Helyum 3 - geleceğin enerjisi

Petrolümüzün sonsuz olmadığını biliyoruz ve araştırmalar da petrolün yenilenemez bir kaynak olduğu anlamına gelen organik kökenini kanıtladı. Yağ, hidrokarbonların karışımı olan, kırmızı-kahverengi, bazen hemen hemen siyah renkli, bazen de hafif sarı-yeşil ve hatta renksiz yağ olmasına rağmen, kendine özgü bir kokusu olan, tortul kabukta yaygın olan yanıcı yağlı bir sıvıdır. Yeryüzünün; en önemli minerallerden biridir. Yağ, çoğu sıvı hidrokarbon olan yaklaşık 1000 ayrı maddenin bir karışımıdır. Petrol, küresel yakıt ve enerji dengesinde lider konumdadır: toplam enerji kaynakları tüketimindeki payı %48'dir.Bu nedenle bir enerji kaynağı olarak petrol insanlık için çok önemlidir.

Şu anda, ana enerji kaynakları şunlardır: termik santral, termik santral, nükleer santral.

Grafik, yalnızca termik santrallerin, yakıt olarak yenilenemeyen kaynakları kullanan lider bir konuma sahip olabileceğini açıkça göstermektedir: petrol (petrolden elde edilen her türlü yakıt), kömür, gaz.

Hidroelektrik santraller sadece %20'lik bir paya sahiptir ve dünya hidroelektrik santralleri için maksimum sayıda nehir kullanmaya başlasa bile, tüm hidroelektrik santrallerin yaydığı toplam enerji insanlığın ihtiyaçlarını karşılayamayacaktır.

Nükleer santraller dünya enerji üretiminin sadece %17'sini kaplar, atom fisyon reaksiyonunun kullanımı radyasyon şeklinde ciddi sonuçlar doğurur.

Artık gaz, kömür, turba, atom fisyon enerjisi (nükleer enerji) alternatif hammaddeler olarak aktif olarak kullanılmaktadır, ancak enerji üretimi için ham madde olarak petrolün yerini tam olarak alamadıklarını çok iyi biliyoruz. Ve aynı doğal gazın rezervleri sonsuz değil, bu alternatif hammaddeleri kullanarak sadece enerji krizini geciktireceğiz.

Bilim adamları, topukların üzerine gelen sorunun çok iyi farkındalar ve alternatif enerji kaynakları yaratıp araştırıyorlar. Şu anda, bilim adamları aşağıdakilerin kullanımını içeren projeler üzerinde çalışıyorlar:

biyogaz

Biyodizel

biyoetanol

Rüzgar enerjisi

hidrojen enerjisi

Jeotermal enerji

Güneş hücreleri

Nükleer enerji

Termonükleer enerji (Helyum 3 kullanımına dayalı)

Ana bölüm

Öyleyse, her bir alternatifi ayrı ayrı ele alalım.

2.1 Biyogaz

Biyometan, organik atıkların (biyogaz) fermantasyonundan elde edilen bir gazdır. Biyogazın en uygun uygulama alanı, besi çiftliklerinin, konutların ve teknolojik alanların ısıtılmasıdır. Biyogaz ayrıca motor yakıtı olarak da kullanılabilir. Üretilen fazla yakıt, dizel jeneratörler kullanılarak elektriğe dönüştürülebilir.

Biyometan düşük hacimsel enerji konsantrasyonuna sahiptir. Normal şartlar altında kalorifik değeri 1 litredir. biyometan 33 - 36 kJ'dir.

Biyometan, egzoz gazlarındaki zararlı maddelerin konsantrasyonunu azaltan ve motordaki tortu miktarını azaltan yüksek patlama direncine sahiptir.

Bir motor yakıtı olarak biyometan, nakliye motorlarında sıkıştırılmış veya sıvılaştırılmış halde kullanılmalıdır. Bununla birlikte, sıkıştırılmış doğal gaz durumunda olduğu gibi, bir motor yakıtı olarak sıkıştırılmış biyometanın yaygın olarak kullanılmasının ana caydırıcısı, önemli miktarda yakıt silindirinin taşınmasıdır.

Yurtdışında biyogaz elde etme ve kullanma sorununa büyük önem verilmektedir. Kısa sürede dünyanın birçok ülkesinde tam bir biyogaz endüstrisi ortaya çıktı: 1980'de dünyada toplam kapasitesi 1,7-2 milyar metreküp olan yaklaşık 8 milyon biyogaz tesisi olsaydı. yılda m, o zaman şu anda bu rakamlar sadece bir ülkenin biyogaz verimliliğine tekabül ediyor - Çin.

Biyogazın avantajları şunları içerir:

Ek CO 2 emisyonu olmadan enerji alımı .

Kapalı sistemler koku yapmaz veya çok az sızdırır.

Ticaret durumunun iyileştirilmesi ve enerji ithalatçılarına bağımlılığın azaltılması.

Biyogaz elektriği günde 24 saat üretilebilir.

Rüzgara/suya/elektriğe bağlı değildir.

Toprak gübrelemesinin iyileştirilmesi.

2.2 Biyodizel

Biyodizel, bitkisel veya hayvansal yağlara (yağlara) ve bunların esterleşme ürünlerine dayalı bir yakıttır. Dizel yakıtla çeşitli karışımlar halinde motorlu taşıtlarda uygulanır.

Uygulamanın çevresel yönleri:

Biyodizel, deneylerin gösterdiği gibi, suya girdiğinde bitki ve hayvanlara zarar vermez. Ek olarak, neredeyse tamamen biyolojik bozunmaya uğrar: toprakta veya suda mikroorganizmalar biyodizelin %99'unu 28 günde işler, bu da nehir ve göl kirliliğini en aza indirmekten bahsetmemizi sağlar.

Biyodizelin faydaları şunları içerir:

motorun ömrünü uzatan setan sayısı ve yağlayıcılıkta artış;

zararlı emisyonlarda önemli azalma (CO, CO2, SO2, ince parçacıklar ve uçucu organik bileşikler dahil);

Enjektörlerin, yakıt pompalarının ve yakıt besleme kanallarının temizliğini teşvik edin.

Kusurlar

Soğuk mevsimde yakıt deposundan akaryakıt pompasına giden yakıtı ısıtmak veya %20 BİYODİZEL %80 dizel yakıt karışımı kullanmak gerekir.

2.3 Biyoetanol

Biyoetanol, buharları havadan ağır olan sıvı bir alkol yakıtıdır. Mısır, tahıl veya şeker kamışı gibi nişasta veya şeker içeren tarım ürünlerinden üretilir. Alkollü içeceklerin yapıldığı alkolün aksine, yakıt etanol su içermez ve kısaltılmış bir damıtma (beş yerine iki damıtma sütunu) ile üretilir, bu nedenle metanol ve fusel yağlarının yanı sıra benzin içerir, bu da onu içilmez kılar.

Yakıt bazlı biyoetanol, alkollü içeceklerin üretimi için geleneksel gıda alkolüyle hemen hemen aynı şekilde üretilir, ancak birkaç önemli fark vardır.

Etanol, şeker ve nişasta içeren herhangi bir hammaddeden üretilebilir: şeker kamışı ve pancar, patates, Kudüs enginar, mısır, buğday, arpa, çavdar vb.

Biyoetanolün avantajları şunları içerir:

Etanol yüksek oktan sayısına sahiptir

Biyoetanol parçalanabilir ve doğayı kirletmez

su sistemleri

Benzinde %10 etanol egzoz toksisitesini azaltır

CO emisyonlarını %26, nitrojen oksit emisyonlarını azaltın

%5, aerosol parçacıkları %40.

Etanol tek yenilenebilir

kullanılan sıvı yakıt,

benzine katkı maddesi olarak değişiklik gerektirmez

motor tasarımları

Özellikle belirgin eksiklikleri yoktur.

2.4. Rüzgar gücü

Rüzgar enerjisi kontrolsüz bir enerji kaynağıdır. Bir rüzgar çiftliğinin çıktısı, oldukça değişken bir faktör olan rüzgarın gücüne bağlıdır. Buna göre, rüzgar jeneratöründen güç sistemine elektrik çıkışı, hem günlük hem de haftalık, aylık, yıllık ve uzun vadeli olarak oldukça dengesizdir. Enerji sisteminin kendisinin, elbette, rüzgar enerjisi tarafından düzenlenemeyen heterojen enerji yüklerine (enerji tüketimindeki zirveler ve düşüşler) sahip olduğu göz önüne alındığında, rüzgar enerjisinin önemli bir kısmının enerji sistemine dahil edilmesi, istikrarsızlaşmasına katkıda bulunur. Rüzgar enerjisinin, enerji sisteminde (örneğin, gaz türbini santralleri şeklinde) bir güç rezervinin yanı sıra, üretimlerinin heterojenliğini yumuşatmak için mekanizmalar (hidroelektrik santraller veya pompalar şeklinde) gerektirdiği açıktır. depolama santralleri). Rüzgar enerjisinin bu özelliği, onlardan alınan elektriğin maliyetini önemli ölçüde artırmaktadır. Şebekeler, rüzgar türbinlerini şebekeye bağlama konusunda isteksizdir, bu da onların bunu yapmasını gerektiren mevzuata yol açmıştır.

