijos išgavimas yra viena iš pagrindinių žmonijos problemų. Dabar nafta aktyviai naudojama kaip elektros ir kuro energijos šaltinis, tačiau ji nėra begalinė, o jos atsargos kasmet tik mažėja. O dabartinės sukurtos alternatyvos neleidžia visiškai pakeisti alyvos arba turi rimtų trūkumų.

Šiandien vienintelis energijos šaltinis, galintis aprūpinti visą žmoniją reikiamu energijos kiekiu ir tuo pačiu neturintis rimtų trūkumų, yra termobranduolinė energija, pagrįsta helio 3 panaudojimu. Energijos gavimo iš šios reakcijos technologija yra sudėtinga ir reikalaujanti. didelių investicijų, tačiau taip gaunama energija yra nekenksminga aplinkai ir skaičiuojama milijardais kilovatų.

Jei gaunate pigios ir aplinkai nekenksmingos energijos, galite kiek įmanoma pakeisti alyvą, pavyzdžiui, atsisakyti benzininių variklių vietoj elektrinių, gaminti šilumą naudojant elektrą ir pan. Taigi nafta, kaip žaliava chemijos gamybai, bus naudinga. to užteks žmonijai ilgus šimtmečius.

Todėl Mėnulyje (kuris yra pagrindinis helio 3 šaltinis) būtina sukurti pramonę. Norint sukurti pramonę, reikia turėti plėtros planą, o tai yra kelių metų reikalas, ir kuo anksčiau pradėsite, tuo geriau. Nes jei jau beviltiškoje situacijoje (pavyzdžiui, energetinės krizės metu) teks tai padaryti skubiai, tai atsiras visai kitokių išlaidų.

Ir sparčiau šia kryptimi besivystanti šalis ateityje taps lydere. Nes energija yra ateitis.

4. Naudotos literatūros sąrašas

1. http://ru.wikipedia.org/ – pasaulinė enciklopedija

2. http://www.zlev.ru/61_59.htm - Žurnalas "Auksinis liūtas" Nr. 61-62 - Rusijos konservatyvios minties leidinys Kada baigsis nafta?

3. http://www.vz.ru/society/2007/11/25/127214.html – PERŽIŪRĖTI / Kai baigiasi nafta

4. http://vz.ru/economy/2007/11/1/121681.html – PERŽIŪRA / Pasauliui baigiasi nafta

5. http://bio.fizteh.ru/departments/physchemplasm/topl_element.html ->Alternatyva aliejui?. Maskvos fizikos ir technologijos instituto Molekulinės ir biologinės fizikos fakultetas. „Phystech-Portal“, „Phystech-Center“

6. http://encycl.accoona.ru/?id=74848 - BRANDUOLINĖ ENERGIJA - Interneto enciklopedija, aiškinamasis žodynas.

7. http://www.vepr.ru/show.html?id=7 – iš kur tiekiama elektra (atsiradimo istorija)

8. http://www.bioenergy.by/mejdu_1.htm – Biomasės energija. JTVP/GEF projektas BYE/03/G31 Baltarusijoje

9. http://bibliotekar.ru/alterEnergy/37.htm – Vėjo energijos privalumai ir trūkumai. Vėjo energijos konversijos principai. Vėjo energija

10. http://www.smenergo.ru/hydrogen_enegry/ – Vandenilio energija. Energija ir energija.

11. http://works.tarefer.ru/89/100323/index.html Pirminiai energijos šaltiniai ir sintezės energija

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

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

14. http://razrabotka.ucoz.ru/publ/4-1-0-16 - HELIUM-THREE - ATEITIES ENERGIJA - Mėnulio programa - Straipsnių katalogas - Plėtra

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

16. http://www.scienmet.net/ – Vėjo generatorius, vėjo energija

17. http://oil-resources.info – kuro ištekliai

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

19.http://www.ruscourier.ru/archive/2593 – vandenilio trūkumai

20. http://www.intersolar.ru/geothermal/pressa/rbsgeo.html – Energija iš gelmių – www.intersolar.ru

21.http://web-japan.org/nipponia/nipponia28/en/feature/feature09.html – NIPPONIA Nr.28 2004 m. kovo 15 d.

22. http://www.kti.ru/forum/img/usersf/pic_41.doc – alternatyvūs energijos šaltiniai

23. http://www.rosnpp.org.ru/aes_preimush.shtml – atominės elektrinės

24. http://www.atomstroyexport.ru/nuclear_market/advantage/ – branduolinė energija

25. http://solar-battery.narod.ru/termoyad.htm – termobranduolinė energija veikiant

26.http://business.km.ru/magazin/view.asp?id=7B07CB0288D54DC0AC68C60AF246D693 – verslo KM.RU. Rusijos energetikos ateitis priklauso nuo biokuro ir termobranduolinės energijos

Sudėtis ir struktūra

Fizinės savybės

Naudojimas

Neutronų skaitikliai

Dujų skaitikliai, užpildyti heliu-3, naudojami neutronų aptikimui. Tai yra labiausiai paplitęs neutronų srauto matavimo metodas. Jie reaguoja

n+ 3 He → 3 H + 1 H + 0,764 MeV.

