Формула гелію 3. Гелій-три – енергія майбутнього. Склад та будова

Гелій 3 – енергія майбутнього

Всі ми знаємо, що нафта у нас не нескінченна, а дослідження довели ще її органічне походження – це означає, що нафта відноситься до невідновлюваних ресурсів. Нафта - горюча масляниста рідина, що є сумішшю вуглеводнів, червоно-коричневого, іноді майже чорного кольору, хоча іноді зустрічається і слабо забарвлена в жовто-зелений колір і навіть безбарвна нафта, має специфічний запах, поширена в осадовій оболонці Землі; одна з найважливіших корисних копалин. Нафта є сумішшю близько 1000 індивідуальних речовин, з яких більша частина - рідкі вуглеводні. Нафта займає чільне місце у світовому паливно-енергетичному балансі: частка її у загальному споживанні енергоресурсів становить 48 %. Саме тому нафта як джерело енергії, така важлива для людства.

На сьогодні основними джерелами енергії є: ТЕЦ, ТЕС, АЕС.

На графіку чітко видно, що лідируючим становищем може похвалитися тільки ТЕЦ, які як паливо використовують невідновлювані ресурси такі як: нафта (всі види палива, що одержуються з нафти), вугілля, газ.

На частку ГЕС припадає лише 20%, при цьому навіть якщо у світі почати використовувати максимальну кількість річок під ГЕС, сумарна енергія, що виділяється всіма гідроелектростанціями, не здатна буде задовольнити потреби людства.

Атомні електростанції займають лише 17% світового енерговиробництва, використання реакції поділу атома спричиняє серйозні наслідки у вигляді радіації.

Зараз активно як альтернативні сировинні ресурси використовуються газ, вугілля, торф, енергія поділу атома (атомна енергетика). Але ми чудово розуміємо що вони не здатні замінити повністю нафту як сировини для отримання енергії. Та й запаси того ж природного газу не нескінченні, використовуючи дані альтернативні сировинні ресурси, ми лише відстрочимо енергетичну кризу.

Вчені чудово усвідомлюють проблему, що настає на п'яти, і створюють і вивчають альтернативні джерела енергії. На даний момент вчені працюють над проектами, що мають на увазі використання:

Біогаза

Біодизельного паливо

Біоетанол

| Вітроенергетики

¦ Воднева енергетики

| Геотермальна енергії

Сонячних елементів

Атомної енергетики

¦ Термоядерна енергетика (на основі використання Гелія 3)

Основна частина

Отже, розглянемо кожну альтернативу окремо.

2.1.Біогаз

Біометан - газ, отриманий при бродінні органічних відходів (біогаз). Найбільш доцільною сферою застосування біогазу є опалення тваринницьких ферм, житлових приміщень та технологічних ділянок. Також біогаз можна використовувати як моторне паливо. Надлишки отриманого палива можна переробляти на електроенергію за допомогою дизельних генераторів.

Біометан має низьку об'ємну концентрацію енергії. За нормальних умов теплота згоряння 1 л. біометану становить 33 - 36 кДж.

Біометан має високу детонаційну стійкість, що дозволяє знижувати концентрацію шкідливих речовин у відпрацьованих газах та зменшувати кількість відкладень у двигуні.

Біометан як моторне паливо повинен застосовуватися в транспортних двигунах або в стислому або зрідженому стані. Однак основним стримуючим фактором широко застосування стисненого біометану як моторне паливо, як і у випадку зі стисненим природним газом, є транспортування значної маси паливних балонів.

За кордоном проблемі отримання та використання біогазу приділяють велику увагу. За короткий термін у багатьох країнах світу виникла ціла індустрія з виробництва біогазу: якщо 1980 р. у світі налічувалося близько 8 млн. установок отримання біогазу сумарною потужністю 1,7-2 млрд. куб. м на рік, то нині дані показники відповідають продуктивності з біогазу лише однієї країни – Китаю.

До переваг біогазу можна віднести:

Отримання енергії без додаткової емісії CO 2 .

¦ Закриті системи не пропускають або незначно пропускають запахи.

¦ Поліпшення торговельної ситуації та зниження залежності від імпортерів енергії.