Küçük bağımsız rüzgar türbinleri, elektrik şebekesine bağlanmak için iletim hattının ve şalt sisteminin maliyeti çok yüksek olabileceğinden, şebeke altyapısı ile ilgili sorunlar yaşayabilir.

100 m'den daha yüksek bir yükseklikte büyük bir parçanın (kanat, rotor vb.) değiştirilmesi karmaşık ve pahalı bir girişim olduğundan, büyük rüzgar türbinlerinde önemli onarım sorunları yaşanmaktadır.

Avantajlar:

Çevre dostu.

İnsanlar için güvenli (radyasyon yok, atık yok).

Ana dezavantajlar:

Rüzgar çarkının birim alanı başına düşük enerji yoğunluğu; gün ve mevsim boyunca rüzgar hızında öngörülemeyen değişiklikler, bir rüzgar çiftliğinin rezervasyonunu veya üretilen enerjinin birikmesini gerektirir; insan ve hayvanların yaşam alanları, televizyon iletişimi ve mevsimlik kuş göç yolları üzerinde olumsuz etki.

2.5. hidrojen enerjisi

Hidrojen enerjisi, hidrojenin insanlar, ulaşım altyapısı ve çeşitli üretim alanları tarafından enerji biriktirmek, taşımak ve tüketmek için bir araç olarak kullanılmasına dayanan, insanlık tarafından enerji üretimi ve tüketiminde bir yöndür. Hidrojen, dünya yüzeyinde ve uzayda en yaygın element olarak seçilir, hidrojenin yanma ısısı en yüksektir ve oksijende yanmanın ürünü sudur (yine hidrojen enerjisi döngüsüne dahil edilir). Hidrojen üretmenin birkaç yolu vardır:

doğal gazdan

Kömür gazlaştırma:

Su elektrolizi (*ters reaksiyon)

Biyokütleden hidrojen

Avantajlar:

hidrojen yakıtının ekolojik saflığı.

yenilenebilirlik.

son derece yüksek verimlilik - petrol ve gaz üzerinde çalışan en modern kurulumlardan neredeyse 2,5 kat daha yüksek olan %75.

Hidrojen ayrıca daha ciddi dezavantajlara sahiptir. İlk olarak, serbest gaz halinde, doğada mevcut değildir, yani çıkarılmalıdır. İkincisi, bir gaz olarak hidrojen oldukça tehlikelidir. Hava ile karışımı ilk başta görünmez bir şekilde "yanar", yani ısıyı serbest bırakır ve daha sonra en ufak bir kıvılcımdan kolayca patlar. Hidrojen patlamasının klasik bir örneği, zirkonyumun aşırı ısınması ve üzerine düşen suyun bir sonucu olarak hidrojenin oluştuğu ve daha sonra patladığı Çernobil kazasıdır. Üçüncüsü, hidrojenin düşük bir yoğunluğa sahip olduğu için bir yerde ve büyük kaplarda depolanması gerekir. Ve sadece çok yüksek basınç altında, yaklaşık 300 atmosferde sıkıştırılabilir.

2.6. jeotermal enerji

Volkanların patlaması, gezegenin içindeki muazzam ısının açık bir kanıtıdır. Bilim adamları, Dünya'nın çekirdeğinin sıcaklığını binlerce santigrat derece olarak tahmin ediyor. Bu sıcaklık, bilim adamlarının metallerin ve kayaların yalnızca erimiş halde var olabileceğine inandıkları sıcak iç çekirdekten Dünya yüzeyine kademeli olarak düşer. Jeotermal enerji iki ana şekilde kullanılabilir - elektrik üretmek ve evleri, kurumları ve endüstriyel işletmeleri ısıtmak için. Bu amaçlardan hangisi için kullanılacağı, elimizdeki şekle bağlıdır. Bazen su yerden saf “kuru buhar” şeklinde fışkırır, yani. su damlacıklarının katkısı olmadan buhar. Bu kuru buhar, bir türbini döndürmek ve elektrik üretmek için doğrudan kullanılabilir. Yoğuşma suyu toprağa geri döndürülebilir ve yeterince iyi kalitede ise yakındaki bir su kütlesine boşaltılabilir.

Okyanusun termal enerjisinin dönüşümü.

Okyanus sularının sıcaklık farkını elektrik üretmek için kullanma fikri yaklaşık 100 yıl önce yani 1981 yılında ortaya çıktı. Fransız fizikçi Jacques D. Arsonval, denizlerin güneş enerjisi üzerine bir çalışma yayınladı. O zamanlar, okyanusun termal enerjiyi alma ve depolama yeteneği hakkında çok şey biliniyordu. Okyanus akıntılarının doğum mekanizması ve yüzey ve derin su katmanları arasındaki sıcaklık farklarının oluşumundaki ana düzenlilikler de biliniyordu.

Sıcaklık farkının kullanımı üç ana yönde mümkündür: termoelemanlara dayalı doğrudan dönüşüm, termal makinelerde ısının mekanik enerjiye dönüştürülmesi ve sıcak ve soğuk suyun yoğunluk farkı kullanılarak hidrolik makinelerde mekanik enerjiye dönüştürülmesi.

Avantajlar:

Neredeyse bakım gerektirmezler.

Jeotermal enerji santralinin avantajlarından biri, fosil yakıtlı bir enerji santraline kıyasla, aynı miktarda elektrik üretirken yaklaşık yirmi kat daha az karbondioksit salması ve bu da küresel çevre üzerindeki etkisini azaltmasıdır.

Jeotermal enerjinin ana avantajı, pratik tükenmezliği ve çevresel koşullardan, günün ve yılın zamanından tamamen bağımsız olmasıdır.

Yeraltı termal sularını kullanırken ne gibi sorunlar ortaya çıkar? Bunlardan en önemlisi, atık suyu bir yeraltı akiferine yeniden enjekte etme ihtiyacıdır. Termal sular çok miktarda çeşitli toksik metallerin tuzlarını (örneğin bor, kurşun, çinko, kadmiyum, arsenik) ve bu suların yüzeyde bulunan doğal su sistemlerine deşarjını engelleyen kimyasal bileşikleri (amonyak, fenoller) içerir. .

2.7. Güneş hücreleri

Güneş pilleri nasıl çalışır:

güneş Hücreler (SC'ler), güneş ışığını doğrudan elektriğe dönüştüren malzemelerden yapılır. Şu anda ticari olarak üretilen güneş pillerinin çoğu silikondan yapılmıştır.

Son yıllarda güneş pilleri için yeni malzeme türleri geliştirilmiştir. Örneğin, bakır-indiyum-diselenid ve CdTe'den (kadmiyum tellür) yapılmış ince film güneş pilleri. Bu SC'ler son zamanlarda ticari olarak da kullanılmıştır.

Avantajlar:

Güneşin enerjisi neredeyse sonsuzdur

Çevre dostu

İnsanlar ve doğa için güvenli

Dezavantajları: Güneş enerjisi santrali gece çalışmaz ve sabah ve akşam alacakaranlıkta verimli çalışmaz. Aynı zamanda, güç tüketiminin zirvesi akşam saatlerinde düşüyor. Ayrıca, santral kapasitesi, hava değişiklikleri nedeniyle önemli ölçüde ve beklenmedik şekilde dalgalanabilir. Güneş sabitinin nispeten küçük değeri nedeniyle, güneş enerjisi, elektrik santralleri için geniş arazi alanlarının kullanılmasını gerektirir (örneğin, 1 GW'lık bir elektrik santrali için bu, birkaç on kilometre kare olabilir). Alınan enerjinin çevre temizliğine rağmen, güneş pillerinin kendileri kurşun, kadmiyum, galyum, arsenik vb. Gibi toksik maddeler içerir ve üretimleri birçok başka tehlikeli madde tüketir. Modern fotosellerin sınırlı bir hizmet ömrü vardır (30-50 yıl) ve toplu kullanım yakında çevresel olarak kabul edilebilir bir çözümü olmayan bertaraf etme gibi zor bir sorunu gündeme getirecektir.

2.8.Nükleer enerji

Nükleer enerji (atom enerjisi), nükleer dönüşümler (nükleer reaksiyonlar) sırasında açığa çıkan atom çekirdeğinin iç enerjisi. Nükleer enerjinin kullanımı, ağır çekirdeklerin fisyon zincir reaksiyonlarının ve termonükleer füzyon reaksiyonlarının uygulanmasına dayanır - hafif çekirdeklerin füzyonu; hem bunlara hem de diğer reaksiyonlara enerji salınımı eşlik eder.Örneğin, bir çekirdeğin fisyonunda yaklaşık 200 MeV salınır. 1 g uranyumda bulunan çekirdeklerin tam fisyonuyla, 2.3 * 104 kWh enerji açığa çıkar. Bu, 3 ton kömür veya 2,5 ton petrolün yakılmasıyla elde edilen enerjiye eşdeğerdir. Nükleer reaktörlerde kontrollü bir nükleer fisyon reaksiyonu kullanılır.

