Hélium vzorec 3. Hélium-tri je energia budúcnosti. Zloženie a štruktúra

Hélium 3 - energia budúcnosti

Všetci vieme, že naša ropa nie je nekonečná a štúdie tiež preukázali jej organický pôvod, čo znamená, že ropa je neobnoviteľný zdroj. Olej je horľavá olejovitá kvapalina, ktorá je zmesou uhľovodíkov, červenohnedej, niekedy takmer čiernej farby, aj keď niekedy je aj mierne sfarbená do žltozelena až bezfarebný olej, má špecifickú vôňu, je bežný v sedimentárnom obale Zeme; jeden z najdôležitejších minerálov. Ropa je zmesou asi 1000 jednotlivých látok, z ktorých väčšinu tvoria kvapalné uhľovodíky. Ropa zaujíma popredné miesto v celosvetovej palivovej a energetickej bilancii: jej podiel na celkovej spotrebe energetických zdrojov je 48 %.Preto je ropa ako zdroj energie pre ľudstvo taká dôležitá.

V súčasnosti sú hlavnými zdrojmi energie: tepelná elektráreň, tepelná elektráreň, jadrová elektráreň.

Z grafu je jasne vidieť, že vedúcou pozíciou sa môžu pochváliť len tepelné elektrárne, ktoré využívajú ako palivo neobnoviteľné zdroje ako: ropa (všetky druhy paliva odvodené od ropy), uhlie, plyn.

Vodné elektrárne tvoria len 20 % a aj keby svet začal využívať maximálny počet riek na vodné elektrárne, celková energia uvoľnená všetkými vodnými elektrárňami nebude schopná pokryť potreby ľudstva.

Jadrové elektrárne zaberajú len 17 % svetovej produkcie energie, využitie štiepnej reakcie atómov má za následok vážne následky v podobe žiarenia.

V súčasnosti sa ako alternatívne suroviny aktívne využívajú plyn, uhlie, rašelina, energia štiepenia atómov (jadrová energia), ale vieme, že nie sú schopné úplne nahradiť ropu ako surovinu na výrobu energie. A zásoby toho istého zemného plynu nie sú nekonečné, použitím týchto alternatívnych surovín energetickú krízu len oddialime.

Vedci si dobre uvedomujú, že problém prichádza na päty a vytvárajú a študujú alternatívne zdroje energie. V súčasnosti vedci pracujú na projektoch zahŕňajúcich použitie:

Bioplyn

Bionafta

Bioetanol

Veterná energia

Energia vodíka

Geotermálnej energie

Solárne bunky

Jadrová energia

Termonukleárna energia (založená na použití hélia 3)

Hlavná časť

Zvážme teda každú alternatívu samostatne.

2.1 Bioplyn

Biometán je plyn získaný fermentáciou organického odpadu (bioplynu). Najvhodnejšou oblasťou využitia bioplynu je vykurovanie chovov hospodárskych zvierat, obytných priestorov a technologických priestorov. Bioplyn možno použiť aj ako motorové palivo. Prebytočné vyrobené palivo je možné spracovať na elektrickú energiu pomocou dieselových generátorov.

Biometán má nízku objemovú koncentráciu energie. Za normálnych podmienok je výhrevnosť 1 liter. biometán je 33 - 36 kJ.

Biometán má vysokú detonačnú odolnosť, čím znižuje koncentráciu škodlivých látok vo výfukových plynoch a znižuje množstvo usadenín v motore.

Biometán ako motorové palivo by sa mal používať v dopravných motoroch buď v stlačenom alebo skvapalnenom stave. Hlavnou prekážkou širokého používania stlačeného biometánu ako motorového paliva, ako v prípade stlačeného zemného plynu, je však preprava značného množstva palivových fliaš.

V zahraničí sa problematike získavania a využívania bioplynu venuje veľká pozornosť. V krátkom čase sa v mnohých krajinách sveta objavil celý bioplynový priemysel: ak v roku 1980 bolo na svete asi 8 miliónov bioplynových staníc s celkovou kapacitou 1,7 – 2 miliardy metrov kubických. m za rok, potom v súčasnosti tieto čísla zodpovedajú produktivite bioplynu iba jednej krajiny - Číny.

Medzi výhody bioplynu patria:

Príjem energie bez dodatočných emisií CO 2 .

Uzavreté systémy neprepúšťajú zápach alebo len mierne unikajú.

Zlepšenie obchodnej situácie a zníženie závislosti od dovozcov energie.

Elektrinu z bioplynu je možné vyrábať 24 hodín denne.

Nie je závislý od vetra/vody/elektriny.

Zlepšenie hnojenia pôdy.

2.2 Bionafta

Bionafta je palivo na báze rastlinných alebo živočíšnych tukov (olejov), ako aj ich esterifikačných produktov. V automobilovej doprave sa používa vo forme rôznych zmesí s motorovou naftou.

Environmentálne aspekty aplikácie:

Bionafta, ako ukázali experimenty, neškodí rastlinám a zvieratám, keď sa dostane do vody. Okrem toho prechádza takmer úplným biologickým rozkladom: v pôde alebo vo vode mikroorganizmy spracujú 99 % bionafty za 28 dní, čo nám umožňuje hovoriť o minimalizácii znečistenia riek a jazier.

Výhody bionafty zahŕňajú:

zvýšenie cetánového čísla a mazivosti, čo predlžuje životnosť motora;

výrazné zníženie škodlivých emisií (vrátane CO, CO2, SO2, jemných častíc a prchavých organických zlúčenín);

Podporujte čistenie vstrekovačov, palivových čerpadiel a prívodných kanálov paliva.

Nedostatky

V chladnom období je potrebné zohriať palivo idúce z palivovej nádrže do palivového čerpadla alebo použiť zmes 20% BIODIESEL 80% motorovej nafty.

2.3 Bioetanol

Bioetanol je kvapalné alkoholové palivo, ktorého výpary sú ťažšie ako vzduch. Vyrába sa z poľnohospodárskych produktov obsahujúcich škrob alebo cukor, ako je kukurica, obilniny alebo cukrová trstina. Palivový etanol na rozdiel od liehu, z ktorého sa vyrábajú alkoholické nápoje, neobsahuje vodu a vyrába sa skrátenou destiláciou (dve destilačné kolóny namiesto piatich), preto obsahuje metanol a fuselové oleje, ako aj benzín, vďaka čomu je nepitný.

Bioetanol na báze paliva sa vyrába v podstate rovnakým spôsobom ako bežný potravinársky alkohol na výrobu alkoholických nápojov, existuje však niekoľko významných rozdielov.

Etanol možno vyrobiť z akýchkoľvek surovín obsahujúcich cukor a škrob: cukrová trstina a repa, zemiaky, topinambur, kukurica, pšenica, jačmeň, raž atď.

Výhody bioetanolu zahŕňajú:

Etanol má vysoké oktánové číslo

Bioetanol je odbúrateľný a neznečisťuje prírodné prostredie

vodné systémy

10% etanol v benzíne znižuje toxicitu výfukových plynov

znížiť emisie CO o 26 %, emisie oxidov dusíka

o 5 %, aerosólových častíc o 40 %.

Etanol je jediný obnoviteľný zdroj

kvapalné palivo, ktorého použitie v

ako prísada do benzínu nevyžaduje úpravu

konštrukcie motora

Nemá žiadne zvlášť výrazné nedostatky.