Įkrautus reakcijos produktus – tritoną ir protoną – registruoja dujų skaitiklis, veikiantis proporcinio skaitiklio arba Geigerio-Muller skaitiklio režimu.

Itin žemos temperatūros gavimas

Tirpinant skystą helią-3 heliu-4, pasiekiama milikelvino temperatūra.

Vaistas

Poliarizuotas helis-3 (jis gali būti laikomas ilgą laiką) neseniai buvo naudojamas magnetinio rezonanso tomografijoje plaučiams vaizduoti naudojant branduolinį magnetinį rezonansą.

Kaina

Vidutinė helio-3 kaina 2009 m. buvo 930 USD už litrą.

Helis-3 kaip branduolinis kuras

Reakcija 3 He + D → 4 He + p turi daug pranašumų, palyginti su labiausiai pasiekiama deuterio ir tričio reakcija T + D → 4 He + n antžeminėmis sąlygomis. Šie privalumai:

Helio-deuterio reakcijos trūkumai yra žymiai aukštesnė temperatūros riba. Kad jis galėtų prasidėti, turi būti pasiekta maždaug milijardo laipsnių temperatūra.

Šiuo metu helis-3 nėra išgaunamas iš natūralių šaltinių, o sukuriamas dirbtinai, irstant tričiui. Pastarasis buvo pagamintas termobranduoliniams ginklams apšvitinant borą-10 ir litį-6 branduoliniuose reaktoriuose.

Helio-3 gavybos planai Mėnulyje

Helis-3 yra Saulėje vykstančių reakcijų šalutinis produktas. Žemėje jo išgaunama labai mažais kiekiais, skaičiuojant keliasdešimt gramų per metus.

Nestabilus (mažiau nei dieną): 5 He: Helis-5, 6 He: Helis-6, 7 He: Helis-7, 8 He: Helis-8, 9 He: Helis-9, 10 He: Helis-10

Wikimedia fondas. 2010 m.

Pažiūrėkite, kas yra „Helium-3“ kituose žodynuose:

- (lot. helis) He, periodinės sistemos VIII grupės cheminis elementas, atominis skaičius 2, atominė masė 4,002602, priklauso tauriosioms dujoms; bespalvis ir bekvapis, tankis 0,178 g/l. Jį suskystinti sunkiau nei visas žinomas dujas (esant 268,93 ° C); ... ... Didysis enciklopedinis žodynas

- (graikų k., iš helyos sun). Elementarus kūnas, aptiktas saulės spektre ir esantis žemėje kai kuriuose retuose mineraluose; ore yra nedideliais kiekiais. Užsienio žodžių žodynas, įtrauktas į rusų kalbą. Chudinovas A.N... Rusų kalbos svetimžodžių žodynas

- (simbolis He), dujinis nemetalinis elementas, TAURIOSIOS DUJOS, atrastas 1868 m. Pirmą kartą gautas iš mineralinio klevito (įvairių uranitų) 1895 m. Šiuo metu pagrindinis jo šaltinis yra gamtinės dujos. Taip pat yra... Mokslinis ir techninis enciklopedinis žodynas

Aš, vyras. , senas Eliy, I. Tėvas: Gelievich, Gelievna.Vediniai: Gelya (Gela); Elya.Kilmė:(Iš graik.helios sun.) Vardadienis: Liepos 27 Asmenvardžių žodynas. Helis Žr. Ellius. Dienos angelas. Nuoroda … Asmenvardžių žodynas

HELIS- chemija. elementas, simbolis He (lot. Helium), at. n. 2, val. m 4,002, reiškia inertines (kilniąsias) dujas; bespalvis ir bekvapis, tankis 0,178 kg/m3. Normaliomis sąlygomis vandenilis yra monoatominės dujos, kurių atomas susideda iš branduolio ir dviejų elektronų; susiformavo... Didžioji politechnikos enciklopedija

Helis-trys. Keista ir nesuprantama frazė. Tačiau kuo toliau, tuo daugiau išgirsime. Nes, anot ekspertų, būtent helis-trys išgelbės mūsų pasaulį nuo gresiančios energetinės krizės. Ir šioje įmonėje aktyviausias vaidmuo tenka Rusijai.

Mėnulis

Perspektyvi termobranduolinė energija, kurios pagrindu naudojama deuterio ir tričio sintezės reakcija, nors ji yra saugesnė už branduolio dalijimosi energiją, kuri naudojama šiuolaikinėse atominėse elektrinėse, vis dar turi nemažai reikšmingų trūkumų.

Pirmiausia, ši reakcija išskiria daug didesnį (didumo tvarka!) didelės energijos neutronų skaičių. Nė viena iš žinomų medžiagų negali atlaikyti tokio intensyvaus neutronų srauto ilgiau nei šešerius metus – nepaisant to, kad prasminga pagaminti reaktorių, kurio ištekliai būtų bent 30 metų. Vadinasi, tričio sintezės reaktoriaus pirmąją sienelę reikės pakeisti – tai labai sudėtinga ir brangi procedūra, kuri taip pat susijusi su reaktoriaus išjungimu gana ilgam laikui.
Antra, būtina apsaugoti reaktoriaus magnetinę sistemą nuo galingos neutroninės spinduliuotės, o tai apsunkina ir atitinkamai padidina projekto kainą.
Trečia, daugelis tričio reaktoriaus konstrukcijos elementų pasibaigus eksploatacijai bus itin aktyvūs ir ilgą laiką reikės laidoti specialiai tam sukurtose saugyklose.