Avantajlar:

düşük ve sürdürülebilir (yakıt maliyetine göre) elektrik fiyatları;

Orta düzeyde çevresel etki.

Nükleer santrallerin dezavantajları:

Işınlanmış yakıt tehlikelidir, karmaşık ve pahalı yeniden işleme ve depolama önlemleri gerektirir;

Termal nötronlar üzerinde çalışan reaktörler için değişken güce sahip istenmeyen çalışma modu;

Düşük bir olay olasılığı ile sonuçları son derece şiddetlidir

700-800 MW'dan daha az kapasiteye sahip üniteler için 1 MW kurulu kapasite başına hem spesifik hem de istasyonun inşası, altyapısı ve olası tasfiye durumunda genel olarak gerekli olan büyük sermaye yatırımları.

Yukarıdaki petrol alternatiflerinin hepsinin bir tane var, ancak çok önemli bir dezavantajı var, bir enerji kaynağı olarak yağı TAMAMEN değiştiremezler. Bu durumda sadece termonükleer enerjinin kullanılması yardımcı olabilir.

2.9 Termonükleer enerji

Helyum 3'ün katılımıyla termonükleer enerji, güvenli ve kaliteli bir enerjidir.

termonükleer reaksiyonlar. Döteryum, trityum veya lityumun hafif atomlarının çekirdeklerinin helyum oluşumu ile füzyonu sırasında enerjinin salınması, termonükleer reaksiyonlar sırasında meydana gelir. Bu reaksiyonlara termonükleer denir çünkü sadece çok yüksek sıcaklıklarda gerçekleşebilirler. Aksi takdirde, elektriksel itme kuvvetleri, çekirdeklerin birbirine o kadar yaklaşmasına izin vermez ki, nükleer çekim kuvvetleri harekete geçmeye başlar. Nükleer füzyon reaksiyonları yıldız enerjisinin kaynağıdır. Aynı reaksiyonlar bir hidrojen bombasının patlaması sırasında da gerçekleşir. Kontrollü termonükleer füzyonun Dünya'da uygulanması, insanlığa yeni, pratik olarak tükenmez bir enerji kaynağı vaat ediyor. Bu açıdan en umut verici olanı döteryum ve trityumun füzyon reaksiyonudur.

Nükleer enerjide kullanılan malzemeler yerine bir füzyon reaktöründe helyum-3 izotopu ile döteryum kullanırsanız. Nötron akışının yoğunluğu 30 kat düşer - buna göre, reaktörün 30-40 yıllık hizmet ömrünü kolayca sağlamak mümkündür (yayılan radyasyon miktarı buna göre azalır). Helyum reaktörünün çalışmasının tamamlanmasından sonra, yüksek düzeyde atık üretilmez ve yapısal elemanların radyoaktivitesi o kadar düşük olacaktır ki, hafifçe toprağa serpilmiş bir şehir çöplüğüne tam anlamıyla gömülebileceklerdir.

Sorun nedir? Neden hala bu kadar karlı füzyon yakıtı kullanmıyoruz?

Her şeyden önce, çünkü bu izotop gezegenimizde son derece küçüktür. Güneş'te doğar, bu yüzden bazen "güneş izotopu" olarak adlandırılır. Oradaki toplam kütlesi gezegenimizin ağırlığını aşıyor. Helyum-3, güneş rüzgarı tarafından çevredeki alana taşınır. Dünyanın manyetik alanı bu rüzgarın önemli bir bölümünü saptırır ve bu nedenle helyum-3 Dünya atmosferinin sadece trilyonda birini oluşturur - yaklaşık 4000 ton.Dünya'nın kendisinde daha da azdır - yaklaşık 500 kg.

Ay'da bu izotoptan çok daha fazlası var. Orada, bileşimde sıradan cürufu andıran ay toprağı "regolit" serpiştirilir. Büyük - neredeyse tükenmez rezervlerden bahsediyoruz!

Apollo seferleri ile getirilen altı toprak örneğinin ve Sovyet otomatik Luna istasyonlarının teslim ettiği iki numunenin analizi, Ay'ın tüm denizlerini ve platolarını kaplayan regolitin 106 tona kadar helyum-3 içerdiğini ve bu da dünyanın ihtiyaçlarını karşılayacak 106 tona kadar helyum-3 içerdiğini gösterdi. dünyanın enerjisi, modern olana kıyasla binlerce yıl boyunca birkaç kat arttı! Modern tahminlere göre, Ay'daki helyum-3 rezervleri üç büyüklük sırası daha büyük - 109 ton.

Ay'a ek olarak, dev gezegenlerin yoğun atmosferlerinde helyum-3 bulunabilir ve teorik tahminlere göre, yalnızca Jüpiter'deki rezervleri 1020 tondur ve bu, Dünya'yı zamanın sonuna kadar beslemek için yeterli olacaktır. .

Helyum-3 üretim projeleri

Regolith, Ay'ı birkaç metre kalınlığında bir katmanla kaplar. Ay denizlerinin regoliti, helyum açısından platoların regolitinden daha zengindir. Yaklaşık 100.000 ton regolitte 1 kg helyum-3 bulunur.

Bu nedenle, değerli izotopu çıkarmak için çok miktarda ufalanan ay toprağının işlenmesi gerekir.

Tüm özellikleri dikkate alındığında, helyum-3 üretim teknolojisi aşağıdaki süreçleri içermelidir:

1. Regolitin çıkarılması.

Özel "biçerdöverler" yaklaşık 2 m kalınlığındaki yüzey tabakasından regolit toplayacak ve işleme noktalarına teslim edecek veya doğrudan madencilik sürecinde işleyecektir.

2. Regolitten helyum salınımı.

Regolit 600°C'ye ısıtıldığında, regolitte bulunan helyumun %75'i salınır (desorbe); 800°C'ye ısıtıldığında helyumun neredeyse tamamı salınır. Toz ısıtmanın, güneş ışığına ya plastik lensler ya da aynalar ile odaklanarak özel fırınlarda yapılması önerilmektedir.

3. Yeniden kullanılabilir uzay aracıyla Dünya'ya teslimat.

Helyum-3'ün ekstraksiyonu sırasında, regolitten de çok sayıda madde çıkarılır: hidrojen, su, azot, karbon dioksit, azot, metan, karbon monoksit, ay endüstriyel kompleksini korumak için faydalı olabilir.

Regoliti işlemek ve ondan helyum-3 izotopunu çıkarmak için tasarlanan ilk ay birleştirme projesi, J. Kulchinski grubu tarafından önerildi. Şu anda, özel Amerikan şirketleri, görünüşe göre, NASA'nın aya gelecekteki bir keşif gezisinin özelliklerine karar verdikten sonra yarışmaya sunulacak olan birkaç prototip geliştiriyor.

Ay'a biçerdöver teslim etmenin yanı sıra, depolama tesisleri, yaşanabilir bir üs (tüm ekipman kompleksine hizmet etmek için), bir uzay limanı ve çok daha fazlasını inşa etmeleri gerektiği açıktır. Bununla birlikte, geleneksel enerji taşıyıcı türlerinin (kömür, petrol, doğal gaz) geleceği küresel bir enerji krizinin geldiği gerçeği açısından, Ay'da gelişmiş bir altyapı oluşturmanın yüksek maliyetlerinin cömertçe karşılığını alacağına inanılmaktadır. terk edilmek zorunda.

Petrolün 35-40 yıl içinde biteceğini düşünürsek böyle bir projeyi hayata geçirmek için yeterli zamanımız var. Ve bunu uygulayabilecek ülke gelecekte lider olacak ve eğer çabalarımızı birleştirirsek, daha büyük sonuçlara ve daha hızlı bir zaman diliminde ulaşabiliriz.

Peki neden termonükleer enerji? Çünkü bu:

Her yerde bol ve kullanılabilir yakıta sahip büyük ölçekli enerji kaynağı.

Çok düşük küresel çevresel etki - CO2 emisyonu yok.

- Santralin "günlük işletimi" radyoaktif maddelerin taşınmasını gerektirmez.

Santral güvenlidir ve "erime" veya "kontrolsüz reaksiyon" olasılığı yoktur.

Gelecek nesiller için sorun yaratmayan radyoaktif atık yoktur.

Karlı: 1 GW enerji üretmek için yaklaşık 100 kg döteryum ve bir yıl boyunca kullanmak için 3 ton doğal lityum gerekiyor ve yaklaşık 7 milyar kWh üretiyor.

3. Sonuç

Dolayısıyla enerji, insanlığın rahat varoluşu için gerekli önemli bir kaynaktır. Ve enerjinin çıkarılması, insanlığın ana sorunlarından biridir. Artık petrol, elektrik ve yakıt enerjisi kaynağı olarak aktif olarak kullanılmaktadır, ancak sonsuz değildir ve rezervleri sadece her yıl azalmaktadır. Ve mevcut geliştirilen alternatifler, yağın tamamen değiştirilmesine veya ciddi dezavantajlara sahip olmasına izin vermiyor.