Електрику на біогазі можна виробляти 24 години на добу.

¦ Відсутність залежності від вітру/води/електрики.

¦ Поліпшення удобрюваності грунту.

2.2 Біодизельне паливо

Біодизель - паливо на основі рослинних або тваринних жирів (олій), а також продуктів їх етерифікації. Застосовується на автотранспорті у вигляді різних сумішей із дизельним паливом.

Екологічні аспекти застосування:

Біодизель, як показали досліди, при попаданні у воду не завдає шкоди рослинам та тваринам. Крім того, він піддається практично повному біологічному розпаду: у ґрунті або у воді мікроорганізми за 28 днів переробляють 99% біодизеля, що дозволяє говорити про мінімізацію забруднення річок та озер.

До переваг біодизеля можна віднести:

збільшення цетанового числа і змащувальної здатності, що продовжує життя двигуна;

значне зниження шкідливих викидів (включаючи СО, СО2, SO2, дрібні частинки та леткі органічні сполуки);

сприяння очищенню інжекторів, паливних насосів та каналів подачі пального.

Недоліки

У холодну пору року необхідно підігрівати паливо, що йде з паливного бака в паливний насос або застосовувати суміші 20% біодизеля 80% солярки.

2.3.Біоетанол

Біоетанол – це рідке спиртове паливо, пари якого важчі за повітря. Він виробляється із сільськогосподарської продукції, що містить крохмаль чи цукор, наприклад, із кукурудзи, зернових чи цукрової тростини. На відміну від спирту, з якого виробляються алкогольні напої, паливний етанол не містить води і виробляється укороченою дистиляцією (дві колони ректифікації замість п'яти) тому містить метанол і сивушні масла, а також бензин, що робить його непридатним для пиття.

Паливний біоетанол виробляється майже так, як і звичайний харчовий спирт для виробництва алкогольних напоїв, але є кілька суттєвих відмінностей.

Етанол можна виробляти з будь-якої цукро- і крохмало-вмісної сировини: цукрової тростини та буряків, картоплі, топінамбуру, кукурудзи, пшениці, ячменю, жита тощо.

До переваг біоетанолу можна віднести:

Етанол має високе октанове число

Біоетанол розкладаємо і не забруднює природні

водні системи

10% етанолу в бензині знижує токсичність вихлопу

знизити викиди СО на 26%, викиди оксидів азоту

на 5%, аерозольних частинок на 40%.

Етанол є єдиним поновлюваним

рідким паливом, використання якого в

як добавка до бензину не вимагає зміни

конструкції двигунів

Особливо яскраво виражених недоліків немає.

2.4. Вітроенергетика

Вітроенергетика є нерегульованим джерелом енергії. Вироблення вітроелектростанції залежить від сили вітру, фактора, що відрізняється великою мінливістю. Відповідно, видача електроенергії з вітрогененератора в енергосистему відрізняється великою нерівномірністю як у добовому, так і в тижневому, місячному, річному та багаторічному розрізі. Враховуючи, що енергосистема сама має неоднорідності енергонавантаження (піки та провали енергоспоживання), регулювати які вітроенергетика, природно, не може, введення значної частки вітроенергетики в енергосистему сприяє її дестабілізації. Зрозуміло, що вітроенергетика потребує резерву потужності в енергосистемі (наприклад, у вигляді газотурбінних електростанцій), а також механізмів згладжування неоднорідності їхнього вироблення (у вигляді ГЕС або ГАЕС). Ця особливість вітроенергетики істотно подорожчає електроенергію, що отримується від них. Енергосистеми з великим небажанням підключають вітрогенератори до енергомереж, що призвело до появи законодавчих актів, які зобов'язують їх це робити.

Невеликі одиничні вітроустановки можуть мати проблеми з мережевою інфраструктурою, оскільки вартість лінії електропередач та розподільчого пристрою для підключення до енергосистеми може виявитися занадто великою.

Великі вітроустановки мають значні проблеми з ремонтом, оскільки заміна великої деталі (лопаті, ротора тощо) на висоті понад 100 м є складним і дорогим заходом.

Переваги:

Екологічно чисто.

¦ Безпечно для людини (немає радіації, відходів).