Termobranduoliniame reaktoriuje naudojant deuterį su helio-3 izotopu, o ne tričiu, daugumą problemų galima išspręsti. Neutronų srauto intensyvumas sumažėja 30 kartų – atitinkamai galima nesunkiai užtikrinti 30-40 metų tarnavimo laiką. Pabaigus eksploatuoti helio reaktorių, nesusidaro didelio aktyvumo atliekos, o konstrukcinių elementų radioaktyvumas bus toks mažas, kad juos bus galima tiesiogine prasme užkasti miesto sąvartyne, lengvai apibarsčius žeme.

Kokia problema? Kodėl vis dar nenaudojame tokio pelningo sintezės kuro?

Šešių „Apollo“ ekspedicijų atvežtų dirvožemio mėginių ir dviejų sovietinių automatinių stočių atvežtų mėginių analizė. Mėnulis“, parodė, kad visas Mėnulio jūras ir plynaukštes dengiančiame regolite yra iki 106 tonų helio-3, kuris tūkstantmečiui patenkintų žemės energijos poreikius, net kelis kartus padidintus, palyginti su šiuolaikinėmis! Remiantis šiuolaikiniais skaičiavimais, helio-3 atsargos Mėnulyje yra trimis dydžiais didesnės – 109 tonos.

Helio-3 gamybos projektai

Regolitas padengia Mėnulį kelių metrų storio sluoksniu. Mėnulio jūrų regolitas yra turtingesnis helio nei plokščiakalnių regolitas. 1 kg helio-3 yra maždaug 100 000 tonų regolito.

Todėl, norint išgauti brangųjį izotopą, reikia apdoroti didžiulį kiekį trupinio mėnulio dirvožemio.

Atsižvelgiant į visas savybes, helio-3 gamybos technologija turėtų apimti šiuos procesus:

1. Regolito gavyba.

Specialūs „kombainai“ surinks regolitą nuo maždaug 2 m storio paviršinio sluoksnio ir pristatys į perdirbimo punktus arba apdoros tiesiogiai kasybos procese.

2. Helio išsiskyrimas iš regolito.

3. Pristatymas į Žemę daugkartinio naudojimo erdvėlaiviu.

Pagrindinė technologinė problema

Kuriant energiją, pagrįstą heliu-3, yra viena svarbi problema. Faktas yra tas, kad deuterio-helio-3 reakciją įgyvendinti yra daug sunkiau nei deuterio-tričio reakciją.

Visų pirma, labai sunku uždegti šių izotopų mišinį. Apskaičiuota temperatūra, kurioje deuterio-tričio mišinyje vyks termobranduolinė reakcija, yra 100–200 milijonų laipsnių. Naudojant helio-3, reikiama temperatūra yra dviem dydžiais aukštesnė. Tiesą sakant, Žemėje turime įžiebti mažą saulę.

Tačiau branduolinės energetikos raidos istorija (paskutinįjį pusšimtį metų) rodo, kad per 10 metų generuojamos temperatūros padidėjo maždaug dydžiu. 1990 m. helis-3 jau buvo sudegintas Europos JET tokamake, o gauta galia buvo 140 kW. Maždaug tuo pačiu metu amerikietiškas tokamakas TFTR pasiekė temperatūrą, reikalingą reakcijai pradėti deuterio ir helio mišinyje.

Tačiau mišinio uždegimas yra pusė darbo. Termobranduolinės energijos minusas – sunku gauti praktinę grąžą, nes darbinis kūnas yra įkaitinta iki daugelio milijonų laipsnių plazma, kurią tenka išlaikyti magnetiniame lauke.

Plazmos prisijaukinimo eksperimentai buvo vykdomi daugelį dešimtmečių, tačiau tik praėjusių metų birželio pabaigoje Maskvoje ne vienos šalies atstovai pasirašė susitarimą dėl Tarptautinio termobranduolinio eksperimentinio reaktoriaus (ITER) statybos Pietų Prancūzijoje m. Kadarašo miestas – praktiškos termobranduolinės elektrinės prototipas. ITER kaip kurą naudos deuterį ir tritį.

Helio-3 sintezės reaktorius bus struktūriškai sudėtingesnis nei ITER, o kol kas jo net nėra projektuose. Ir nors ekspertai tikisi, kad per artimiausius 20–30 metų atsiras helio-3 reaktoriaus prototipas, tačiau ši technologija lieka tik fantazija.

Helio-3 gamybos klausimą nagrinėjo ekspertai per klausymus apie būsimą Mėnulio tyrinėjimą ir tyrinėjimą, vykusį 2004 m. balandžio mėn. JAV Kongreso Deputatų rūmų Mokslo komiteto Kosmoso ir aeronautikos pakomitetyje. Jų išvada buvo nedviprasmiška: net ir tolimoje ateityje helio-3 gavyba Mėnulyje yra visiškai nenaudinga.