Günümüzde tüm insanlık için gerekli miktarda enerjiyi sağlayabilen ve aynı zamanda ciddi eksiklikleri olmayan tek enerji kaynağı helyum 3 kullanımına dayalı termonükleer enerjidir. Bu reaksiyondan enerji elde etme teknolojisi zahmetli ve gerektirmektedir. büyük yatırımlar, ancak bu şekilde elde edilen enerji çevre dostu ve milyarlarca kilovat olarak hesaplanıyor.

Ucuz ve çevre dostu enerji elde ederseniz, mümkün olduğunca yağı değiştirebilirsiniz, örneğin benzinli motorları elektrikli olanlar lehine terk edebilir, elektrik kullanarak ısı üretebilirsiniz vb. Böylece, kimyasal üretimin hammaddesi olarak yağ, gelecek yüzyıllar için insanlığa yeter.

Bu nedenle (ki helyum 3'ün ana kaynağı olan) Ay'da bir endüstri yaratmak gerekiyor. Bir endüstri yaratmak için bir kalkınma planınız olması gerekir ve bu birkaç yıllık bir meseledir ve ne kadar erken başlarsanız o kadar iyi olur. Çünkü zaten umutsuz bir durumda (örneğin bir enerji krizi sırasında) acilen yapmak zorunda kalırsanız, tamamen farklı masraflarla sonuçlanacaktır.

Ve bu yönde daha hızlı gelişen ülke gelecekte lider konumuna gelecektir. Çünkü enerji gelecek.

4. Kullanılmış literatür listesi

1. http://ru.wikipedia.org/ - dünya ansiklopedisi

2. http://www.zlev.ru/61_59.htm - 61-62 sayılı "Altın Aslan" dergisi - Rus muhafazakar düşüncesinin yayını, Petrol ne zaman bitecek?

3. http://www.vz.ru/society/2007/11/25/127214.html - GÖRÜNÜM / Petrol bittiğinde

4. http://vz.ru/economy/2007/11/1/121681.html - GÖRÜNÜM / Dünyanın petrolü bitiyor

5. http://bio.fizteh.ru/departments/physchemplasm/topl_element.html ->Petrolün alternatifi mi? Moleküler ve Biyolojik Fizik Fakültesi, Moskova Fizik ve Teknoloji Enstitüsü. "Phystech-Portal", "Phystech-Center"

6. http://encycl.accoona.ru/?id=74848 - NÜKLEER ENERJİ - İnternet ansiklopedisi, açıklayıcı sözlük.

7. http://www.vepr.ru/show.html?id=7 - Elektrik nereden geliyor (oluş tarihi)

8. http://www.bioenergy.by/mejdu_1.htm - Biyokütle enerjisi. UNDP/GEF projesi BYE/03/G31 Belarus'ta

9. http://bibliotekar.ru/alterEnergy/37.htm - Rüzgar enerjisinin avantajları ve dezavantajları. Rüzgar enerjisi dönüşüm ilkeleri. Rüzgar gücü

10. http://www.smenergo.ru/hydrogen_enegry/ - Hidrojen enerjisi. Enerji ve enerji.

11. http://works.tarefer.ru/89/100323/index.html Birincil güç kaynakları ve füzyon enerjisi

12. http://tw.org.ua/board/index.php?showtopic=162 - Termonükleer enerji

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

14. http://razrabotka.ucoz.ru/publ/4-1-0-16 - HELYUM-ÜÇ - GELECEĞİN ENERJİSİ - ay programı - Makaleler kataloğu - Geliştirme

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

16. http://www.scienmet.net/ - Rüzgar jeneratörü, rüzgar enerjisi

17. http://oil-resources.info - yakıt kaynakları

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

19.http://www.ruscourier.ru/archive/2593 - hidrojenin dezavantajları

20. http://www.intersolar.ru/geothermal/pressa/rbsgeo.html - Derinlerden gelen enerji - www.intersolar.ru

21.http://web-japan.org/nipponia/nipponia28/en/feature/feature09.html - NIPPONIA No.28 15 Mart 2004

22. http://www.kti.ru/forum/img/usersf/pic_41.doc - alternatif enerji kaynakları

23. http://www.rosnpp.org.ru/aes_preimush.shtml - nükleer santraller

24. http://www.atomstroyexport.ru/nuclear_market/advantage/ - nükleer enerji

25. http://solar-battery.narod.ru/termoyad.htm - termonükleer enerji iş başında

26.http://business.km.ru/magazin/view.asp?id=7B07CB0288D54DC0AC68C60AF246D693 - İş KM.RU. Rus enerji endüstrisinin geleceği biyoyakıtlar ve termonükleer enerjide yatıyor

Kompozisyon ve yapı

Fiziksel özellikler

kullanım

nötron sayaçları

Nötron tespiti için helyum-3 ile doldurulmuş gaz sayaçları kullanılır. Bu, nötron akısını ölçmek için en yaygın yöntemdir. tepki verirler

n+ 3 He → 3 H + 1 H + 0.764 MeV.

Yüklü reaksiyon ürünleri - triton ve proton - orantılı bir sayaç veya bir Geiger-Muller sayacı modunda çalışan bir gaz sayacı tarafından kaydedilir.

Ultra düşük sıcaklıkların elde edilmesi

Sıvı helyum-3'ün helyum-4 içinde çözülmesiyle millikelvin sıcaklıklarına ulaşılır.

İlaç

Polarize helyum-3 (uzun süre saklanabilir) son zamanlarda nükleer manyetik rezonans kullanarak akciğerleri görüntülemek için manyetik rezonans görüntülemede kullanılmıştır.

Fiyat

2009 yılında ortalama helyum-3 fiyatı litre başına 930 dolardı.

Helyum-3 nükleer yakıt olarak

3 He + D → 4 He + p reaksiyonu, karasal koşullar altında en ulaşılabilir döteryum-trityum reaksiyonu T + D → 4 He + n'ye göre bir takım avantajlara sahiptir. Bu faydalar şunları içerir:

Helyum-döteryum reaksiyonunun dezavantajları, önemli ölçüde daha yüksek bir sıcaklık eşiği içerir. Başlamadan önce yaklaşık bir milyar derecelik bir sıcaklığa ulaşılmalıdır.

Şu anda, helyum-3 doğal kaynaklardan çıkarılmaz, ancak trityumun bozunması sırasında yapay olarak oluşturulur. İkincisi, nükleer reaktörlerde boron-10 ve lityum-6'nın ışınlanmasıyla termonükleer silahlar için üretildi.

Ay'da Helyum-3 madencilik planları

Helyum-3, Güneş'te meydana gelen reaksiyonların bir yan ürünüdür. Dünyada, yılda birkaç on gram olduğu tahmin edilen çok küçük miktarlarda çıkarılır.

Kararsız (bir günden az): 5 He: Helyum-5, 6 He: Helyum-6, 7 He: Helyum-7, 8 He: Helyum-8, 9 He: Helyum-9, 10 He: Helyum-10

Wikimedia Vakfı. 2010 .

Diğer sözlüklerde "Helyum-3" in ne olduğunu görün:

- (lat. Helyum) Periyodik sistemin VIII grubunun kimyasal bir elementi, atom numarası 2, atom kütlesi 4.002602, soy gazlara aittir; renksiz ve kokusuz, yoğunluk 0.178 g/l. Bilinen tüm gazlardan daha zordur (268.93 °C'de); ... ... Büyük Ansiklopedik Sözlük

- (Yunanca, helyos güneşinden). Güneş spektrumunda keşfedilen ve yeryüzünde bazı nadir minerallerde bulunan temel bir cisim; havada eser miktarda bulunur. Rus dilinde yer alan yabancı kelimeler sözlüğü. Chudinov A.N ... Rus dilinin yabancı kelimeler sözlüğü

- (Sembol He), gaz halinde metalik olmayan bir element olan NOBLE GAS, 1868'de keşfedildi. İlk olarak 1895'te mineral clevit'ten (çeşitli uranit) elde edildi. Şu anda ana kaynağı doğal gazdır. Ayrıca içerdiği... Bilimsel ve teknik ansiklopedik sözlük

ben, kocam. , eskimiş Eliy, I. Baba: Gelievich, Gelievna Türevler: Gelya (Gela); Elya Menşei: (Yunanca hēlios sun'dan.) İsim günü: 27 Temmuz Kişisel isimler sözlüğü. Helyum Bak Ellius. Gün Melek. Referans … Kişi isimleri sözlüğü

HELYUM- kimya. element, sembol He (lat. Helyum), at. n. 2, de. m. 4.002, inert (soy) gazları ifade eder; renksiz ve kokusuz, yoğunluk 0.178 kg/m3. Normal koşullar altında hidrojen, atomu bir çekirdek ve iki elektrondan oluşan monatomik bir gazdır; oluşturulan... Büyük Politeknik Ansiklopedisi

Helyum-üç. Garip ve anlaşılmaz bir ifade. Ancak, ne kadar ileri gidersek, o kadar çok duyacağız. Çünkü uzmanlara göre dünyamızı yaklaşmakta olan enerji krizinden kurtaracak olan helyum-üçtür. Ve bu girişimde en aktif rol Rusya'ya verildi.