2.4. Sila vetra

Veterná energia je neregulovaný zdroj energie. Výkon veternej farmy závisí od sily vetra, čo je veľmi variabilný faktor. V súlade s tým je výstup elektriny z veterného generátora do energetického systému značne nerovnomerný tak v dennom, ako aj týždennom, mesačnom, ročnom a dlhodobom horizonte. Vzhľadom na to, že samotná energetická sústava má heterogénne energetické zaťaženie (vrcholy a poklesy spotreby energie), ktoré, samozrejme, nie je možné regulovať veternou energiou, prispieva zavedenie významného podielu veternej energie do energetického systému k jeho destabilizácii. Je zrejmé, že veterná energia si vyžaduje rezervu výkonu v energetickom systéme (napríklad vo forme elektrární s plynovou turbínou), ako aj mechanizmy na vyrovnávanie heterogenity ich výroby (vo forme vodných elektrární alebo čerpacích elektrární). akumulačné elektrárne). Táto vlastnosť veternej energie výrazne zvyšuje náklady na elektrinu prijatú z nich. Siete sa zdráhajú pripojiť veterné turbíny k rozvodnej sieti, čo viedlo k tomu, že legislatíva ich vyžaduje.

Malé samostatné veterné turbíny môžu mať problémy so sieťovou infraštruktúrou, pretože náklady na prenosové vedenie a rozvádzač na pripojenie k elektrickej sieti môžu byť príliš vysoké.

Veľké veterné turbíny majú značné problémy s opravami, pretože výmena veľkej časti (lopatky, rotora atď.) vo výške viac ako 100 m je zložitá a nákladná záležitosť.

Výhody:

Priateľský k životnému prostrediu.

Bezpečné pre ľudí (žiadne žiarenie, žiadny odpad).

Hlavné nevýhody:

Nízka hustota energie na jednotku plochy veterného kolesa; nepredvídateľné zmeny rýchlosti vetra počas dňa a sezóny, ktoré si vyžadujú rezerváciu veternej farmy alebo akumuláciu vyrobenej energie; negatívny vplyv na biotopy ľudí a zvierat, na televíznu komunikáciu a trasy sezónnej migrácie vtákov.

2.5. Energia vodíka

Vodíková energia je smer vo výrobe a spotrebe energie ľudstvom, založený na využívaní vodíka ako prostriedku na akumuláciu, prepravu a spotrebu energie ľuďmi, dopravnou infraštruktúrou a rôznymi výrobnými oblasťami. Ako najbežnejší prvok na zemskom povrchu a vo vesmíre sa volí vodík, najvyššie je spaľovacie teplo vodíka a produktom spaľovania v kyslíku je voda (ktorá sa opäť dostáva do kolobehu vodíkovej energie). Existuje niekoľko spôsobov výroby vodíka:

Zo zemného plynu

Splyňovanie uhlia:

Elektrolýza vody (*reverzná reakcia)

Vodík z biomasy

Výhody:

ekologická čistota vodíkového paliva.

obnoviteľnosť.

extrémne vysoká účinnosť - 75%, čo je takmer 2,5-krát vyššia účinnosť ako u najmodernejších zariadení na ropu a plyn.

Vodík má aj vážnejšie nevýhody. Po prvé, vo voľnom plynnom stave v prírode neexistuje, to znamená, že sa musí ťažiť. Po druhé, vodík ako plyn je dosť nebezpečný. Jeho zmes so vzduchom najskôr neviditeľne „horí“, to znamená, že uvoľňuje teplo a potom ľahko vybuchne od najmenšej iskry. Klasickým príkladom vodíkovej explózie je černobyľská havária, kedy sa vodík vytvoril v dôsledku prehriatia zirkónu a dopadajúcej vody, ktorá následne vybuchla. Po tretie, vodík sa musí niekde skladovať a vo veľkých nádobách, pretože má nízku hustotu. A dá sa stlačiť len pod veľmi vysokým tlakom, približne 300 atmosfér.

2.6. geotermálnej energie

Výbuchy sopiek sú jasným dôkazom obrovského tepla vo vnútri planéty. Vedci odhadujú teplotu zemského jadra na tisíce stupňov Celzia. Táto teplota postupne klesá od horúceho vnútorného jadra, kde vedci veria, že kovy a horniny môžu existovať len v roztavenom stave, až po povrch Zeme. Geotermálna energia môže použiť dvoma hlavnými spôsobmi – na výrobu elektriny a na vykurovanie domácností, inštitúcií a priemyselných podnikov. Na ktorý z týchto účelov sa použije, závisí od formy, v akej sa dostane do nášho vlastníctva. Niekedy voda vytryskne zo zeme vo forme čistej „suchej pary“, t.j. para bez prímesí vodných kvapiek. Táto suchá para sa môže priamo použiť na otáčanie turbíny a výrobu elektriny. Kondenzovaná voda sa môže vrátiť do zeme a ak je dostatočne kvalitná, môže sa vypustiť do blízkej vodnej plochy.

Transformácia tepelnej energie oceánu.

Myšlienka využitia teplotného rozdielu oceánskych vôd na výrobu elektriny sa objavila asi pred 100 rokmi, konkrétne v roku 1981. Francúzsky fyzik Jacques D. Arsonval publikoval prácu o slnečnej energii morí. V tom čase sa už veľa vedelo o schopnosti oceánu prijímať a uchovávať tepelnú energiu. Známy bol aj mechanizmus zrodu oceánskych prúdov a hlavné zákonitosti vzniku teplotných rozdielov medzi povrchovými a hlbokými vrstvami vody.

Využitie teplotného rozdielu je možné v troch hlavných smeroch: priama premena na báze termoprvkov, premena tepla na mechanickú energiu v tepelných strojoch a premena na mechanickú energiu v hydraulických strojoch s využitím rozdielu hustoty teplej a studenej vody.

Výhody:

Sú prakticky bezúdržbové.

Jednou z výhod geotermálnej elektrárne je, že v porovnaní s elektrárňou na fosílne palivá vypúšťa pri výrobe rovnakého množstva elektriny asi dvadsaťkrát menej oxidu uhličitého, čo znižuje jej dopad na globálne životné prostredie.

Hlavnou výhodou geotermálnej energie je jej praktická nevyčerpateľnosť a úplná nezávislosť od podmienok prostredia, dennej a ročnej doby.

Aké problémy vznikajú pri využívaní podzemných termálnych vôd? Tou hlavnou je potreba opätovnej injektáže odpadovej vody do podzemnej zvodnenej vrstvy. Termálne vody obsahujú veľké množstvo solí rôznych toxických kovov (napríklad bór, olovo, zinok, kadmium, arzén) a chemických zlúčenín (amoniak, fenoly), čo vylučuje vypúšťanie týchto vôd do prírodných vodných systémov umiestnených na povrchu. .

2.7. Solárne bunky

Ako fungujú solárne články:

solárne Články (SC) sú vyrobené z materiálov, ktoré priamo premieňajú slnečné svetlo na elektrinu. Väčšina v súčasnosti komerčne vyrábaných solárnych článkov je vyrobená z kremíka.

V posledných rokoch boli vyvinuté nové typy materiálov pre solárne články. Napríklad tenkovrstvové solárne články vyrobené z medi-indium-diselenidu a CdTe (telurid kadmia). Tieto SC sa nedávno začali používať aj komerčne.

Výhody:

Slnečná energia je takmer nekonečná

Priateľský k životnému prostrediu

Bezpečné pre ľudí a prírodu

Nevýhody: Solárna elektráreň nefunguje v noci a nepracuje efektívne v rannom a večernom šere. Zároveň vrchol spotreby energie pripadá na večerné hodiny. Kapacita elektrárne môže navyše dramaticky a neočakávane kolísať v dôsledku zmien počasia. Slnečná energia si vzhľadom na relatívne malú hodnotu slnečnej konštanty vyžaduje využitie veľkých plôch pôdy pre elektrárne (napríklad pri 1 GW elektrárni to môže byť niekoľko desiatok kilometrov štvorcových). Napriek environmentálnej čistote prijatej energie samotné solárne články obsahujú toxické látky, ako je olovo, kadmium, gálium, arzén atď., a na ich výrobu sa spotrebuje množstvo ďalších nebezpečných látok. Moderné fotobunky majú obmedzenú životnosť (30-50 rokov) a masové používanie čoskoro nastolí zložitú otázku ich likvidácie, ktorá navyše zatiaľ nemá ekologicky prijateľné riešenie.