Основні недоліки:

Низька щільність енергії, що припадає на одиницю площі вітрового колеса; непередбачувані зміни швидкості вітру протягом доби та сезону, що вимагають резервування вітрової станції або акумулювання виробленої енергії; негативний вплив на довкілля людини і тварин, на телевізійний зв'язок і шляхи сезонної міграції птахів.

2.5. Воднева енергетика

Воднева енергетика - напрямок вироблення та споживання енергії людством, заснований на використання водню як засіб для акумулювання, транспортування та споживання енергії людьми, транспортною інфраструктурою та різними виробничими напрямками. Водень вибраний як найпоширеніший елемент на поверхні землі та в космосі, теплота згоряння водню найбільш висока, а продуктом згоряння в кисні є вода (яка знову вводиться у кругообіг водневої енергетики). Існує кілька способів виробництва водню:

З природного газу

¦ Газифікація вугілля:

Електроліз води (*зворотна реакція)

Водень з біомаси

Переваги:

Екологічна чистота водневого палива.

Поновлюваність.

¦ надзвичайно високий ККД - 75%, що майже в 2,5 рази вище, ніж у найсучасніших установок, що працюють на нафті та газі.

Є у водню і серйозніші недоліки. По-перше, у вільному газоподібному стані він у природі не існує, тобто його треба видобувати. По-друге, водень як газ досить небезпечний. Його суміш із повітрям спочатку незримо "горить", тобто виділяє тепло, а потім легко детонує від найменшої іскри. Класичний приклад водневого вибуху - чорнобильська аварія, коли внаслідок перегріву цирконію та потрапляння на нього води утворився водень, який потім і здетонував. По-третє, водень потрібно десь зберігати, причому у великих ємностях, оскільки він має низьку густину. А стискати його можна лише під дуже високим тиском приблизно в 300 атмосфер.

2.6. Геотермальна енергія

Виверження вулканів наочно свідчить про величезну спеку всередині планети. Вчені оцінюють температуру ядра Землі у тисячі градусів за Цельсієм. Ця температура поступово знижується від гарячого внутрішнього ядра, де, як вважають науковці, метали та породи можуть існувати тільки в розплавленому стані, до Землі. Геотермальна енергія може бути використана двома основними способами - для вироблення електроенергії та для обігріву будинків, установ та промислових підприємств. Для якої з цих цілей вона використовуватиметься, залежить від форми, в якій вона надходить у наше розпорядження. Іноді вода виривається з-під землі як чистого “сухої пари”, тобто. пара без домішки водяних крапельок. Ця суха пара може бути безпосередньо використана для обертання турбіни та вироблення електроенергії. Конденсаційну воду можна повертати в землю і при її досить добрій якості - скидати в ближню водойму.

Перетворення термальної енергії океану.

Ідея використання різниці температур океанських вод для виробництва електроенергії виникла близько 100 років тому, а саме 1981 року. Французький фізик Жак Д, Арсонваль опублікував роботу про сонячну енергію морів. На той час було відомо багато про здатність океану приймати і акумулювати теплову енергію. Був відомий і механізм народження океанських течій та основні закономірності утворення температурних перепадів між поверхневими та глибинними шарами води.

Використання перепаду температур можливе за трьома основними напрямками: безпосереднє перетворення на основі термоелементів, перетворення теплоти в механічну енергію в теплових машинах і перетворення на механічну енергію в гідромашинах з використанням різниці щільностей теплої і холодної води.

Переваги:

Вони практично не потребують технічного обслуговування.

Одна з переваг геотермальної електростанції полягає в тому, що в порівнянні з електростанцією, що спалює органічне паливо, вона виділяє приблизно в двадцять разів менше вуглекислого газу при виробництві такого ж обсягу електрики, що знижує її вплив на глобальне довкілля.

Головною перевагою геотермальної енергії є її практична невичерпність і повна незалежність від умов навколишнього середовища, часу доби та року.

Які проблеми виникають під час використання підземних термальних вод? Головна з них полягає у необхідності зворотного закачування відпрацьованої води у підземний водоносний горизонт. У термальних водах міститься велика кількість солей різних токсичних металів (наприклад, бору, свинцю, цинку, кадмію, миш'яку) та хімічних сполук (аміаку, фенолів), що виключає скидання цих вод у природні водні системи, розташовані на поверхні.