Ay

Modern nükleer santrallerde kullanılan nükleer fisyon enerjisinden daha güvenli olmasına rağmen, temel olarak döteryum-trityum füzyon reaksiyonunu kullanan umut verici termonükleer enerji, hala bir takım önemli dezavantajlara sahiptir.

• birinci olarak, bu reaksiyon çok daha fazla sayıda (büyüklükte!) yüksek enerjili nötronlar serbest bırakır. Bilinen malzemelerin hiçbiri, en az 30 yıllık bir kaynağa sahip bir reaktör yapmanın mantıklı olmasına rağmen, altı yıldan fazla bu kadar yoğun bir nötron akışına dayanamaz. Sonuç olarak, bir trityum füzyon reaktörünün ilk duvarının değiştirilmesi gerekecektir - ve bu, reaktörün oldukça uzun bir süre kapatılmasıyla da ilişkili olan çok karmaşık ve pahalı bir prosedürdür.
• ikinci olarak, reaktörün manyetik sistemini, tasarımın maliyetini karmaşıklaştıran ve buna bağlı olarak artıran güçlü nötron radyasyonundan korumak gerekir.
• Üçüncüsü Trityum reaktörünün tasarımının birçok unsuru işletme sona erdikten sonra oldukça aktif olacak ve bu amaç için özel olarak oluşturulmuş depolama tesislerinde uzun süre gömülmeyi gerektirecektir.

Termonükleer bir reaktörde trityum yerine helyum-3 izotoplu döteryum kullanılması durumunda sorunların çoğu çözülebilir. Nötron akısının yoğunluğu 30 kat düşer - buna göre 30-40 yıllık bir hizmet ömrünü kolayca sağlamak mümkündür. Helyum reaktörünün çalışmasının tamamlanmasından sonra, yüksek düzeyde atık üretilmez ve yapısal elemanların radyoaktivitesi o kadar düşük olacaktır ki, hafifçe toprağa serpilmiş bir şehir çöplüğüne tam anlamıyla gömülebileceklerdir.

Sorun nedir? Neden hala bu kadar karlı füzyon yakıtı kullanmıyoruz?

Her şeyden önce, çünkü bu izotop gezegenimizde son derece küçüktür. Güneş'te doğar, bu yüzden bazen "güneş izotopu" olarak adlandırılır. Oradaki toplam kütlesi gezegenimizin ağırlığını aşıyor. Helyum-3, güneş rüzgarı tarafından çevredeki alana taşınır. Dünyanın manyetik alanı bu rüzgarın önemli bir bölümünü saptırır ve bu nedenle helyum-3 Dünya atmosferinin sadece trilyonda birini oluşturur - yaklaşık 4000 ton.Dünya'nın kendisinde daha da azdır - yaklaşık 500 kg.

Ay'da bu izotoptan çok daha fazlası var. Orada, bileşimde sıradan cürufu andıran ay toprağı "regolit" serpiştirilir. Büyük - neredeyse tükenmez rezervlerden bahsediyoruz!

Apollo seferleri tarafından getirilen altı toprak örneğinin ve Sovyet otomatik istasyonları tarafından teslim edilen iki örneğin analizi " Ay”, Ay'ın tüm denizlerini ve platolarını kaplayan regolitin, bin yıl boyunca modern olanlara kıyasla birkaç kat artan, dünyanın enerjisinin ihtiyaçlarını karşılayacak 106 tona kadar helyum-3 içerdiğini gösterdi! Modern tahminlere göre, Ay'daki helyum-3 rezervleri üç büyüklük sırası daha büyük - 109 ton.

Ay'a ek olarak, dev gezegenlerin yoğun atmosferlerinde helyum-3 bulunabilir ve teorik tahminlere göre, yalnızca Jüpiter'deki rezervleri 1020 tondur ve bu, Dünya'yı zamanın sonuna kadar beslemek için yeterli olacaktır. .

Helyum-3 üretim projeleri

Regolith, Ay'ı birkaç metre kalınlığında bir katmanla kaplar. Ay denizlerinin regoliti, helyum açısından platoların regolitinden daha zengindir. Yaklaşık 100.000 ton regolitte 1 kg helyum-3 bulunur.

Bu nedenle, değerli izotopu çıkarmak için çok miktarda ufalanan ay toprağının işlenmesi gerekir.

Tüm özellikleri dikkate alındığında, helyum-3 üretim teknolojisi aşağıdaki süreçleri içermelidir:

1. Regolitin çıkarılması.

Özel "biçerdöverler" yaklaşık 2 m kalınlığındaki yüzey tabakasından regolit toplayacak ve işleme noktalarına teslim edecek veya doğrudan madencilik sürecinde işleyecektir.

2. Regolitten helyum salınımı.

Regolit 600°C'ye ısıtıldığında, regolitte bulunan helyumun %75'i salınır (desorbe); 800°C'ye ısıtıldığında helyumun neredeyse tamamı salınır. Toz ısıtmanın, güneş ışığına ya plastik lensler ya da aynalar ile odaklanarak özel fırınlarda yapılması önerilmektedir.

3. Yeniden kullanılabilir uzay aracıyla Dünya'ya teslimat.

Helyum-3'ün ekstraksiyonu sırasında, regolitten de çok sayıda madde çıkarılır: hidrojen, su, azot, karbon dioksit, azot, metan, karbon monoksit, ay endüstriyel kompleksini korumak için faydalı olabilir.

Regoliti işlemek ve ondan helyum-3 izotopunu çıkarmak için tasarlanan ilk ay birleştirme projesi, J. Kulchinski grubu tarafından önerildi. Şu anda, özel Amerikan şirketleri, görünüşe göre, NASA'nın aya gelecekteki bir keşif gezisinin özelliklerine karar verdikten sonra yarışmaya sunulacak olan birkaç prototip geliştiriyor.

Ay'a biçerdöver teslim etmenin yanı sıra, depolama tesisleri, yaşanabilir bir üs (tüm ekipman kompleksine hizmet etmek için), bir uzay limanı ve çok daha fazlasını inşa etmeleri gerektiği açıktır. Bununla birlikte, geleneksel enerji taşıyıcı türlerinin (kömür, petrol, doğal gaz) geleceği küresel bir enerji krizinin geldiği gerçeği açısından, Ay'da gelişmiş bir altyapı oluşturmanın yüksek maliyetlerinin cömertçe karşılığını alacağına inanılmaktadır. terk edilmek zorunda.

Ana teknolojik sorun

Helyum-3'e dayalı enerji üretme yolunda önemli bir sorun var. Gerçek şu ki, döteryum-helyum-3 reaksiyonunun uygulanması, döteryum-trityum reaksiyonundan çok daha zordur.

Her şeyden önce, bu izotopların bir karışımını tutuşturmak son derece zordur. Bir döteryum-trityum karışımında bir termonükleer reaksiyonun ilerleyeceği hesaplanan sıcaklık 100-200 milyon derecedir. Helyum-3 kullanırken, gerekli sıcaklık iki kat daha yüksektir. Aslında, Dünya'da küçük bir güneş yakmalıyız.

Bununla birlikte, nükleer enerjinin gelişim tarihi (son yarım yüzyıl), üretilen sıcaklıklarda 10 yıldan fazla bir büyüklük sırasına göre bir artış olduğunu göstermektedir. 1990 yılında, Avrupa JET tokamak'ta helyum-3 zaten yakıldı, sonuçta ortaya çıkan güç 140 kW idi. Aynı zamanda, Amerikan tokamak TFTR, bir döteryum-helyum karışımında reaksiyonu başlatmak için gereken sıcaklığa ulaştı.

Ancak, karışımı tutuşturmak savaşın yarısıdır. Termonükleer enerjinin dezavantajı, pratik getiri elde etmenin zorluğudur, çünkü çalışma gövdesi, manyetik bir alanda tutulması gereken milyonlarca dereceye ısıtılmış plazmadır.

Plazma evcilleştirme deneyleri onlarca yıldır gerçekleştirildi, ancak geçen yılın Haziran ayının sonunda Moskova'da bir dizi ülkenin temsilcileri, Fransa'nın güneyinde Uluslararası Termonükleer Deneysel Reaktörün (ITER) inşası konusunda bir anlaşma imzaladı. Pratik bir termonükleer enerji santralinin prototipi olan Cadarache şehri. ITER yakıt olarak döteryum ve trityum kullanacak.

Bir helyum-3 füzyon reaktörü, yapısal olarak ITER'den daha karmaşık olacak ve şimdiye kadar projelerde bile yok. Ve uzmanlar, önümüzdeki 20-30 yıl içinde bir prototip helyum-3 reaktörünün ortaya çıkacağını umsalar da, bu teknoloji tamamen fantezi olmaya devam ediyor.