2.8.Jadrová energia

Jadrová energia (atómová energia), vnútorná energia atómových jadier uvoľnená pri jadrových premenách (jadrových reakciách). Využitie jadrovej energie je založené na realizácii reťazových reakcií štiepenia ťažkých jadier a termonukleárnych fúznych reakcií – fúzie ľahkých jadier; tieto aj iné reakcie sú sprevádzané uvoľňovaním energie, napríklad pri štiepení jedného jadra sa uvoľní asi 200 MeV. Pri úplnom štiepení jadier nachádzajúcich sa v 1 g uránu sa uvoľní energia 2,3 * 104 kWh. To sa rovná energii získanej spaľovaním 3 ton uhlia alebo 2,5 tony ropy. V jadrových reaktoroch sa používa riadená jadrová štiepna reakcia.

Výhody:

nízke a udržateľné (v pomere k nákladom na palivo) ceny elektriny;

Stredný vplyv na životné prostredie.

Nevýhody jadrových elektrární:

Ožiarené palivo je nebezpečné a vyžaduje zložité a nákladné opatrenia na prepracovanie a skladovanie;

Nežiaduci prevádzkový režim s premenlivým výkonom pre reaktory pracujúce na tepelných neutrónoch;

S nízkou pravdepodobnosťou incidentov sú ich následky mimoriadne závažné

Veľké kapitálové investície, ako špecifické, na 1 MW inštalovaného výkonu pre bloky s výkonom menším ako 700-800 MW, tak aj všeobecné, potrebné pre výstavbu stanice, jej infraštruktúry, ako aj pre prípad likvidácie.

Všetky vyššie uvedené alternatívy ropy majú jednu, no veľmi podstatnú nevýhodu, NIE SÚ schopné ÚPLNE nahradiť ropu ako zdroj energie. V tejto situácii môže pomôcť len využitie termonukleárnej energie.

2.9 Termonukleárna energia

Termonukleárna energia s účasťou hélia 3 je bezpečná a kvalitná energia.

termonukleárne reakcie. K uvoľňovaniu energie pri fúzii jadier ľahkých atómov deutéria, trícia alebo lítia za vzniku hélia dochádza pri termonukleárnych reakciách. Tieto reakcie sa nazývajú termonukleárne, pretože môžu prebiehať len pri veľmi vysokých teplotách. Inak sily elektrického odpudzovania nedovolia jadrám priblížiť sa k sebe natoľko, že začnú pôsobiť jadrové sily príťažlivosti. Reakcie jadrovej fúzie sú zdrojom hviezdnej energie. Rovnaké reakcie prebiehajú pri výbuchu vodíkovej bomby. Realizácia riadenej termonukleárnej fúzie na Zemi sľubuje ľudstvu nový, prakticky nevyčerpateľný zdroj energie. Najsľubnejšia je v tomto ohľade fúzna reakcia deutéria a trícia.

Ak použijete deutérium s izotopom hélia-3 vo fúznom reaktore namiesto materiálov používaných v jadrovej energetike. Intenzita toku neutrónov klesne 30-násobne - podľa toho je možné jednoducho zabezpečiť životnosť reaktora 30-40 rokov (primerane klesá množstvo emitovaného žiarenia). Po ukončení prevádzky héliového reaktora nevzniká vysokoaktívny odpad a rádioaktivita konštrukčných prvkov bude taká nízka, že ich možno pochovať doslova na mestskom smetisku jemne posypanom zeminou.

V čom je teda problém? Prečo stále nepoužívame také ziskové jadrové palivo?

V prvom rade preto, že tento izotop je na našej planéte extrémne malý. Rodí sa na Slnku, preto sa mu niekedy hovorí „slnečný izotop“. Jeho celková hmotnosť tam prevyšuje hmotnosť našej planéty. Hélium-3 je prenášané do okolitého priestoru slnečným vetrom. Magnetické pole Zeme odkláňa značnú časť tohto vetra, a preto hélium-3 tvorí len jednu bilióninu zemskej atmosféry – asi 4000 ton.Na samotnej Zemi je to ešte menej – asi 500 kg.

Tohto izotopu je na Mesiaci oveľa viac. Tam je rozptýlený v mesačnej pôde „regolit“, ktorý zložením pripomína obyčajnú trosku. Hovoríme o obrovských – takmer nevyčerpateľných zásobách!

Analýza šiestich vzoriek pôdy privezených expedíciami Apollo a dvoch vzoriek dodaných sovietskymi automatickými stanicami Luna ukázala, že regolit pokrývajúci všetky moria a náhorné plošiny Mesiaca obsahuje až 106 ton hélia-3, čo by uspokojilo potreby zemská energia sa v porovnaní s tou modernou dokonca niekoľkonásobne zvýšila za celé tisícročie! Podľa moderných odhadov sú zásoby hélia-3 na Mesiaci o tri rády väčšie - 109 ton.

Okrem Mesiaca sa hélium-3 nachádza aj v hustých atmosférach obrích planét a podľa teoretických odhadov sú jeho zásoby len na Jupiteri 1020 ton, čo by stačilo na napájanie Zeme až do konca vekov. .

Projekty výroby hélia-3

Regolit pokrýva Mesiac vrstvou hrubou niekoľko metrov. Regolit mesačných morí je bohatší na hélium ako regolit náhorných plošín. 1 kg hélia-3 obsahuje približne 100 000 ton regolitu.

Preto na extrakciu vzácneho izotopu je potrebné spracovať obrovské množstvo drobivej lunárnej pôdy.

Ak vezmeme do úvahy všetky vlastnosti, technológia výroby hélia-3 by mala zahŕňať nasledujúce procesy:

1. Ťažba regolitu.

Špeciálne „kombajny“ odoberú regolit z povrchovej vrstvy o hrúbke cca 2 m a doručia ho na spracovateľské miesta alebo spracujú priamo v procese ťažby.

2. Uvoľňovanie hélia z regolitu.

Pri zahriatí regolitu na 600°C sa uvoľní (desorbuje) 75% hélia obsiahnutého v regolitu, pri zahriatí na 800°C sa uvoľní takmer všetko hélium. Ohrievanie prachu sa navrhuje vykonávať v špeciálnych peciach, ktoré sústreďujú slnečné svetlo buď pomocou plastových šošoviek alebo zrkadiel.

3. Doručenie na Zem opakovane použiteľnou kozmickou loďou.

Počas extrakcie hélia-3 sa z regolitu extrahujú aj mnohé látky: vodík, voda, dusík, oxid uhličitý, dusík, metán, oxid uhoľnatý, ktoré môžu byť užitočné pri udržiavaní lunárneho priemyselného komplexu.

Projekt prvého lunárneho kombinátu, určeného na spracovanie regolitu a extrakciu izotopu hélia-3 z neho, navrhla skupina J. Kulchinského. Súkromné americké spoločnosti v súčasnosti vyvíjajú niekoľko prototypov, ktoré budú podľa všetkého predložené do súťaže po tom, čo NASA rozhodne o vlastnostiach budúcej expedície na Mesiac.

Je jasné, že okrem doručovania kombajnov na Mesiac budú musieť vybudovať skladovacie priestory, obývateľnú základňu (na obsluhu celého komplexu zariadení), kozmodróm a mnohé ďalšie. Verí sa však, že vysoké náklady na vytvorenie rozvinutej infraštruktúry na Mesiaci sa bohato vyplatia z hľadiska toho, že prichádza globálna energetická kríza, keď tradičné typy nosičov energie (uhlie, ropa, zemný plyn) treba opustiť.

Vzhľadom na to, že ropa sa minie o 35 – 40 rokov, máme dostatok času na realizáciu takéhoto projektu. A práve krajina, ktorá to dokáže zrealizovať, bude v budúcnosti lídrom a ak spojíme úsilie, môžeme dosiahnuť väčšie výsledky a v rýchlejšom časovom horizonte.