2.7. Сонячні елементи

Принципи роботи сонячних елементів

Сонячні елементи (СЕ) виготовляються з матеріалів, які безпосередньо перетворюють сонячне світло на електрику. Більшість із комерційно що випускаються нині СЕ виготовляється з кремнію.

В останні роки розроблено нові типи матеріалів для СЕ. Наприклад, тонкоплівкові СЕ з мідь-індій-диселеніду та з CdTe (телурид кадмію). Ці СЕ останнім часом також комерційно використовуються.

Переваги:

Енергія сонця майже нескінченна

Екологічно чисто

Безпечно для людини та природи

Недоліки: Сонячна електростанція не працює вночі і недостатньо ефективно працює в ранкових та вечірніх сутінках. При цьому пік електроспоживання припадає саме на вечірні години. Крім того, потужність електростанції може різко і несподівано вагатися через зміну погоди. Через відносно невелику величину сонячної постійної для сонячної енергетики потрібно використання великих площ землі під електростанції (наприклад, для електростанції потужністю 1 ГВт може бути кілька десятків квадратних кілометрів). Незважаючи на екологічну чистоту одержуваної енергії, самі фотоелементи містять отруйні речовини, наприклад свинець, кадмій, галій, миш'як і т. д., а їх виробництво споживає масу інших небезпечних речовин. Сучасні фотоелементи мають обмежений термін служби (30-50 років), і масове застосування поставить найближчим часом складне питання їх утилізації, яке теж не має поки що прийнятного з екологічного погляду рішення.

2.8.Атомна енергетика

Ядерна енергія (атомна енергія), внутрішня енергія атомних ядер, що виділяється при ядерних перетвореннях (ядерних реакціях). Використання ядерної енергії засноване на здійсненні ланцюгових реакцій поділу важких ядер та реакцій термоядерного синтезу – злиття легких ядер; і ті, та інші реакції супроводжуються виділенням енергії. Наприклад при розподілі одного ядра виділяється близько 200 МеВ. При повному розподілі ядер, що знаходяться в 1 г урану, виділяється енергія 2,3 * 104 кВтг. Це еквівалентно енергії, що отримується при згорянні 3 т вугілля або 2,5 т нафти. Керована реакція поділу ядер використовують у ядерних реакторах.

Переваги:

низькі та стійкі (стосовно вартості палива) ціни на електроенергію;

середня дія на екологічне середовище.

Недоліки атомних станцій:

¦ опромінене паливо небезпечне, вимагає складних і дорогих заходів з переробки та зберігання;

Небажаний режим роботи зі змінною потужністю для реакторів, що працюють на теплових нейтронах;

При низькій ймовірності інцидентів, наслідки їх вкрай важкі

Великі капітальні вкладення, як питомі, на 1 МВт встановленої потужності для блоків потужністю менше 700-800 МВт, так і загальні, необхідні для будівництва станції, її інфраструктури, а також у разі можливої ліквідації.

Всі вище перелічені альтернативи нафти мають один, але дуже істотний недолік, вони не здатні повністю замінити нафту як джерело енергії. Лише застосуванням термоядерної енергії може допомогти у цій ситуації.

2.9.Термоядерна енергетика

Термоядерна енергія за участю гелію 3 – це безпечна та якісна енергія.

Термоядерні реакції. Виділення енергії при злитті ядер легких атомів дейтерію, тритію або літію з утворенням гелію відбувається в ході термоядерних реакцій. Ці реакції називаються термоядерними, оскільки можуть протікати лише за дуже високих температур. Інакше сили електричного відштовхування не дозволяють ядрам зблизитися настільки, щоб почали діяти ядерні сили тяжіння. Реакції ядерного синтезу є джерелом зоряної енергії. Ці реакції протікають при вибуху водневої бомби. Здійснення керованого термоядерного синтезу на Землі обіцяє людству нове, практично невичерпне джерело енергії. Найбільш перспективна щодо цього реакція злиття дейтерію і тритію.