Helyum-3 üretimi konusu, Nisan 2004'te ABD Kongresi Temsilciler Meclisi Bilim Komitesi'nin Uzay ve Havacılık Alt Komitesi'nde düzenlenen Ay'ın gelecekteki keşfi ve keşfi konulu oturumlar sırasında uzmanlar tarafından analiz edildi. Sonuçları açıktı: uzak gelecekte bile, Ay'da helyum-3'ün çıkarılması tamamen kârsız.

Washington'daki Uzay Politikası Enstitüsü müdürü John Logsdon'un dediği gibi: “ABD uzay topluluğu, helyum-3 madenciliğini aya dönmek için ciddi bir bahane olarak görmüyor. Bu izotop için oraya uçmak, Kolomb'u beş yüz yıl önce uranyum için Hindistan'a göndermek gibidir. Getirebilir ve getirirdi, ancak birkaç yüz yıl boyunca kimse onunla ne yapacağını bilemezdi.

Ulusal bir proje olarak Helyum-3 madenciliği

“Artık geleceğin termonükleer enerjisinden ve Dünya'da üretilemeyecek yeni bir ekolojik yakıt türünden bahsediyoruz. Helyum-3'ün çıkarılması için ayın endüstriyel gelişiminden bahsediyoruz.

Roket ve uzay şirketi Energia'nın başkanı Nikolai Sevastyanov'un bu açıklaması, Rus bilimsel gözlemciler tarafından yeni bir "ulusal proje" oluşturulması için bir başvuru olarak algılandı.

Gerçekten de, aslında, özellikle 20. yüzyılda devletin temel işlevlerinden biri, tam olarak hayal gücünün eşiğindeki toplum için görevlerin formüle edilmesiydi. Bu aynı zamanda Sovyet devletine de uygulandı: elektrifikasyon, sanayileşme, atom bombasının yaratılması, ilk uydu, nehirlerin dönüşü.

Bugün Rusya Federasyonu'nda devlet deniyor, ancak imkansızın eşiğinde görevleri formüle edemiyor. Devletin kendisine ülke çapında bir proje gösterecek ve bu projeden teorik olarak akan faydaları haklı çıkaracak birine ihtiyacı var. Termonükleer enerjiyi yakıtla sağlamak için Ay'dan Dünya'ya helyum-3 geliştirme ve üretim programı bu gereksinimleri ideal olarak karşılamaktadır.

Rusya Bilimler Akademisi Uzay Araştırmaları Enstitüsü Bilimsel Sekreteri Fiziksel ve Matematiksel Bilimler Doktoru Alexander Zakharov bir röportajda, “Sadece bazı büyük teknolojik problemlerde bir eksiklik olduğunu düşünüyorum” dedi. - Belki de bu nedenle, son zamanlarda termonükleer enerji için Ay'da helyum-3 üretimi hakkındaki tüm bu konuşmalar ortaya çıktı. Eğer bir Ay- Bir mineral kaynağı ve oradan bu helyum-3'ü taşımak için, ancak Dünya'da yeterli enerji yok... Bütün bunlar anlaşılabilir, kulağa çok hoş geliyor. Ve bunun için belki de etkili insanları para ayırmaya ikna etmek kolaydır. Bence de".

Bu izotopun, termonükleer enerji ihtiyaçları için Ay'da çıkarılması planlanıyor. Ancak, bu uzak bir gelecek meselesidir. Bununla birlikte, helyum-3 bugün, özellikle tıpta son derece talep görmektedir.

Vladimir Teslenko

Dünya atmosferindeki toplam helyum-3 miktarının sadece 35.000 ton olduğu tahmin edilmektedir.Mantodan atmosfere akışı (volkanlar ve kabuktaki faylar yoluyla) yılda birkaç kilogramdır. Ay regolitinde, helyum-3, güneş rüzgarına maruz kalan yüz milyonlarca yıl boyunca kademeli olarak birikmiştir. Sonuç olarak, bir ton ay toprağı 0.01 g helyum-3 ve 28 g helyum-4 içerir; bu izotop oranı (~0.04%) Dünya atmosferindekinden çok daha yüksektir.

Sadece uzay liderleri (Rusya ve Amerika Birleşik Devletleri) tarafından değil, aynı zamanda yeni gelenler (Çin ve Hindistan) tarafından da ciddiye alınan Ay'da helyum-3'ün çıkarılması için iddialı planlar, bu izotopa verilen umutlarla bağlantılıdır. enerji endüstrisi tarafından. 3He+D→4He+p nükleer reaksiyonu, karasal koşullar altında en ulaşılabilir döteryum-trityum reaksiyonu T+D→4He+n'ye göre birçok avantaja sahiptir.

Bu avantajlar, reaksiyon bölgesinden on kat daha düşük nötron akışını içerir, bu da reaktör yapısal malzemelerinin indüklenen radyoaktivitesini ve bozulmasını önemli ölçüde azaltır. Ek olarak, reaksiyon ürünlerinden biri olan protonlar, nötronlardan farklı olarak kolayca yakalanır ve ek elektrik üretmek için kullanılabilir. Aynı zamanda, hem helyum-3 hem de döteryum aktif değildir, depolanması özel önlemler gerektirmez ve çekirdeğin basınçsızlaştırılmasıyla bir reaktör kazası olması durumunda, salınımın radyoaktivitesi sıfıra yakındır. Helyum-döteryum reaksiyonunun da ciddi bir dezavantajı vardır - önemli ölçüde daha yüksek bir sıcaklık eşiği (reaksiyonu başlatmak için bir milyar derecelik bir sıcaklık gereklidir).

Bütün bunlar geleceğin meselesi olsa da, helyum-3 şu anda bile son derece talep görüyor. Doğru, enerji için değil, nükleer fizik, kriyojenik endüstri ve tıp için.

Manyetik rezonans görüntüleme

Tıptaki başlangıcından bu yana, manyetik rezonans görüntüleme (MRI), çeşitli organların "içerisine" zarar vermeden bakmanıza izin veren ana tanı yöntemlerinden biri haline geldi.

İnsan vücudunun kütlesinin yaklaşık %70'i, çekirdeği olan protonun belirli bir dönüşü ve bununla ilişkili bir manyetik momenti olan hidrojene düşer. Bir proton harici bir sabit manyetik alana yerleştirilirse, spin ve manyetik moment ya alan boyunca ya da ona doğru yönlendirilir ve ilk durumda protonun enerjisi ikinciden daha az olacaktır. Bir proton, bu enerji seviyeleri arasındaki farka eşit kesin olarak tanımlanmış bir enerji aktarılarak, örneğin belirli bir frekansta elektromanyetik alan kuantasıyla ışınlanarak birinci halden ikinciye aktarılabilir.

Helyum-3 nasıl manyetize edilir

Helyum-3'ü manyetize etmenin en basit ve en doğrudan yolu, onu güçlü bir manyetik alanda soğutmaktır. Ancak bu yöntemin etkinliği çok düşüktür, ayrıca güçlü manyetik alanlar ve düşük sıcaklıklar gerektirir. Bu nedenle, pratikte, optik pompalama yöntemi kullanılır - spinin polarize pompa fotonlarından helyum atomlarına aktarılması. Helyum-3 durumunda, bu iki aşamada gerçekleşir: yarı kararlı durumda optik pompalama ve zemindeki helyum atomları ve yarı kararlı durumlardaki dönüş değişimi. Teknik olarak, bu, zayıf bir manyetik alan varlığında dairesel polarizasyon lazer radyasyonu ile zayıf bir yüksek frekanslı elektrik deşarjı ile yarı kararlı bir duruma aktarılan bir hücrenin helyum-3 ile ışınlanmasıyla gerçekleştirilir. Polarize helyum, sezyumla kaplı bir kapta 10 atmosfer basınçta yaklaşık 100 saat saklanabilir.

Bir MRI tarayıcısı tam olarak böyle çalışır, ancak tek tek protonları algılamaz. Çok sayıda proton içeren bir numuneyi güçlü bir manyetik alana yerleştirirsek, manyetik momenti alan boyunca ve zıt yönde yönlendirilen protonların sayısı yaklaşık olarak eşit olacaktır. Bu örneği kesin olarak tanımlanmış bir frekansın elektromanyetik radyasyonu ile ışınlamaya başlarsak, manyetik momenti (ve dönüşü) “alan boyunca” olan tüm protonlar “alaya doğru” pozisyon alarak dönecektir. Bu durumda, rezonanslı bir enerji emilimi vardır ve gevşeme adı verilen ilk duruma geri dönme süreci sırasında, algılanabilen alınan enerjinin yeniden emisyonu vardır. Bu fenomene nükleer manyetik rezonans, NMR denir. Yararlı sinyalin NMR'ye bağlı olduğu bir maddenin ortalama polarizasyonu, harici manyetik alanın gücü ile doğru orantılıdır. Tespit edilebilen ve gürültüden ayrılabilen bir sinyal elde etmek için süper iletken bir mıknatıs gereklidir - sadece 1-3 T mertebesinde bir indüksiyonla bir manyetik alan oluşturabilir.

manyetik gaz

Bir MR tomografi proton kümelerini "görür", bu nedenle büyük miktarlarda hidrojen içeren (esas olarak su şeklinde) yumuşak dokuları ve organları incelemek ve teşhis etmek için mükemmeldir ve ayrıca moleküllerin manyetik özelliklerini ayırt etmeyi mümkün kılar. Bu şekilde, hemoglobin içeren arteriyel kanı (kandaki ana oksijen taşıyıcısı) paramanyetik deoksihemoglobin içeren venöz kandan ayırt edebilirsiniz - bu, beynin aktivitesini izlemenizi sağlayan fMRI'nin (fonksiyonel MRI) temelidir. nöronlar.