Prečo teda termonukleárna energia? Pretože to:

Veľký zdroj energie s bohatým a všade dostupným palivom.

Veľmi nízky globálny dopad na životné prostredie – žiadne emisie CO2.

- „Každodenná prevádzka“ elektrárne si nevyžaduje prepravu rádioaktívnych materiálov.

Elektráreň je bezpečná, bez možnosti „roztopenia“ alebo „nekontrolovanej reakcie“.

Neexistuje žiadny rádioaktívny odpad, čo nepredstavuje problém pre budúce generácie.

Je to ziskové: Na výrobu 1 GW energie je potrebných približne 100 kg deutéria a na celý rok sa spotrebujú 3 tony prírodného lítia, čím sa vyprodukuje približne 7 miliárd kWh.

3.Záver

Energia je teda dôležitým zdrojom potrebným pre pohodlnú existenciu ľudstva. A získavanie energie je jedným z hlavných problémov ľudstva. Ropa sa v súčasnosti aktívne využíva ako zdroj elektrickej a palivovej energie, no nie je nekonečná a jej zásoby sa každým rokom zmenšujú. A súčasné vyvinuté alternatívy neumožňujú úplne nahradiť olej alebo majú vážne nevýhody.

Jediným zdrojom energie, ktorý dnes dokáže zabezpečiť potrebné množstvo energie pre celé ľudstvo a zároveň nemá vážne nedostatky, je termonukleárna energia založená na využití hélia 3. Technológia získavania energie z tejto reakcie je prácna a vyžaduje si veľké investície, ale takto získaná energia je šetrná k životnému prostrediu a počíta sa v miliardách kilowattov.

Ak získate lacnú a ekologickú energiu, môžete ropu v maximálnej možnej miere nahradiť, napríklad opustiť benzínové motory v prospech elektrických, vyrábať teplo pomocou elektriny atď. Ropa ako surovina pre chemickú výrobu teda stačí ľudstvu na mnoho storočí dopredu.

Preto na Mesiaci (ktorý je hlavným zdrojom hélia 3) je potrebné vytvoriť priemysel. Na vytvorenie odvetvia potrebujete mať plán rozvoja, a to je otázka niekoľkých rokov a čím skôr začnete, tým lepšie. Pretože ak to musíte urobiť už v bezvýchodiskovej situácii (napríklad počas energetickej krízy), súrne, bude to mať za následok úplne iné výdavky.

A krajina, ktorá sa v tomto smere rozvíja rýchlejšie, sa v budúcnosti stane lídrom. Pretože energia je budúcnosť.

4. Zoznam použitej literatúry

1. http://ru.wikipedia.org/ - svetová encyklopédia

2. http://www.zlev.ru/61_59.htm - Časopis "Golden Lion" č. 61-62 - publikácia ruskej konzervatívnej myšlienky Kedy sa minie ropa?

3. http://www.vz.ru/society/2007/11/25/127214.html - ZOBRAZIŤ / Keď sa minie ropa

4. http://vz.ru/economy/2007/11/1/121681.html - POHĽAD / Svetu dochádza ropa

5. http://bio.fizteh.ru/departments/physchemplasm/topl_element.html ->Alternatíva k rope?. Fakulta molekulárnej a biologickej fyziky Moskovského inštitútu fyziky a technológie. "Phystech-Portal", "Phystech-Center"

6. http://encycl.accoona.ru/?id=74848 - JADROVÁ ENERGIA - Internetová encyklopédia, výkladový slovník.

7. http://www.vepr.ru/show.html?id=7 - Odkiaľ pochádza elektrina (história výskytu)

8. http://www.bioenergy.by/mejdu_1.htm - Energia z biomasy. Projekt UNDP/GEF BYE/03/G31 v Bielorusku

9. http://bibliotekar.ru/alterEnergy/37.htm - Výhody a nevýhody veternej energie. Princípy premeny veternej energie. Sila vetra

10. http://www.smenergo.ru/hydrogen_enegry/ - Energia vodíka. Energia a energetika.

11. http://works.tarefer.ru/89/100323/index.html Primárne zdroje energie a energia jadrovej syntézy

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

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

14. http://razrabotka.ucoz.ru/publ/4-1-0-16 - HÉLIUM-TRI - ENERGIA BUDÚCNOSTI - lunárny program - Katalóg článkov - Vývoj

15. http://www.fp7-bio.ru/presentations/fisheries/bioetanol.pdf/at_download/file - energia budúcnosti

16. http://www.scienmet.net/ - Veterný generátor, veterná energia

17. http://oil-resources.info - palivové zdroje

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

19.http://www.ruscourier.ru/archive/2593 - nevýhody vodíka

20. http://www.intersolar.ru/geothermal/pressa/rbsgeo.html - Energia z hlbín - www.intersolar.ru

21.http://web-japan.org/nipponia/nipponia28/en/feature/feature09.html - NIPPONIA č. 28 15. marca 2004

22. http://www.kti.ru/forum/img/usersf/pic_41.doc - alternatívne zdroje energie

23. http://www.rosnpp.org.ru/aes_preimush.shtml - jadrové elektrárne

24. http://www.atomstroyexport.ru/nuclear_market/advantage/ - jadrová energia

25. http://solar-battery.narod.ru/termoyad.htm - termonukleárna energia v akcii

26.http://business.km.ru/magazin/view.asp?id=7B07CB0288D54DC0AC68C60AF246D693 - Obchodné KM.RU. Budúcnosť ruského energetického priemyslu spočíva v biopalivách a termonukleárnej energii

Zloženie a štruktúra

Fyzikálne vlastnosti

Použitie

Čítače neutrónov

Na detekciu neutrónov sa používajú počítadlá plynu naplnené héliom-3. Toto je najbežnejšia metóda merania toku neutrónov. Reagujú

n+ 3 He → 3 H + 1 H + 0,764 MeV.

Nabité reakčné produkty - tritón a protón - registruje plynový počítač pracujúci v režime proporcionálneho čítača alebo Geiger-Mullerovho čítača.

Získanie ultra nízkych teplôt

Rozpustením tekutého hélia-3 v héliu-4 sa dosiahnu milikelvinové teploty.

Liek

Polarizované hélium-3 (je možné ho dlhodobo skladovať) sa v poslednej dobe používa pri zobrazovaní magnetickou rezonanciou na zobrazenie pľúc pomocou nukleárnej magnetickej rezonancie.

cena

Priemerná cena hélia-3 v roku 2009 bola 930 dolárov za liter.

Hélium-3 ako jadrové palivo

Reakcia 3 He + D → 4 He + p má množstvo výhod oproti najviac dosiahnuteľnej reakcii deutérium-trícium T + D → 4 He + n v pozemských podmienkach. Medzi tieto výhody patrí:

K nevýhodám reakcie hélium-deutérium patrí výrazne vyšší teplotný prah. Pred začiatkom musí byť dosiahnutá teplota okolo miliardy stupňov.

V súčasnosti sa hélium-3 neťaží z prírodných zdrojov, ale vytvára sa umelo počas rozpadu trícia. Ten bol vyrobený pre termonukleárne zbrane ožarovaním bóru-10 a lítia-6 v jadrových reaktoroch.

Plány ťažby hélia-3 na Mesiaci

Hélium-3 je vedľajším produktom reakcií prebiehajúcich na Slnku. Na Zemi sa ťaží vo veľmi malom množstve, odhaduje sa na niekoľko desiatok gramov ročne.

Nestabilný (menej ako deň): 5 On: Hélium-5, 6 On: Hélium-6, 7 On: Hélium-7, 8 On: Hélium-8, 9 On: Hélium-9, 10 On: Hélium-10

Nadácia Wikimedia. 2010.