Kaip sakė Vašingtono Kosmoso politikos instituto direktorius Johnas Logsdonas: „JAV kosmoso bendruomenė nelaiko helio-3 kasybos rimta dingstimi grįžti į Mėnulį. Skrydis ten dėl šio izotopo prilygsta Kolumbo siuntimui į Indiją urano ieškoti prieš penkis šimtus metų. Gali atnešti, ir būtų atnešęs, tik kelis šimtus metų niekas nežinotų, ką su juo daryti.

Helio-3 kasyba kaip nacionalinis projektas

„Dabar kalbame apie ateities termobranduolinę energetiką ir naują ekologišką kuro rūšį, kurios negalima gaminti Žemėje. Kalbame apie pramoninę Mėnulio plėtrą helio-3 išgavimui.

Šį raketų ir kosmoso korporacijos „Energija“ vadovo Nikolajaus Sevastjanovo pareiškimą Rusijos mokslo stebėtojai suprato kaip paraišką sukurti naują „nacionalinį projektą“.

Iš tiesų, viena iš pagrindinių valstybės funkcijų, ypač XX amžiuje, buvo būtent uždavinių formulavimas visuomenei ant vaizduotės ribos. Tai galiojo ir sovietinei valstybei: elektrifikacija, industrializacija, atominės bombos sukūrimas, pirmasis palydovas, upių posūkis.

Šiandien Rusijos Federacijoje valstybė stengiasi, bet nesugeba suformuluoti užduočių ant neįmanomo slenksčio. Valstybei reikia, kad kas nors parodytų jai nacionalinį projektą ir pagrįstų naudą, kuri teoriškai išplaukia iš šio projekto. Helio-3 kūrimo ir gamybos iš Mėnulio į Žemę programa, siekiant tiekti termobranduolinę energiją kuru idealiai atitinka šiuos reikalavimus.

„Tiesiog manau, kad trūksta kokios nors didelės technologinės problemos“, – interviu sakė fizinių ir matematikos mokslų daktaras, Rusijos mokslų akademijos Kosmoso tyrimų instituto mokslinis sekretorius Aleksandras Zacharovas. – Galbūt dėl to neseniai kilo visos šios kalbos apie helio-3 gamybą Mėnulyje termobranduolinei energijai. Jeigu Mėnulis- mineralų šaltinis, o iš ten nešti šį helio-3, bet Žemėje energijos neužtenka... Visa tai suprantama, skamba labai gražiai. Ir tam nesunku, ko gero, įtikinti įtakingus žmones skirti pinigų. Aš taip manau".

Šį izotopą planuojama išgauti Mėnulyje termobranduolinės energijos reikmėms. Tačiau tai – tolimos ateities reikalas. Nepaisant to, helis-3 šiandien yra labai paklausus, ypač medicinoje.

Vladimiras Teslenko

Bendras helio-3 kiekis Žemės atmosferoje vertinamas tik 35 000 tonų. Jo srautas iš mantijos į atmosferą (per ugnikalnius ir plutos lūžius) siekia kelis kilogramus per metus. Mėnulio regolite helis-3 palaipsniui kaupėsi per šimtus milijonų metų saulės vėjo poveikio. Dėl to tonoje mėnulio dirvožemio yra 0,01 g helio-3 ir 28 g helio-4; šis izotopų santykis (~0,04%) yra daug didesnis nei Žemės atmosferoje.

Ambicingi helio-3 gavybos Mėnulyje planai, kuriuos rimtai svarsto ne tik kosmoso lyderiai (Rusija ir JAV), bet ir atvykėliai (Kinija ir Indija), yra susiję su šio izotopo viltimis. energetikos pramonėje. Branduolinė reakcija 3He+D→4He+p turi nemažai pranašumų, palyginti su labiausiai pasiekiama deuterio-tričio reakcija T+D→4He+n antžeminėmis sąlygomis.

Šie pranašumai apima keliolika kartų mažesnį neutronų srautą iš reakcijos zonos, o tai labai sumažina sukeltą radioaktyvumą ir reaktoriaus konstrukcinių medžiagų degradaciją. Be to, vienas iš reakcijos produktų – protonai, skirtingai nei neutronai, yra lengvai pagaunami ir gali būti naudojami papildomai elektros energijai gaminti. Tuo pačiu metu helis-3 ir deuteris yra neaktyvūs, jų saugojimui nereikia imtis ypatingų atsargumo priemonių, o reaktoriaus avarijos atveju, kai aktyviosios zonos slėgis sumažėja, išleidimo radioaktyvumas yra artimas nuliui. Helio-deuterio reakcija turi ir rimtą trūkumą – žymiai aukštesnę temperatūros slenkstį (reakcijai pradėti reikia milijardo laipsnių temperatūros).

Nors visa tai – ateities reikalas, helis-3 itin paklausus ir dabar. Tiesa, ne energetikai, o branduolinei fizikai, kriogeninei pramonei ir medicinai.