Ancak, ne yazık ki, MRI gibi harika bir teknik, hava dolu akciğerleri incelemek için tamamen uygun değildir (bunları hidrojenle doldursanız bile, düşük yoğunluklu gazlı bir ortamdan gelen sinyal, gürültü arka planına karşı çok zayıf olacaktır). Ve akciğerlerin yumuşak dokuları, "gözenekli" oldukları ve az hidrojen içerdikleri için MRI yardımıyla çok iyi görünmezler.

Bu sınırlamayı aşmak mümkün mü? "Mıknatıslanmış" bir gaz kullanırsanız mümkündür - bu durumda, ortalama polarizasyon harici bir alan tarafından belirlenmeyecektir, çünkü tüm (veya hemen hemen tüm) manyetik momentler bir yöne yönlendirilecektir. Ve bu hiç de kurgu değil: 1966'da Fransız fizikçi Alfred Kastler, "Atomlardaki Hertz rezonanslarını incelemek için optik yöntemlerin keşfi ve geliştirilmesi için" ifadesiyle Nobel Ödülü'nü aldı. Spin sistemlerinin optik polarizasyonu konularını ele aldı - yani, fotonların dairesel polarizasyon ile rezonans absorpsiyonu sırasında optik pompalama kullanarak gazların (özellikle helyum-3) sadece "manyetizasyonu".

Nükleer manyetik rezonans, hidrojen çekirdeklerinin - protonların manyetik özelliklerini kullanır. Harici bir manyetik alan olmadan, protonların manyetik momentleri keyfi olarak yönlendirilir (ilk resimdeki gibi). Güçlü bir manyetik alan uygulandığında, protonların manyetik momentleri alana paralel olarak ya "birlikte" ya da "doğru" olarak yönlendirilir. Bu iki konumun farklı enerjileri vardır (2). Enerji farkına karşılık gelen rezonans frekansına sahip bir radyofrekans darbesi, protonların manyetik momentlerini alana "doğru" "döner" (3). Radyo frekansı darbesinin sona ermesinden sonra, ters bir "dönüş" meydana gelir ve protonlar rezonans frekansında yayar. Bu sinyal tomografın radyofrekans sistemi tarafından alınır ve bilgisayar tarafından görüntüyü oluşturmak için kullanılır (4).

Derin nefes al

Polarize gazların tıpta kullanımına, Stony Brook'taki Princeton ve New York Üniversitesi'nden bir grup araştırmacı öncülük etti. 1994 yılında bilim adamları Nature dergisinde bir fare akciğerinin ilk MRI görüntüsünü gösteren bir makale yayınladılar.

Doğru, MRI oldukça standart değil - teknik, hidrojen çekirdeklerinin (protonlar) değil, ksenon-129 çekirdeklerinin tepkisine dayanıyordu. Ek olarak, gaz oldukça sıradan değildi, ancak hiperpolarizeydi, yani önceden “manyetize edildi”. Böylece, kısa sürede insan tıbbında kullanılmaya başlayan yeni bir teşhis yöntemi doğdu.

Hiperpolarize gaz (genellikle oksijenle karıştırılır), akciğerlerin en uzak köşelerine girer ve bu, en iyi x-ışınlarından daha yüksek bir çözünürlükte bir MRI görüntüsü elde etmeyi mümkün kılar. Akciğerlerin her bölgesindeki kısmi oksijen basıncının ayrıntılı bir haritasını çıkarmak ve ardından kan akışının kalitesi ve kılcal damarlardaki oksijenin difüzyonu hakkında sonuçlar çıkarmak bile mümkündür. Bu teknik, astımlılarda akciğer ventilasyonunun yapısını incelemeyi ve alveol seviyesinde kritik hastaların solunum sürecini kontrol etmeyi mümkün kılar.

MRI nasıl çalışır? Bir MRI tarayıcısı, hidrojen atomlarının çekirdeği olan proton kümelerini algılar. Bu nedenle, MR görüntüleme farklı dokulardaki hidrojen (esas olarak su) içeriğinde farklılıklar gösterir. Bir dokuyu diğerinden ayırmanın (örneğin, manyetik özelliklerdeki farklılıklar) özel çalışmalarda kullanılan başka yolları da vardır.

Hiperpolarize gazlar kullanan MRG'nin avantajları bununla sınırlı değildir. Gaz hiperpolarize olduğundan, faydalı sinyal seviyesi çok daha yüksektir (yaklaşık 10.000 kat). Bu, süper güçlü manyetik alanlara gerek olmadığı ve düşük alanlı MRI tarayıcılarının tasarımına yol açtığı anlamına gelir - bunlar daha ucuz, daha mobil ve çok daha geniştir. Bu tür kurulumlarda, standart MRI tarayıcılarından yüzlerce kat daha zayıf olan 0,005 T mertebesinde bir alan oluşturan elektromıknatıslar kullanılır.

küçük engel

Bu alandaki ilk deneyler hiperpolarize ksenon-129 ile yapılmasına rağmen, kısa süre sonra yerini helyum-3 aldı. Zararsızdır, xenon-129'dan daha keskin görüntüler üretir ve manyetik momentin üç katıdır, bu da daha güçlü bir NMR sinyali sağlar. Ek olarak, kütlenin diğer ksenon izotopları ile yakınlığından dolayı ksenon-129'un zenginleştirilmesi pahalı bir işlemdir ve ulaşılabilir gaz polarizasyonu helyum-3'ünkinden önemli ölçüde daha düşüktür. Ayrıca ksenon-129'un yatıştırıcı bir etkisi vardır.

Ancak düşük alanlı tomografiler basit ve ucuzsa, neden hiperpolarize helyum MRI şimdi her klinikte kullanılmıyor? Bir engel var. Ama ne!

Soğuk Savaş Mirası

Helyum-3 elde etmenin tek yolu trityumun bozunmasıdır. 3He stokunun çoğu, kökenini Soğuk Savaş sırasında nükleer silahlanma yarışı sırasında üretilen trityumun bozulmasına borçludur. Amerika Birleşik Devletleri'nde 2003 yılına kadar yaklaşık 260.000 litre "ham" (saflaştırılmamış) helyum-3 birikmişti ve 2010 yılına kadar sadece 12.000 litre kullanılmamış gaz kaldı. Bu kıt gaza yönelik artan taleple bağlantılı olarak, sınırlı miktarlarda trityum üretimi 2007'de bile restore edildi ve 2015 yılına kadar yılda ek 8000 litre helyum-3 alınması planlanıyor. Aynı zamanda, bunun için yıllık talep zaten en az 40.000 litredir (bunun sadece% 5'i tıpta kullanılmaktadır). Nisan 2010'da ABD Bilim ve Teknoloji Komitesi, helyum-3 eksikliğinin birçok alan için gerçek olumsuz sonuçlara yol açacağı sonucuna vardı. ABD nükleer endüstrisinde çalışan bilim adamları bile devletin stoklarından helyum-3 elde etmekte zorlanıyor.

Karıştırma soğutması

Helyum-3 olmadan yapamayan bir diğer endüstri ise kriyojenik endüstridir. Ultra düşük sıcaklıklar elde etmek için sözde. helyum-3'ün helyum-4'e çözülmesinin etkisini kullanan seyreltme buzdolabı. 0.87 K'nin altındaki sıcaklıklarda karışım, helyum-3 ve helyum-4 açısından zengin iki faza ayrılır. Bu fazlar arasındaki geçiş, enerji gerektirir ve bu, 0,02 K'ye kadar çok düşük sıcaklıklara soğutmaya izin verir. Bu tür en basit cihaz, arayüzden kademeli olarak helyum-4 açısından zengin faza hareket eden yeterli bir helyum-3 kaynağına sahiptir. enerji emilimi. Helyum-3 kaynağı bittiğinde, cihaz daha fazla çalışamaz - "tek kullanımlık".
Avrupa Uzay Ajansı'nın Planck yörünge gözlemevinde kullanılan özellikle bu soğutma yöntemidir. Planck'ın görevi, CMB'nin anizotropisini (yaklaşık 2,7 K sıcaklıkta) 48 HFI (Yüksek Frekans Aleti) bolometrik dedektör kullanarak yüksek çözünürlüklü olarak 0,1 K'ye soğutulmuş olarak kaydetmekti. Soğutma sistemindeki helyum-3 kaynağı tükenmeden önce Planck, mikrodalga aralığında gökyüzünün 5 fotoğrafını çekmeyi başardı.