Pozrite sa, čo je „Hélium-3“ v iných slovníkoch:

- (lat. Hélium) He, chemický prvok skupiny VIII periodickej sústavy, atómové číslo 2, atómová hmotnosť 4,002602, patrí medzi vzácne plyny; bezfarebný a bez zápachu, hustota 0,178 g/l. Je ťažšie skvapalniť ako všetky známe plyny (pri 268,93 ° C); ... ... Veľký encyklopedický slovník

- (grécky, z helyos slnko). Elementárne teleso objavené v slnečnom spektre a prítomné na Zemi v niektorých vzácnych mineráloch; je prítomný vo vzduchu v stopových množstvách. Slovník cudzích slov zahrnutých v ruskom jazyku. Chudinov A.N ... Slovník cudzích slov ruského jazyka

- (symbol He), plynný nekovový prvok, ušľachtilý plyn, objavený v roku 1868. Prvýkrát získaný z minerálu clevit (odroda uranitu) v roku 1895. V súčasnosti je jeho hlavným zdrojom zemný plyn. Tiež obsiahnuté v... Vedecko-technický encyklopedický slovník

Ja, manžel. , starý Eliy, I. Otec: Gelievich, Gelievna Deriváty: Gelya (Gela); Elya.Pôvod: (Z gréc. hēlios sun.) Meniny: 27. júl Slovník osobných mien. Hélium Pozri Ellius. Denný anjel. Referenčné… Slovník osobných mien

HÉLIUM- chem. prvok, symbol He (lat. Hélium), at. n. 2, o. m, 4,002, označuje inertné (ušľachtilé) plyny; bezfarebný a bez zápachu, hustota 0,178 kg/m3. Za normálnych podmienok je vodík monatomický plyn, ktorého atóm pozostáva z jadra a dvoch elektrónov; tvorené... Veľká polytechnická encyklopédia

Hélium-tri. Zvláštna a nezrozumiteľná fráza. Čím ďalej, tým viac to však budeme počuť. Pretože podľa odborníkov je to hélium-tri, ktoré zachráni náš svet pred hroziacou energetickou krízou. A v tomto podniku má najaktívnejšiu úlohu Rusko.

Mesiac

Sľubná termonukleárna energia, ktorá ako základ využíva deutériovo-tríciovú fúznu reakciu, hoci je bezpečnejšia ako energia jadrového štiepenia, ktorá sa využíva v moderných jadrových elektrárňach, má stále množstvo významných nedostatkov.

Po prvé, táto reakcia uvoľňuje oveľa väčší (rádovo!) počet vysokoenergetických neutrónov. Žiadny zo známych materiálov nevydrží taký intenzívny tok neutrónov viac ako šesť rokov – napriek tomu, že má zmysel vyrábať reaktor so zdrojom aspoň na 30 rokov. V dôsledku toho bude potrebné vymeniť prvú stenu tríciového fúzneho reaktora - a to je veľmi komplikovaný a nákladný postup, ktorý je spojený aj s odstavením reaktora na pomerne dlhú dobu.
Po druhé, je potrebné chrániť magnetický systém reaktora pred silným neutrónovým žiarením, čo komplikuje, a teda zvyšuje náklady na projekt.
Po tretie, mnohé prvky konštrukcie tríciového reaktora po ukončení prevádzky budú vysoko aktívne a budú si vyžadovať dlhodobé zakopanie v skladovacích zariadeniach špeciálne vytvorených na tento účel.

V prípade použitia deutéria s izotopom hélia-3 namiesto trícia v termonukleárnom reaktore možno väčšinu problémov vyriešiť. Intenzita toku neutrónov klesne 30-násobne - podľa toho je možné jednoducho zabezpečiť životnosť 30-40 rokov. Po ukončení prevádzky héliového reaktora nevzniká vysokoaktívny odpad a rádioaktivita konštrukčných prvkov bude taká nízka, že ich možno pochovať doslova na mestskom smetisku jemne posypanom zeminou.

Aký je problém? Prečo stále nepoužívame také ziskové jadrové palivo?

Analýza šiestich vzoriek pôdy privezených expedíciami Apollo a dvoch vzoriek dodaných sovietskymi automatickými stanicami. Mesiac“, ukázali, že regolit pokrývajúci všetky moria a náhorné plošiny Mesiaca obsahuje až 106 ton hélia-3, čo by pokrylo potreby zemskej energie, dokonca niekoľkonásobne zvýšenej v porovnaní s modernými, na celé tisícročie! Podľa moderných odhadov sú zásoby hélia-3 na Mesiaci o tri rády väčšie - 109 ton.

Projekty výroby hélia-3

Regolit pokrýva Mesiac vrstvou hrubou niekoľko metrov. Regolit mesačných morí je bohatší na hélium ako regolit náhorných plošín. 1 kg hélia-3 obsahuje približne 100 000 ton regolitu.

Preto na extrakciu vzácneho izotopu je potrebné spracovať obrovské množstvo drobivej lunárnej pôdy.

Ak vezmeme do úvahy všetky vlastnosti, technológia výroby hélia-3 by mala zahŕňať nasledujúce procesy:

1. Ťažba regolitu.

Špeciálne „kombajny“ odoberú regolit z povrchovej vrstvy o hrúbke cca 2 m a doručia ho na spracovateľské miesta alebo spracujú priamo v procese ťažby.

2. Uvoľňovanie hélia z regolitu.

3. Doručenie na Zem opakovane použiteľnou kozmickou loďou.

Hlavný technologický problém

Na ceste k vytváraniu energie na báze hélia-3 je jeden dôležitý problém. Faktom je, že reakcia deutérium-hélium-3 sa realizuje oveľa ťažšie ako reakcia deutérium-trícium.

V prvom rade je mimoriadne ťažké zapáliť zmes týchto izotopov. Vypočítaná teplota, pri ktorej bude prebiehať termonukleárna reakcia v zmesi deutérium-trícium, je 100-200 miliónov stupňov. Pri použití hélia-3 je potrebná teplota o dva rády vyššia. V skutočnosti musíme na Zemi zapáliť malé slnko.

História rozvoja jadrovej energetiky (posledné polstoročie) však preukazuje nárast generovaných teplôt rádovo o 10 rokov. V roku 1990 sa už na európskom tokamaku JET spaľovalo hélium-3, pričom výsledný výkon bol 140 kW. Približne v rovnakom čase dosiahol americký tokamak TFTR teplotu potrebnú na spustenie reakcie v zmesi deutérium-hélium.

Zapáliť zmes je však polovica úspechu. Negatívnou stránkou termonukleárnej energie je náročnosť získania praktických výnosov, pretože pracovným telom je plazma zahriata na mnoho miliónov stupňov, ktorá sa musí udržiavať v magnetickom poli.

Experimenty s krotením plazmy sa uskutočňujú už dlhé desaťročia, ale až koncom júna minulého roku v Moskve podpísali zástupcovia viacerých krajín dohodu o výstavbe Medzinárodného termonukleárneho experimentálneho reaktora (ITER) na juhu Francúzska v r. mesto Cadarache, prototyp praktickej termonukleárnej elektrárne. ITER bude využívať ako palivo deutérium a trícium.

Fúzny reaktor s héliom-3 bude štrukturálne zložitejší ako ITER a zatiaľ nie je ani v projektoch. A hoci odborníci dúfajú, že prototyp reaktora hélium-3 sa objaví v najbližších 20-30 rokoch, pričom táto technológia zostáva čistou fantáziou.

Otázku produkcie hélia-3 analyzovali odborníci počas vypočutí o budúcom prieskume a prieskume Mesiaca, ktoré sa konalo v apríli 2004 v Podvýbore pre vesmír a letectvo Výboru pre vedu Poslaneckej snemovne Kongresu USA. Ich záver bol jednoznačný: aj v ďalekej budúcnosti je ťažba hélia-3 na Mesiaci úplne nerentabilná.

Ako povedal John Logsdon, riaditeľ Space Policy Institute vo Washingtone: „Americká vesmírna komunita nepovažuje ťažbu hélia-3 za vážnu výhovorku na návrat na Mesiac. Letieť tam pre tento izotop je ako poslať Kolumba do Indie po urán pred päťsto rokmi. Môže to priniesť a aj by to priniesol, len pár stoviek rokov by nikto nevedel, čo s tým.