Magnetinio rezonanso tomografija

Nuo pat atsiradimo medicinoje magnetinio rezonanso tomografija (MRT) tapo vienu iš pagrindinių diagnostikos metodų, leidžiančių be jokios žalos pažvelgti į įvairių organų „vidų“.

Maždaug 70% žmogaus kūno masės patenka ant vandenilio, kurio branduolys, protonas, turi tam tikrą sukimąsi ir su juo susijusį magnetinį momentą. Jei protonas dedamas į išorinį pastovų magnetinį lauką, sukimasis ir magnetinis momentas yra orientuoti arba išilgai lauko, arba į jį, o protono energija pirmuoju atveju bus mažesnė nei antruoju. Protonas gali būti perkeltas iš pirmosios būsenos į antrąją, perkeliant į jį griežtai apibrėžtą energiją, lygią šių energijos lygių skirtumui, pavyzdžiui, apšvitinant jį elektromagnetinio lauko kvantais tam tikru dažniu.

Kaip įmagnetinti helio-3

Paprasčiausias ir tiesiausias būdas įmagnetinti helio-3 yra jį atvėsinti stipriame magnetiniame lauke. Tačiau šio metodo efektyvumas yra labai mažas, be to, jam reikia stipraus magnetinio lauko ir žemos temperatūros. Todėl praktikoje naudojamas optinio siurbimo būdas – sukinio perkėlimas į helio atomus iš poliarizuotų siurblio fotonų. Helio-3 atveju tai vyksta dviem etapais: optinis siurbimas metastabilioje būsenoje ir sukimosi pasikeitimas tarp helio atomų žemėje ir metastabilioje būsenoje. Techniškai tai realizuojama apšvitinant ląstelę heliu-3, perkeliamą į metastabilią būseną silpna aukšto dažnio elektros iškrova, apskrito poliarizacijos lazerio spinduliuote esant silpnam magnetiniam laukui. Poliarizuotas helis gali būti laikomas inde, išklotame ceziu, esant 10 atmosferų slėgiui, apie 100 valandų.

Magnetinio rezonanso tomografas veikia būtent taip, tik jis neaptinka atskirų protonų. Jei pavyzdį, kuriame yra daug protonų, patalpinsime į galingą magnetinį lauką, tada protonų, kurių magnetinis momentas nukreiptas išilgai ir priešais lauką, skaičius bus maždaug lygus. Jei pradėsime apšvitinti šį pavyzdį griežtai apibrėžto dažnio elektromagnetine spinduliuote, visi protonai, turintys magnetinį momentą (ir sukimąsi), „išilgai lauko“ apsivers, užimdami poziciją „lauko link“. Šiuo atveju vyksta rezonansinis energijos įsisavinimas, o grįžimo į pradinę būseną proceso, vadinamo atsipalaidavimu, metu vyksta pakartotinė gautos energijos emisija, kurią galima aptikti. Šis reiškinys vadinamas branduoliniu magnetiniu rezonansu, BMR. Vidutinė medžiagos poliarizacija, nuo kurios BMR priklauso naudingas signalas, yra tiesiogiai proporcinga išorinio magnetinio lauko stiprumui. Norint gauti signalą, kurį būtų galima aptikti ir atskirti nuo triukšmo, reikalingas superlaidus magnetas – tik jis gali sukurti magnetinį lauką, kurio indukcija yra 1–3 T.

magnetinės dujos

MR tomografas „mato“ protonų sankaupas, todėl puikiai tinka tirti ir diagnozuoti minkštuosius audinius ir organus, kuriuose yra daug vandenilio (daugiausia vandens pavidalu), taip pat leidžia atskirti molekulių magnetines savybes. Tokiu būdu galite, tarkime, atskirti arterinį kraują, kuriame yra hemoglobino (pagrindinio deguonies nešiklio kraujyje) nuo veninio kraujo, kuriame yra paramagnetinio deoksihemoglobino – tai yra fMRT (funkcinio MRT), leidžiančio sekti smegenų veiklą, pagrindas. neuronai.

Bet, deja, tokia nuostabi technika kaip MRT visiškai netinkama tirti oru užpildytus plaučius (net jei užpildysite juos vandeniliu, signalas iš mažo tankio dujinės terpės bus per silpnas triukšmo fone). O minkštieji plaučių audiniai MRT pagalba nelabai matosi, nes jie „akyti“, vandenilio juose mažai.

Ar įmanoma apeiti šį apribojimą? Galima, jei naudosite „įmagnetintas“ dujas – tokiu atveju vidutinės poliarizacijos nenulems išorinis laukas, nes visi (arba beveik visi) magnetiniai momentai bus orientuoti viena kryptimi. Ir tai visai ne fantastika: 1966 metais prancūzų fizikas Alfredas Kastleris gavo Nobelio premiją su užrašu „Už optinių metodų, skirtų tirti Herco rezonansus atomuose, atradimą ir plėtrą“. Jis nagrinėjo sukimosi sistemų optinės poliarizacijos klausimus - tai yra tiesiog dujų (ypač helio-3) „įmagnetinimas“, naudojant optinį siurbimą fotonų su žiedine poliarizacija metu rezonansinės absorbcijos metu.