Helyum-3'ün müzayede fiyatı litre başına 2.000$ civarında dalgalanıyor ve herhangi bir düşüş eğilimi gözlemlenmiyor. Bu gazın eksikliği, helyum-3'ün büyük kısmının nükleer malzemeleri tespit etmek için kullanılan cihazlarda kullanılan nötron dedektörlerini yapmak için kullanılmasından kaynaklanmaktadır. Bu tür dedektörler, nötronları (n, p) reaksiyonuna göre kaydeder - bir nötronun yakalanması ve bir protonun emisyonu. Ve nükleer materyalleri ithal etme girişimlerini tespit etmek için, bu tür birçok dedektör gereklidir - yüz binlerce parça. Bu nedenle helyum-3, fevkalade pahalı ve kitle tıbbına erişilemez hale geldi.

Ancak umutlar var. Doğru, onlar ay helyumu-3'e değil (üretimi uzak bir ihtimal olmaya devam ediyor), ancak Kanada, Arjantin, Romanya, Çin ve Güney'de işletilen CANDU tipi ağır su reaktörlerinde oluşan trityuma atanıyorlar. Kore.

Termonükleer enerji alanında muhtemelen çok az şey Helyum 3 gibi mitlerle çevrilidir. 80'li ve 90'lı yıllarda, kontrollü termonükleer füzyonun tüm sorunlarını çözecek bir yakıt olarak aktif olarak popüler hale geldi ve aynı zamanda çıkış nedenlerinden biri. Dünya (çünkü yeryüzünde kelimenin tam anlamıyla birkaç yüz kilogram ve ayda bir milyar ton) ve sonunda güneş sistemini keşfetmeye başlayın. Bütün bunlar, termonükleer enerjinin olasılıkları, sorunları ve ihtiyaçları hakkında bugün var olmayan ve hakkında konuşacağımız çok garip fikirlere dayanıyor.

Ayda helyum3 madenciliği için makine zaten hazır, yapılacak tek şey bunun için bir kullanım bulmak.

Helyum3 hakkında konuştuklarında, termonükleer füzyon reaksiyonlarını kastediyorlar. He3 + D -> He4 + H veya He3 + He3 -> 2He4 + 2H. Klasikle karşılaştırıldığında D + T -> He4 +n reaksiyon ürünlerinde nötron yoktur, bu da süperenerjetik nötronlar tarafından bir termonükleer reaktör yapısının aktivasyonunun olmadığı anlamına gelir. Ayrıca “klasiklerden” gelen nötronların plazmadan gelen enerjinin %80'ini taşıması bir problem olarak kabul edilir, bu nedenle kendi kendine ısınma dengesi daha yüksek bir sıcaklıkta gerçekleşir. Helyum versiyonunun bir başka kayda değer avantajı, elektriğin, eski kömürle çalışan enerji santrallerinde olduğu gibi, nötronlarla su ısıtmak suretiyle değil, reaksiyonun yüklü parçacıklarından doğrudan çıkarılabilmesidir.

Yani, tüm bunlar doğru değil, daha doğrusu gerçeğin çok küçük bir parçası.

Aynı plazma yoğunluğunda ve optimal sıcaklıkta He3 + D reaksiyonunun vereceği gerçeğiyle başlayalım. 40 kat daha azÇalışma plazmasının metreküp başına enerji salınımı. Bu durumda, en az 40 katlık bir kopma için gereken sıcaklık 10 kat daha yüksek - 100 keV (veya bir milyar derece) D +T için 10'a karşı. Kendi başına, böyle bir sıcaklık oldukça ulaşılabilir (bugün tokamakların rekoru 50 keV, sadece iki kat daha kötü), ancak bir enerji dengesi kurmak için (soğutma hızı VS ısıtma hızı, kendi kendine ısıtma dahil), artırmamız gerekiyor Metreküp He3 + D reaksiyonundan 50 kat enerji salınımı, ancak yoğunluğu aynı 50 kat artırarak yapılabilir. Sıcaklıktaki on kat artışla birlikte bu, plazma basıncında 500 kat artış- 3-5 atm'den 1500-2500 atm'ye ve bu plazmayı tutmak için geri basınçta aynı artış.

Ama resimler ilham verici.

Hatırlayın, plazmaya karşı basınç oluşturan ITER toroidal alanının mıknatıslarının kesinlikle rekor kıran ürünler olduğunu, parametreler açısından dünyada tek olduğunu yazmıştım? Bu nedenle, He3 hayranları mıknatısları 500 kat daha güçlü yapmayı öneriyor.

Tamam, zorlukları unutun, belki bu reaksiyonun avantajları onları öder?

CTS için geçerli olan çeşitli termonükleer reaksiyonlar. He3 + D, D + T'den biraz daha fazla enerji verir, ancak Coulomb itmesinin üstesinden gelmek için çok fazla enerji harcanır (yük 3 ve 2 değil), bu nedenle reaksiyon yavaştır.

Nötronlarla başlayalım. Endüstriyel bir reaktördeki nötronlar, gemi malzemelerine zarar vererek, plazmaya bakan tüm elementleri o kadar çok ısıtarak ciddi bir problem olacaktır ki, yeterli miktarda su ile soğutulmaları gerekecektir. Ve en önemlisi, malzemelerin nötronlar tarafından etkinleştirilmesi, bir termonükleer reaktörün kapatılmasından 10 yıl sonra bile, elle demonte edilemeyen ve depoda yaşlanacak binlerce ton radyoaktif yapıya sahip olacağı gerçeğine yol açacaktır. yüzlerce ve binlerce yıldır. Nötronlardan kurtulmak, açıkçası bir termonükleer enerji santrali yaratmayı kolaylaştıracaktır.

Nötronlar tarafından taşınan enerjinin kesri. Reaktöre daha fazla He3 eklerseniz, bunu %1'e düşürebilirsiniz, ancak bu, ateşleme koşullarını daha da sıkılaştıracaktır.

Tamam, peki ya yüklü parçacıkların enerjisinin doğrudan elektriğe dönüştürülmesi? Deneyler, 100 keV enerjili iyon akışının %80 verimle elektriğe dönüştürülebileceğini göstermektedir. Burada nötronlarımız yok... Yani, sadece ısı şeklinde alabildiğimiz tüm enerjiyi almıyorlar - hadi buhar türbinlerinden kurtulalım ve iyon kollektörleri koyalım mı?

Evet, plazma enerjisinin elektriğe doğrudan dönüştürülmesi için teknolojiler var, 60'lı-70'li yıllarda aktif olarak çalışıldılar ve% 50-60 civarında bir verimlilik gösterdiler (80 değil, not edilmelidir). Ancak bu fikir hem D + T reaktörlerinde hem de He3 + D'de pek uygulanabilir değildir. Bu neden böyle, bu resim anlamaya yardımcı oluyor.

Plazmanın farklı kanallardan ısı kaybını gösterir. D+T ve D + He3'ü karşılaştırın. Taşıma, plazma enerjisini doğrudan elektriğe dönüştürmek için kullanılabilecek şeydir. D + T varyantında, her şey kötü nötronlar tarafından bizden alınırsa, o zaman He3 + D durumunda, her şey plazmanın elektromanyetik radyasyonu, özellikle senkrotron ve X-ışını bremsstrahlung tarafından alınır (resimde Bremsstrahlung). Durum neredeyse simetriktir, aynı şekilde, duvarlardan ısıyı çıkarmak ve yine de doğrudan dönüşümle gereklidir. %10-15'ten fazlasını çekemeyiz termonükleer yanmanın enerjisi ve geri kalanı - bir buhar motoru aracılığıyla eski moda yol.

Japonya'daki en büyük açık tuzak Gamma-10'da doğrudan plazma enerjisi dönüşümü üzerine bir çalışmada illüstrasyon.

Teorik sınırlamalara ek olarak, mühendislik sınırlamaları da var - dünyada (SSCB dahil), geleneksel enerji santralleri için plazma enerjisinin doğrudan elektriğe dönüştürülmesi için tesisler oluşturmak için devasa çabalar harcandı, bu da verimliliği artırmayı mümkün kıldı. %35 ila %55. Esas olarak MHD jeneratörlerine dayalıdır. 30 yıllık büyük ekiplerin çalışması zilch ile sona erdi - kurulumun kaynağı, güç mühendislerinin binlerce ve on binlerce kişiye ihtiyaç duyduğu yüzlerce saatti. Bu teknolojiye harcanan devasa miktardaki kaynak, özellikle, ülkemizin güç gaz türbinleri ve buhar-gaz türbini çevrim santrallerinin (tam olarak aynı verimlilik artışını sağlayan - 35'ten) üretiminde geride kalmasına yol açmıştır. %55'e kadar!).

Bu arada, MHD jeneratörleri için güçlü süper iletken mıknatıslara da ihtiyaç vardır. Burada gösterilenler, 30 MW'lık bir MHD jeneratörü için SP mıknatıslarıdır.