Ťažba hélia-3 ako národný projekt

„Teraz hovoríme o termonukleárnej energii budúcnosti a novom ekologickom type paliva, ktoré nie je možné vyrobiť na Zemi. Hovoríme o priemyselnom rozvoji mesiaca na ťažbu hélia-3.

Toto vyhlásenie šéfa raketovej a vesmírnej korporácie Energia Nikolaja Sevastjanova vnímali ruskí vedeckí pozorovatelia ako žiadosť o sformovanie nového „národného projektu“.

V skutočnosti jednou z hlavných funkcií štátu, najmä v 20. storočí, bolo práve formulovanie úloh pre spoločnosť na hranici predstavivosti. To platilo aj pre sovietsky štát: elektrifikácia, industrializácia, vytvorenie atómovej bomby, prvý satelit, obrat riek.

Dnes sa v Ruskej federácii štát snaží, no nie je schopný formulovať úlohy na hranici nemožného. Štát potrebuje niekoho, kto mu ukáže celoštátny projekt a zdôvodní výhody, ktoré z tohto projektu teoreticky plynú. Program vývoja a výroby hélia-3 z Mesiaca na Zem za účelom zásobovania termonukleárnou energiou palivom ideálne spĺňa tieto požiadavky.

„Len si myslím, že je nedostatok v nejakom veľkom technologickom probléme,“ povedal v rozhovore Alexander Zacharov, doktor fyzikálnych a matematických vied, vedecký tajomník Inštitútu pre výskum vesmíru Ruskej akadémie vied. - Možno z tohto dôvodu sa nedávno objavili všetky tieto reči o výrobe hélia-3 na Mesiaci pre termonukleárnu energiu. Ak Mesiac- zdroj minerálov, a odtiaľ niesť toto hélium-3, ale na Zemi nie je dostatok energie ... To všetko je pochopiteľné, znie to veľmi pekne. A na to je možno ľahké presvedčiť vplyvných ľudí, aby pridelili peniaze. Myslím si".

Tento izotop sa plánuje ťažiť na Mesiaci pre potreby termonukleárnej energie. To je však záležitosť ďalekej budúcnosti. Napriek tomu je dnes hélium-3 mimoriadne žiadané, najmä v medicíne.

Vladimír Teslenko

Celkové množstvo hélia-3 v zemskej atmosfére sa odhaduje len na 35 000 ton.Jeho prúdenie z plášťa do atmosféry (cez sopky a zlomy v kôre) je niekoľko kilogramov ročne. V lunárnom regolite sa hélium-3 postupne nahromadilo počas stoviek miliónov rokov vystavenia slnečnému vetru. Výsledkom je, že tona lunárnej pôdy obsahuje 0,01 g hélia-3 a 28 g hélia-4; tento pomer izotopov (~0,04 %) je oveľa vyšší ako v zemskej atmosfére.

Ambiciózne plány na ťažbu hélia-3 na Mesiaci, o ktorých vážne uvažujú nielen vesmírni lídri (Rusko a USA), ale aj nováčikovia (Čína a India), sú spojené s nádejami vkladanými do tohto izotopu. zo strany energetického priemyslu. Jadrová reakcia 3He+D→4He+p má množstvo výhod oproti najviac dosiahnuteľnej reakcii deutérium-trícium T+D→4He+n v pozemských podmienkach.

Tieto výhody zahŕňajú desaťkrát nižší tok neutrónov z reakčnej zóny, čo dramaticky znižuje indukovanú rádioaktivitu a degradáciu konštrukčných materiálov reaktora. Navyše jeden z reakčných produktov, protóny, sa na rozdiel od neutrónov ľahko zachytávajú a môžu sa použiť na výrobu ďalšej elektriny. Hélium-3 aj deutérium sú zároveň neaktívne, ich skladovanie si nevyžaduje špeciálne opatrenia a v prípade havárie reaktora s odtlakovaním aktívnej zóny je rádioaktivita výpustu blízka nule. Reakcia hélium-deutérium má aj vážnu nevýhodu – výrazne vyšší teplotný prah (na spustenie reakcie je potrebná teplota rádovo miliardy stupňov).

Hoci je to všetko otázkou budúcnosti, hélium-3 je mimoriadne žiadané aj teraz. Pravda, nie pre energetiku, ale pre jadrovú fyziku, kryogénny priemysel a medicínu.

Magnetická rezonancia

Magnetická rezonancia (MRI) sa od svojho vzniku v medicíne stala jednou z hlavných diagnostických metód, ktoré umožňujú nahliadnuť „do vnútra“ rôznych orgánov bez akejkoľvek ujmy.

Približne 70 % hmoty ľudského tela pripadá na vodík, ktorého jadro, protón, má určitý spin a s ním spojený magnetický moment. Ak je protón umiestnený vo vonkajšom konštantnom magnetickom poli, spin a magnetický moment sú orientované buď pozdĺž poľa, alebo k nemu a energia protónu v prvom prípade bude menšia ako v druhom. Protón možno preniesť z prvého stavu do druhého tak, že sa mu prenesie presne definovaná energia rovnajúca sa rozdielu medzi týmito energetickými hladinami, napríklad ožiarením kvantami elektromagnetického poľa s určitou frekvenciou.

Ako magnetizovať hélium-3

Najjednoduchší a najpriamejší spôsob magnetizácie hélia-3 je ochladzovať ho v silnom magnetickom poli. Účinnosť tejto metódy je však veľmi nízka, navyše si vyžaduje silné magnetické polia a nízke teploty. Preto sa v praxi využíva metóda optického čerpania – prenos spinu na atómy hélia z polarizovaných fotónov pumpy. V prípade hélia-3 k tomu dochádza v dvoch fázach: optické čerpanie v metastabilnom stave a spinová výmena medzi atómami hélia v základnom a metastabilnom stave. Technicky sa to realizuje ožiarením článku héliom-3, prevedeného do metastabilného stavu slabým vysokofrekvenčným elektrickým výbojom, s kruhovým polarizačným laserovým žiarením za prítomnosti slabého magnetického poľa. Polarizované hélium možno skladovať v nádobe vystlanej céziom pri tlaku 10 atmosfér asi 100 hodín.

Presne takto funguje MRI skener, len nezisťuje jednotlivé protóny. Ak umiestnime vzorku obsahujúcu veľké množstvo protónov do silného magnetického poľa, potom budú počty protónov s magnetickým momentom smerujúcim pozdĺž a proti poľu približne rovnaké. Ak začneme túto vzorku ožarovať elektromagnetickým žiarením presne definovanej frekvencie, všetky protóny s magnetickým momentom (a rotáciou) „pozdĺž poľa“ sa obrátia a zaujmú polohu „smerom k poľu“. V tomto prípade dochádza k rezonančnému pohlcovaniu energie a počas procesu návratu do východiskového stavu, nazývaného relaxácia, dochádza k opätovnému vyžarovaniu prijatej energie, ktorú je možné zistiť. Tento jav sa nazýva nukleárna magnetická rezonancia, NMR. Priemerná polarizácia látky, od ktorej závisí užitočný signál v NMR, je priamo úmerná sile vonkajšieho magnetického poľa. Na získanie signálu, ktorý je možné detegovať a oddeliť od šumu, je potrebný supravodivý magnet – len ten dokáže vytvoriť magnetické pole s indukciou rádovo 1-3 T.

magnetický plyn

MR tomograf „vidí“ protónové zhluky, preto je výborný na štúdium a diagnostiku mäkkých tkanív a orgánov obsahujúcich veľké množstvo vodíka (hlavne vo forme vody) a tiež umožňuje rozlíšiť magnetické vlastnosti molekúl. Týmto spôsobom môžete povedzme rozlíšiť arteriálnu krv obsahujúcu hemoglobín (hlavný nosič kyslíka v krvi) od venóznej krvi obsahujúcej paramagnetický deoxyhemoglobín - to je základ fMRI (funkčná MRI), ktorá umožňuje sledovať aktivitu mozgu neuróny.