Branduoliniame magnetiniame rezonanse naudojamos vandenilio branduolių – protonų – magnetinės savybės. Be išorinio magnetinio lauko, protonų magnetiniai momentai yra savavališkai orientuoti (kaip pirmame paveikslėlyje). Kai veikia galingas magnetinis laukas, protonų magnetiniai momentai yra orientuoti lygiagrečiai laukui arba „išilgai“ arba „link“. Šios dvi pozicijos turi skirtingą energiją (2). Radijo dažnio impulsas, kurio rezonansinis dažnis atitinka energijos skirtumą, protonų magnetinius momentus „pasuka“ lauko (3) link. Pasibaigus radijo dažnio impulsui, įvyksta atvirkštinis „apsukimas“, o protonai spinduliuoja rezonansiniu dažniu. Šį signalą priima tomografo radijo dažnių sistema, o kompiuteris naudoja jį vaizdui kurti (4).

Giliai įkvėpkite

Poliarizuotų dujų panaudojimo medicinoje pradininkė buvo Prinstono ir Niujorko universiteto Stony Brook mokslininkų grupė. 1994 m. mokslininkai žurnale „Nature“ paskelbė straipsnį, kuriame parodytas pirmasis pelės plaučių MRT vaizdas.

Tiesa, MRT nėra visai standartinis – technika buvo pagrįsta ne vandenilio branduolių (protonų), o ksenono-129 branduolių atsaku. Be to, dujos buvo ne visai įprastos, o hiperpoliarizuotos, tai yra iš anksto „įmagnetintos“. Taip gimė naujas diagnostikos metodas, kuris netrukus pradėtas taikyti ir žmonių medicinoje.

Hiperpoliarizuotos dujos (dažniausiai sumaišytos su deguonimi) patenka į tolimiausius plaučių kampelius, todėl galima gauti MRT vaizdą, kurio skiriamoji geba yra eilės tvarka didesnė nei geriausių rentgeno spindulių. Netgi galima sudaryti detalų dalinio deguonies slėgio žemėlapį kiekvienoje plaučių srityje ir tada padaryti išvadas apie kraujotakos kokybę ir deguonies difuziją kapiliaruose. Šis metodas leidžia ištirti plaučių ventiliacijos pobūdį sergant astma ir kontroliuoti kritinių pacientų kvėpavimo procesą alveolių lygyje.

Kaip veikia MRT. MRT skaitytuvas aptinka protonų sankaupas – vandenilio atomų branduolius. Todėl MR vaizdavimas rodo vandenilio (daugiausia vandens) kiekio skirtumus skirtinguose audiniuose. Yra ir kitų būdų atskirti vieną audinį nuo kito (tarkime, magnetinių savybių skirtumai), kurie naudojami specializuotuose tyrimuose.

MRT, naudojant hiperpoliarizuotas dujas, pranašumai neapsiriboja tuo. Kadangi dujos yra hiperpoliarizuotos, naudingo signalo lygis yra daug didesnis (apie 10 000 kartų). Tai reiškia, kad nereikia itin stiprių magnetinių laukų, o veda prie vadinamųjų žemo lauko magnetinio rezonanso skenerių projektavimo – jie yra pigesni, mobilesni ir daug erdvesni. Tokiuose įrenginiuose naudojami elektromagnetai, sukuriantys 0,005 T lauką, kuris yra šimtus kartų silpnesnis nei standartiniai MRT skaitytuvai.

maža kliūtis

Nors pirmieji eksperimentai šioje srityje buvo atlikti su hiperpoliarizuotu ksenonu-129, netrukus jį pakeitė helis-3. Jis yra nekenksmingas, sukuria ryškesnius vaizdus nei ksenonas-129 ir turi tris kartus didesnį magnetinį momentą, todėl BMR signalas yra stipresnis. Be to, ksenono-129 sodrinimas dėl masės artumo su kitais ksenono izotopais yra brangus procesas, o pasiekiama dujų poliarizacija yra žymiai mažesnė nei helio-3. Be to, ksenonas-129 turi raminamąjį poveikį.

Bet jei žemo lauko tomografai yra paprasti ir pigūs, kodėl dabar ne kiekvienoje klinikoje naudojamas hiperpoliarizuotas helio MRT? Yra viena kliūtis. Bet kas!

Šaltojo karo palikimas

Vienintelis būdas gauti helio-3 yra tričio skilimas. Didžioji dalis 3He atsargų atsirado dėl tričio, pagaminto per branduolinio ginklavimosi lenktynes Šaltojo karo metu, skilimo. Jungtinėse Valstijose iki 2003 metų buvo sukaupta maždaug 260 000 litrų „neapdoroto“ (neišgryninto) helio-3, o iki 2010 metų liko tik 12 000 litrų nepanaudotų dujų. Dėl didėjančio šių negausių dujų poreikio 2007 metais net buvo atkurta riboto kiekio tričio gamyba, o iki 2015 metų planuojama kasmet gauti papildomai 8000 litrų helio-3. Tuo pačiu metu metinis jo poreikis jau yra ne mažesnis kaip 40 000 litrų (iš jų tik 5% sunaudojama medicinoje). 2010 m. balandžio mėn. JAV mokslo ir technologijų komitetas padarė išvadą, kad helio-3 trūkumas sukels realių neigiamų pasekmių daugelyje sričių. Net JAV branduolinėje pramonėje dirbantiems mokslininkams sunku įsigyti helio-3 iš valstijos atsargų.