Якщо використовувати в термоядерному реакторі дейтерію з ізотопом гелію-3 замість матеріалів, що застосовуються в ядерній енергетиці. Інтенсивність нейтронного потоку падає в 30 разів - відповідно, можна легко забезпечити термін служби реактора в 30-40 років (відповідно зменшується кількість радіації, що виділяється). Після закінчення експлуатації гелієвого реактора високоактивні відходи не утворюються, а радіоактивність елементів конструкції буде така мала, що їх можна поховати буквально на міському звалищі, злегка присипавши землею.

То в чому ж проблема? Чому ми досі не використовуємо такого вигідного термоядерного палива?

Насамперед тому, що на нашій планеті цього ізотопу надзвичайно мало. Народжується він на Сонці, через що іноді називається «сонячним ізотопом». Його загальна маса там перевищує вагу нашої планети. У навколишній простір гелій-3 розноситься сонячним вітром. Магнітне поле Землі відхиляє значну частину цього вітру, тому гелій-3 становить лише одну трильйонну частину земної атмосфери - приблизно 4000 т. На самій Землі його ще менше - близько 500 кг.

На Місяці цього ізотопу значно більше. Там він вкрапується в місячний ґрунт «реголіт», що за складом нагадує звичайний шлак. Йдеться про величезні - практично невичерпні запаси!

Аналіз шести зразків ґрунту, привезених експедиціями «Аполлон», та двох зразків, доставлених радянськими автоматичними станціями «Місяць», показав, що в реголіті, що покриває всі моря та плоскогір'я Місяця, міститься до 106 т гелію-3, що забезпечило б потреби земної енергетики. , навіть збільшена в порівнянні з сучасною в кілька разів, на тисячоліття! За сучасними підрахунками, запаси гелію-3 на Місяці на три порядки більше - 109 т.

Окрім Місяця, гелій-3 можна знайти в щільних атмосферах планет-гігантів, і, за теоретичними оцінками, запаси його лише на Юпітері становлять 1020 т, чого вистачило б для енергетики Землі до кінця часів.

Проекти видобутку гелію-3

Реголіт покриває Місяць шаром завтовшки кілька метрів. Реголить місячних морів багатше гелієм, ніж реголить плоскогір'я. 1 кг гелію-3 міститься приблизно 100 000 т реголіту.

Отже, щоб добути дорогоцінний ізотоп, необхідно переробити величезну кількість розсипчастого місячного грунту.

З урахуванням усіх особливостей, технологія видобутку гелію-3 повинна включати такі процеси:

1. Видобуток реголіту.

Спеціальні «комбайни» збиратимуть реголіт із поверхневого шару завтовшки близько 2 м і доставлятимуть його на пункти переробки або перероблятимуть безпосередньо в процесі видобутку.

2. Виділення гелію з реголіту.

При нагріванні реголіту до 600?С виділяється (десорбується) 75% гелію, що міститься в реголіті, при нагріванні до 800?С - майже весь гелій. Нагрівання пилу пропонується вести у спеціальних печах, фокусуючи сонячне світло або пластмасовими лінзами, або дзеркалами.

3. Доставка Землю космічними кораблями багаторазового використання.

При видобутку гелію-3 з реголіту вилучаються також численні речовини: водень, вода, азот, вуглекислий газ, азот, метан, чадний газ - які можуть бути корисні для підтримки місячного промислового комплексу.

Проект першого місячного комбайна, призначеного для переробки реголіту та виділення з нього ізотопу гелію-3, було запропоновано ще групою Дж.Кульчинськи. В даний час приватні американські компанії розробляють кілька прототипів, які, мабуть, будуть представлені на конкурс після того, як НАСА визначиться з рисами майбутньої експедиції на Місяць.

Зрозуміло, що, крім доставки комбайнів на Місяць, там доведеться звести сховища, базу (для обслуговування всього комплексу обладнання), космодром і багато іншого. Вважається, що високі витрати на створення розвиненої інфраструктури на Місяці окупляться сторицею в плані того, що наближається глобальна енергетична криза, коли від традиційних видів енергоносіїв (вугілля, нафта, природний газ) доведеться відмовитися.