Ale, bohužiaľ, taká úžasná technika ako MRI je úplne nevhodná na štúdium pľúc naplnených vzduchom (aj keď ich naplníte vodíkom, signál z plynného média s nízkou hustotou bude príliš slabý na pozadí hluku). A mäkké tkanivá pľúc nie sú pomocou MRI veľmi dobre viditeľné, pretože sú „porézne“ a obsahujú málo vodíka.

Je možné toto obmedzenie obísť? Je to možné, ak použijete „magnetizovaný“ plyn – v tomto prípade nebude priemerná polarizácia určená vonkajším poľom, pretože všetky (alebo takmer všetky) magnetické momenty budú orientované jedným smerom. A to vôbec nie je fikcia: v roku 1966 dostal francúzsky fyzik Alfred Kastler Nobelovu cenu so znením „Za objav a vývoj optických metód na štúdium Hertzových rezonancií v atómoch“. Zaoberal sa problematikou optickej polarizácie spinových systémov - teda práve "magnetizácie" plynov (najmä hélia-3) pomocou optického čerpania pri rezonančnej absorpcii fotónov s kruhovou polarizáciou.

Jadrová magnetická rezonancia využíva magnetické vlastnosti jadier vodíka – protónov. Bez vonkajšieho magnetického poľa sú magnetické momenty protónov ľubovoľne orientované (ako na prvom obrázku). Keď sa aplikuje silné magnetické pole, magnetické momenty protónov sú orientované rovnobežne s poľom, buď "pozdĺž" alebo "smerom". Tieto dve polohy majú rôzne energie (2). Rádiofrekvenčný impulz s rezonančnou frekvenciou zodpovedajúcou rozdielu energií „obracia“ magnetické momenty protónov „smerom“ k poľu (3). Po skončení rádiofrekvenčného impulzu dôjde k spätnému „preklopeniu“ a protóny vyžarujú na rezonančnej frekvencii. Tento signál prijíma rádiofrekvenčný systém tomografu a používa ho počítač na vytvorenie obrazu (4).

Dýchajte zhlboka

Využitie polarizovaných plynov v medicíne bolo priekopníkom skupiny výskumníkov z Princetonskej a New York University v Stony Brook. V roku 1994 vedci publikovali článok v časopise Nature, ktorý ukazuje prvý MRI obraz myších pľúc.

Je pravda, že magnetická rezonancia nie je celkom štandardná - technika bola založená na odozve nie jadier vodíka (protónov), ale jadier xenónu-129. Okrem toho plyn nebol celkom obyčajný, ale hyperpolarizovaný, teda vopred „magnetizovaný“. Zrodila sa tak nová diagnostická metóda, ktorá sa čoskoro začala využívať aj v humánnej medicíne.

Hyperpolarizovaný plyn (zvyčajne zmiešaný s kyslíkom) vstupuje do najvzdialenejších kútov pľúc, čo umožňuje získať MRI obraz s rozlíšením, ktoré je rádovo vyššie ako najlepšie röntgenové lúče. Dokonca je možné zostaviť podrobnú mapu parciálneho tlaku kyslíka v každej oblasti pľúc a následne vyvodiť závery o kvalite prietoku krvi a difúzii kyslíka v kapilárach. Táto technika umožňuje študovať povahu pľúcnej ventilácie u astmatikov a kontrolovať dýchací proces kritických pacientov na úrovni alveol.

Ako funguje MRI. MRI skener deteguje zhluky protónov – jadrá atómov vodíka. Preto MR zobrazovanie ukazuje rozdiely v obsahu vodíka (hlavne vody) v rôznych tkanivách. Existujú aj iné spôsoby na rozlíšenie jedného tkaniva od druhého (povedzme rozdiely v magnetických vlastnostiach), ktoré sa používajú v špecializovaných štúdiách.

Výhody MRI s použitím hyperpolarizovaných plynov nie sú obmedzené na toto. Keďže plyn je hyperpolarizovaný, užitočná úroveň signálu je oveľa vyššia (asi 10 000-krát). To znamená, že nie sú potrebné super silné magnetické polia a vedie to k návrhu takzvaných nízkopoľných MRI skenerov – sú lacnejšie, mobilnejšie a oveľa priestrannejšie. V takýchto inštaláciách sa používajú elektromagnety, ktoré vytvárajú pole rádovo 0,005 T, čo je stokrát slabšie ako štandardné MRI skenery.

malá prekážka

Hoci prvé experimenty v tejto oblasti boli vykonané s hyperpolarizovaným xenónom-129, čoskoro bol nahradený héliom-3. Je neškodný, vytvára ostrejšie obrázky ako xenón-129 a má trikrát väčší magnetický moment, čo má za následok silnejší NMR signál. Navyše, obohatenie xenónu-129 v dôsledku blízkosti hmoty s inými izotopmi xenónu je nákladný proces a dosiahnuteľná polarizácia plynu je výrazne nižšia ako u hélia-3. Okrem toho má xenón-129 sedatívny účinok.

Ale ak sú nízkopoľné tomografy jednoduché a lacné, prečo sa teraz na každej klinike nepoužíva MRI s hyperpolarizovaným héliom? Je tu jedna prekážka. Ale čo!

Dedičstvo studenej vojny

Jediný spôsob, ako získať hélium-3, je rozpad trícia. Veľká časť zásob 3He vďačí za svoj pôvod rozpadu trícia produkovaného počas pretekov v jadrovom zbrojení počas studenej vojny. V Spojených štátoch sa do roku 2003 nahromadilo približne 260 000 litrov „surového“ (nečisteného) hélia-3 a do roku 2010 zostalo len 12 000 litrov nevyužitého plynu. V súvislosti s rastúcim dopytom po tomto vzácnom plyne bola v roku 2007 dokonca obnovená výroba obmedzených množstiev trícia a do roku 2015 sa plánuje príjem ďalších 8 000 litrov hélia-3 ročne. Ročný dopyt po ňom je zároveň už minimálne 40 000 litrov (z toho len 5 % sa využíva v medicíne). V apríli 2010 americký výbor pre vedu a technológiu dospel k záveru, že nedostatok hélia-3 by viedol k skutočným negatívnym dôsledkom pre mnohé oblasti. Dokonca aj vedci pracujúci v americkom jadrovom priemysle majú problém získať hélium-3 zo štátnych zásob.

Miešacie chladenie

Ďalším odvetvím, ktoré sa nezaobíde bez hélia-3, je kryogénny priemysel. Na dosiahnutie ultranízkych teplôt, tzv. riediaca chladnička, ktorá využíva efekt rozpúšťania hélia-3 na hélium-4. Pri teplotách pod 0,87 K sa zmes rozdelí na dve fázy, bohaté na hélium-3 a hélium-4. Prechod medzi týmito fázami si vyžaduje energiu, a to umožňuje ochladenie na veľmi nízke teploty - až 0,02 K. Najjednoduchšie takéto zariadenie má dostatočnú zásobu hélia-3, ktoré sa postupne presúva cez rozhranie do fázy bohatej na hélium-4 s absorpcia energie. Keď dôjde zásoba hélia-3, zariadenie nebude môcť ďalej pracovať - je "na jedno použitie".
Práve tento spôsob chladenia bol použitý najmä v Planckovom orbitálnom observatóriu Európskej vesmírnej agentúry. Planckovou úlohou bolo zaznamenať anizotropiu CMB (s teplotou okolo 2,7 K) s vysokým rozlíšením pomocou 48 HFI (High Frequency Instrument) bolometrických detektorov ochladených na 0,1 K. Pred vyčerpaním zásoby hélia-3 v chladiacom systéme , Planckovi sa podarilo nasnímať 5 obrázkov oblohy v mikrovlnnej oblasti.