Maišymo aušinimas

Kita pramonė, kuri negali išsiversti be helio-3, yra kriogeninė pramonė. Norint pasiekti itin žemas temperatūras, vadinamasis. skiedimo šaldytuvas, kuriame naudojamas helio-3 ištirpinimo į helis-4 efektas. Esant žemesnei nei 0,87 K temperatūrai, mišinys skyla į dvi fazes, kuriose gausu helio-3 ir helio-4. Perėjimui tarp šių fazių reikia energijos, o tai leidžia atvėsti iki labai žemos temperatūros – iki 0,02 K. Paprasčiausias toks įrenginys turi pakankamai helio-3, kuris palaipsniui per sąsają pereina į fazę, kurioje gausu helio-4 su energijos įsisavinimas. Kai baigsis helio-3 atsargos, įrenginys nebegalės veikti – jis „vienkartinis“.
Būtent šis aušinimo būdas buvo naudojamas Europos kosmoso agentūros Plancko orbitinėje observatorijoje. Plancko užduotis buvo užfiksuoti CMB anizotropiją (kurios temperatūra yra apie 2,7 K) su didele raiška, naudojant 48 HFI (aukšto dažnio instrumento) bolometrinius detektorius, atšaldytus iki 0,1 K. Prieš pasibaigiant helio-3 tiekimui aušinimo sistemoje , Planckui pavyko padaryti 5 dangaus nuotraukas mikrobangų diapazone.

Helio-3 kaina aukcione svyruoja apie 2000 USD už litrą, o mažėjimo tendencijos nepastebima. Šių dujų trūkumą lemia tai, kad didžioji helio-3 dalis naudojama neutronų detektoriams, kurie naudojami branduolinių medžiagų aptikimo įrenginiuose, gaminti. Tokie detektoriai registruoja neutronus pagal (n, p) reakciją – neutrono pagavimą ir protono emisiją. O norint aptikti bandymus įvežti branduolines medžiagas, tokių detektorių reikia labai daug – šimtų tūkstančių vienetų. Būtent dėl šios priežasties helis-3 tapo fantastiškai brangus ir neprieinamas masinei medicinai.

Tačiau yra vilčių. Tiesa, jie priskirti ne Mėnulio heliui-3 (jo gamyba tebėra tolima perspektyva), o tričiui, kuris susidaro CANDU tipo sunkiojo vandens reaktoriuose, kurie eksploatuojami Kanadoje, Argentinoje, Rumunijoje, Kinijoje ir pietuose. Korėja.

Tikriausiai nedaug kas termobranduolinės energetikos srityje yra apipintas tokiais mitais, kaip helis 3. 80-90-aisiais jis buvo aktyviai populiarinamas kaip kuras, kuris išspręstų visas valdomos termobranduolinės sintezės problemas, taip pat viena iš priežasčių, kodėl verta išlipti. Žemę (nes jos žemėje tiesiogine prasme yra keli šimtai kilogramų, o Mėnulyje – milijardas tonų) ir pagaliau pradėti tyrinėti Saulės sistemą. Visa tai paremta labai keistomis idėjomis apie šiandien neegzistuojančios termobranduolinės energijos galimybes, problemas ir poreikius, apie kurias ir pakalbėsime.

Mašina helio3 gavybai Mėnulyje jau paruošta, belieka rasti jam panaudojimą.

Kai jie kalba apie helią3, jie turi omenyje termobranduolinės sintezės reakcijas He3 + D -> He4 + H arba He3 + He3 -> 2He4 + 2H. Palyginti su klasika D + T -> He4 +n reakcijos produktuose nėra neutronų, vadinasi, superenergetinių neutronų neaktyvuoja termobranduolinio reaktoriaus konstrukcija. Be to, problema, kad „klasikų“ neutronai perneša 80% energijos iš plazmos, yra laikoma problema, todėl savaiminio įkaitimo balansas atsiranda aukštesnėje temperatūroje. Dar vienas dėmesio vertas helio versijos privalumas yra tas, kad elektrą galima pašalinti tiesiai iš įkrautų reakcijos dalelių, o ne kaitinant vandenį neutronais – kaip senose anglimi kūrenamose elektrinėse.

Taigi, visa tai netiesa, tiksliau, labai maža dalis tiesos.

Pradėkime nuo to, kad esant tokiam pačiam plazmos tankiui ir optimaliai temperatūrai, reakcija He3 + D pasiduos 40 kartų mažiau energijos išsiskyrimas vienam kubiniam metrui darbinės plazmos. Tokiu atveju temperatūra, reikalinga bent 40 kartų plyšimui, bus 10 kartų didesnė – 100 keV (arba vienas milijardas laipsnių), palyginti su 10 D +T. Pati savaime tokia temperatūra yra gana pasiekiama (tokamakų rekordas šiandien yra 50 keV, tik du kartus blogesnis), tačiau norint nustatyti energijos balansą (aušinimo greitis VS šildymo greitis, įskaitant savaiminį šildymą), reikia padidinti energijos išsiskyrimas 50 kartų iš kubinių metrų He3 + D reakcijos, o tai galima padaryti tik padidinus tankį tiek pat 50 kartų. Kartu su dešimt kartų padidėjusia temperatūra tai suteikia kraujo plazmos slėgio padidėjimas 500 kartų- nuo 3-5 atm iki 1500-2500 atm, ir toks pat priešslėgio padidėjimas, kad ši plazma išlaikytų.

Tačiau nuotraukos įkvepia.

Pamenate, rašiau, kad ITER toroidinio lauko magnetai, sukuriantys priešslėgį plazmai, yra absoliučiai rekordiniai gaminiai, vieninteliai pasaulyje pagal parametrus? Taigi, He3 gerbėjai siūlo magnetus padaryti 500 kartų galingesnius.

Gerai, pamiršk sunkumus, gal šios reakcijos privalumai juos atsiperka?

Įvairios termobranduolinės reakcijos, taikomos CTS. He3 + D suteikia šiek tiek daugiau energijos nei D + T, tačiau daug energijos išeikvojama Kulono atstūmimo įveikimui (3, o ne 2 krūvis), todėl reakcija vyksta lėtai.

Pradėkime nuo neutronų. Pramoniniame reaktoriuje esantys neutronai bus rimta problema, pažeisdami indo medžiagas, įkaitindami visus elementus, nukreiptus prieš plazmą, tiek, kad juos teks atvėsinti tinkamu vandens kiekiu. O svarbiausia – medžiagų aktyvavimas neutronais lems tai, kad net po 10 metų po termobranduolinio reaktoriaus uždarymo jame bus tūkstančiai tonų radioaktyvių struktūrų, kurių negalima išardyti rankomis ir kurios bus sendintos saugyklose. šimtus ir tūkstančius metų. Atsikračius neutronų, akivaizdu, kad būtų lengviau sukurti termobranduolinę elektrinę.

Energijos dalis, kurią nuneša neutronai. Jei į reaktorių įpilsite daugiau He3, galite jį sumažinti iki 1%, tačiau tai dar labiau sugriežtins uždegimo sąlygas.

Gerai, bet kaip dėl tiesioginio įkrautų dalelių energijos pavertimo elektra? Eksperimentai rodo, kad 100 keV energijos jonų srautą galima paversti elektros energija 80% naudingumo koeficientu. Mes čia neturime neutronų... Noriu pasakyti, kad jie neatima visos energijos, kurią galime gauti tik šilumos pavidalu – atsikratykime garo turbinų ir įdėkime jonų kolektorių?

Taip, yra technologijų, skirtų tiesioginiam plazmos energijos pavertimui elektra, jos buvo aktyviai tiriamos 60–70-aisiais ir parodė 50–60% efektyvumą (ne 80, reikia pažymėti). Tačiau ši idėja prastai pritaikoma tiek D + T reaktoriuose, tiek He3 + D. Kodėl taip yra, šis paveikslėlis padeda suprasti.

Tai rodo plazmos šilumos nuostolius skirtingais kanalais. Palyginkite D+T ir D+He3. Transportas yra tai, kas gali būti naudojama plazmos energijai tiesiogiai paversti elektra. Jei D + T variante viską iš mūsų atima bjaurūs neutronai, tai He3 + D atveju viską atima plazmos elektromagnetinė spinduliuotė, daugiausia sinchrotronas ir rentgeno spinduliai (paveikslėlyje). Bremsstrahlung). Situacija beveik simetriška, vis tiek, būtina pašalinti šilumą nuo sienų ir dar tiesioginiu būdu negalime ištraukti daugiau nei 10-15 proc. termobranduolinio degimo energija, o visa kita – senamadiškai, per garo mašiną.

Iliustracija tyrime apie tiesioginį plazmos energijos konversiją didžiausioje atviroje gaudyklėje Gamma-10 Japonijoje.

Be teorinių apribojimų, yra ir inžinerinių – pasaulyje (įskaitant SSRS) buvo dedamos milžiniškos pastangos kuriant įrenginius, skirtus tiesioginiam plazmos energijos pavertimui į elektros energiją įprastoms elektrinėms, kurios leido padidinti efektyvumą nuo 35% iki 55%. Daugiausia pagrįsta MHD generatoriais. 30 didelių komandų darbo metų baigėsi beviltiškai - instaliacijos ištekliai buvo šimtai valandų, kai energetikams reikia tūkstančių ir dešimčių tūkstančių. Gigantiškas šiai technologijai išleistų išteklių kiekis lėmė tai, kad mūsų šalis atsiliko dujų turbinų ir garo-dujų turbinų ciklo jėgainių gamyboje (kurios užtikrina lygiai tiek pat efektyvumo padidėjimą - nuo 35). iki 55 proc.!).

Beje, galingų superlaidžių magnetų reikia ir MHD generatoriams. Čia rodomi SP magnetai, skirti 30 MW MHD generatoriui.