Aukčná cena hélia-3 sa pohybuje okolo 2 000 USD za liter a nepozoruje sa žiadny klesajúci trend. Nedostatok tohto plynu je spôsobený tým, že väčšina hélia-3 sa používa na výrobu detektorov neutrónov, ktoré sa používajú v zariadeniach na detekciu jadrových materiálov. Takéto detektory registrujú neutróny podľa reakcie (n, p) - záchytu neutrónu a emisie protónu. A na odhalenie pokusov o dovoz jadrových materiálov je potrebných veľa takýchto detektorov – státisíce kusov. Práve z tohto dôvodu sa hélium-3 stalo fantasticky drahým a pre masovú medicínu nedostupné.

Nádeje však existujú. Pravda, nepriraďujú sa k lunárnemu héliu-3 (jeho produkcia je zatiaľ vzdialená perspektíva), ale k tríciu, ktoré vzniká v ťažkovodných reaktoroch typu CANDU, ktoré sú prevádzkované v Kanade, Argentíne, Rumunsku, Číne a na juhu Kórea.

Asi máločo v oblasti termonukleárnej energetiky je obklopené mýtmi ako Hélium 3. V 80.-90. rokoch sa aktívne spopularizovalo ako palivo, ktoré by vyriešilo všetky problémy riadenej termonukleárnej fúzie, ako aj jeden z dôvodov, prečo vystúpiť Zem (pretože na jej Zemi je doslova niekoľko stoviek kilogramov a na Mesiaci miliarda ton) a konečne začať skúmať slnečnú sústavu. To všetko je založené na veľmi zvláštnych predstavách o možnostiach, problémoch a potrebách termonukleárnej energie, ktorá dnes neexistuje, o ktorých si povieme.

Stroj na ťažbu hélia3 na Mesiaci je už pripravený, ostáva mu už len nájsť využitie.

Keď hovoria o héliu3, majú na mysli termonukleárne fúzne reakcie He3 + D -> He4 + H alebo He3 + He3 -> 2He4 + 2H. V porovnaní s klasickým D + T -> He4 + n v produktoch reakcie nie sú neutróny, čo znamená, že nedochádza k aktivácii konštrukcie termonukleárneho reaktora superenergetickými neutrónmi. Okrem toho sa za problém považuje fakt, že neutróny z „klasiky“ odnášajú 80 % energie z plazmy, takže rovnováha so samozohrievaním nastáva pri vyššej teplote. Ďalšou pozoruhodnou výhodou verzie s héliom je, že elektrinu možno odstrániť priamo z nabitých častíc reakcie, a nie ohrievaním vody neutrónmi - ako v starých uhoľných elektrárňach.

Takže toto všetko nie je pravda, alebo skôr veľmi malá časť pravdy.

Začnime tým, že pri rovnakej hustote plazmy a optimálnej teplote sa reakcia He3 + D podvolí 40 krát menej uvoľnenie energie na meter kubický pracovnej plazmy. V tomto prípade bude teplota potrebná na minimálne 40-násobné pretrhnutie 10-krát vyššia – 100 keV (resp. jedna miliarda stupňov) oproti 10 pre D + T. Sama o sebe je takáto teplota celkom dosiahnuteľná (rekord pre tokamaky je dnes 50 keV, len dvakrát horší), ale na vytvorenie energetickej bilancie (rýchlosť ochladzovania VS rýchlosť ohrevu vrátane vlastného ohrevu) musíme zvýšiť 50-násobné uvoľnenie energie z kubických metrov reakcie He3 + D, čo sa dá dosiahnuť iba zvýšením hustoty rovnakým 50-násobkom. V kombinácii s desaťnásobným zvýšením teploty to dáva zvýšenie plazmatického tlaku o 500-krát- z 3-5 atm na 1500-2500 atm a rovnaké zvýšenie protitlaku na udržanie tejto plazmy.

Ale obrázky sú inšpiratívne.

Pamätáš, napísal som, že magnety toroidného poľa ITER, ktoré vytvárajú protitlak na plazmu, sú absolútne rekordné produkty, parametre jediné na svete? Fanúšikovia He3 teda navrhujú vyrobiť magnety 500-krát silnejšie.

Dobre, zabudnite na ťažkosti, možno sa im vyplácajú výhody tejto reakcie?

Rôzne termonukleárne reakcie, ktoré sú použiteľné pre CTS. He3 + D dáva o niečo viac energie ako D + T, ale veľa energie sa vynakladá na prekonanie Coulombovho odporu (náboj 3 a nie 2), takže reakcia je pomalá.

Začnime s neutrónmi. Neutróny v priemyselnom reaktore budú vážnym problémom, poškodia materiály nádoby, zohrejú všetky prvky privrátené k plazme natoľko, že ich treba ochladiť slušným množstvom vody. A čo je najdôležitejšie, aktivácia materiálov neutrónmi povedie k tomu, že aj 10 rokov po odstavení termonukleárneho reaktora bude mať tisíce ton rádioaktívnych štruktúr, ktoré sa nedajú ručne rozobrať a ktoré budú starnúť pri skladovaní. na stovky a tisíce rokov. Zbavenie sa neutrónov by zjavne uľahčilo vytvorenie termonukleárnej elektrárne.

Časť energie odnesená neutrónmi. Ak do reaktora pridáte viac He3, môžete ho znížiť na 1 %, ale tým sa ešte viac sprísnia podmienky vznietenia.

Dobre, ale čo priama premena energie nabitých častíc na elektrinu? Experimenty ukazujú, že tok iónov s energiou 100 keV je možné premeniť na elektrickú energiu s účinnosťou 80 %. Nemáme tu neutróny... Teda, nezoberú nám všetku energiu, ktorú môžeme získať len vo forme tepla - zbavme sa parných turbín a dáme iónové kolektory?

Áno, existujú technológie na priamu premenu plazmovej energie na elektrickú energiu, boli aktívne študované v 60-70-tych rokoch a vykazovali účinnosť v oblasti 50-60% (nie 80, treba poznamenať). Táto myšlienka je však zle použiteľná v reaktoroch D + T aj v He3 + D. Prečo je to tak, tento obrázok pomáha pochopiť.

Ukazuje tepelné straty plazmy cez rôzne kanály. Porovnajte D+T a D + He3. Transport je to, čo možno použiť na priamu premenu energie plazmy na elektrinu. Ak nám vo variante D + T všetko odoberú škaredé neutróny, tak v prípade He3 + D všetko odoberie elektromagnetické žiarenie plazmy, hlavne synchrotrón a röntgenové brzdné žiarenie (na obr. Bremsstrahlung). Situácia je takmer symetrická, stále rovnako, je potrebné odvádzať teplo zo stien a stále priamou premenou nemôžeme vytiahnuť viac ako 10-15% energia termonukleárneho spaľovania a zvyšok - staromódny spôsob, cez parný stroj.

Ilustrácia v štúdii o priamej premene energie plazmy v najväčšej otvorenej pasci Gamma-10 v Japonsku.

Okrem teoretických obmedzení existujú aj technické obmedzenia - vo svete (vrátane ZSSR) sa vynaložilo obrovské úsilie na vytvorenie zariadení na priamu premenu energie plazmy na elektrickú pre klasické elektrárne, čo umožnilo zvýšiť účinnosť od 35 % až 55 %. Hlavne založené na generátoroch MHD. 30 rokov práce veľkých tímov sa skončilo zlom - zdrojom inštalácie boli stovky hodín, keď energetici potrebujú tisíce a desaťtisíce. Gigantické množstvo prostriedkov vynaložených na túto technológiu viedlo najmä k tomu, že naša krajina zaostávala vo výrobe energetických plynových turbín a zariadení s paroplynovým cyklom (ktoré dávajú presne rovnaký nárast účinnosti - od 35. na 55 %!).

Mimochodom, pre MHD generátory sú potrebné aj výkonné supravodivé magnety. Tu sú zobrazené magnety SP pre generátor MHD s výkonom 30 MW.