Якщо зважити на те, що нафта скінчиться через 35-40 років, то у нас достатньо часу, щоб реалізувати подібний проект. І саме та країна, яка зможе його реалізувати, у майбутньому буде лідером, а якщо об'єднати зусилля можна досягти більшого результату і у швидший термін.

Отже, чому термоядерна енергія? Бо це:

Крупномасштабне джерело енергії з надлишковим та доступним усюди паливом.

Дуже низька глобальна дія на навколишнє середовище – Немає емісії СО2.

- "Повсякденна дія" електростанції не потребує транспортування радіоактивних матеріалів.

Електростанція безпечна, без можливості розплавлення або некерованої реакції.

Немає радіоактивних відходів, що не створює проблеми для майбутніх поколінь.

Це Вигідно: Для виробництва 1 ГВт енергії потрібно приблизно 100 кг дейтерію і 3 тонни природного літію, щоб використовувати протягом цілого року, виробляючи приблизно 7 мільярдів Квт годину

3.Висновок

І так, енергія – це важливий ресурс, необхідний для комфортного існування людства. А видобуток енергії – одна із головних проблем людства. Зараз активно використовується нафта - як джерело електричної та паливної енергії. Але вона не нескінченна, і запаси її з кожним роком тільки зменшуються. А поточні розроблені альтернативи – не дозволяють повністю замінити нафту або мають серйозні недоліки.

Єдиним на сьогоднішній день джерелом енергії, здатним давати необхідну кількість енергії для всього людства і при цьому не мати серйозних недоліків – є термоядерна енергія на основі використання гелію. екологічно чиста та обчислюється у мільярдах кіловат.

Якщо отримувати дешеву та екологічно чисту енергію, можна максимально замінити нафту, наприклад відмовитися від бензинових двигунів на користь електричних, виробляти тепло з використання електрики та ін.

Тому на місяці (яка є основним джерелом гелію 3) необхідно створити промисловість. Щоб створити промисловість, потрібно мати план розвитку, а це справа кількох років і що раніше розпочати – тим краще. Тому що, якщо доведеться робити це вже у безвихідній ситуації (під час енергетичного кризу – наприклад), терміново це обернеться зовсім іншими витратами.

А та країна, яка швидше розвиватиметься у цьому напрямку – у майбутньому стане лідером. Оскільки за енергією – майбутнє.

4. Список використаної літератури

1. http://ua.wikipedia.org/ - всесвітня енциклопедія

2. http://www.zlev.ru/61_59.htm – Журнал «Золотий Лев» № 61-62 – видання російської консервативної думки, Коли скінчиться нафта?

3. http://www.vz.ru/society/2007/11/25/127214.html -ПОГЛЯД / Коли скінчиться нафта

4. http://vz.ru/economy/2007/11/1/121681.html - ПОГЛЯД / У світі закінчується нафта

5. http://bio.fizteh.ru/departments/physchemplasm/topl_element.html ->Альтернатива нафти? Факультет молекулярної та біологічної фізики МФТІ. "Фізтех-портал", "Фізтех-центр"

6. http://encycl.accoona.ru/?id=74848 - ЯДЕРНА ЕНЕРГІЯ - Інтернет-енциклопедія, тлумачний словник.

7. http://www.vepr.ru/show.html?id=7 -Звідки береться електрика (історія виникнення)

8. http://www.bioenergy.by/mejdu_1.htm -Енергія біомаси. Проект ПРООН/ГЕФ BYE/03/G31 у Білорусі

9. http://bibliotekar.ru/alterEnergy/37.htm - Переваги та недоліки вітроенергетики. Принципи перетворення вітрової енергії. Вітроенергетика

10. http://www.smenergo.ru/hydrogen_enegry/ - Воднева енергетика. Енергія та енергетика.

11. http://works.tarefer.ru/89/100323/index.html Первинні джерела живлення та термоядерна енергія

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

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

14. http://razrabotka.ucoz.ru/publ/4-1-0-16 - ГЕЛІЙ-ТРИ - ЕНЕРГІЯ МАЙБУТНЬОГО - місячна програма - Каталог статей - Розробка

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

16. http://www.scienmet.net/ - Вітрогенератор, вітроенергетика

17. http://oil-resources.info - паливні ресурси

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

19. http://www.ruscourier.ru/archive/2593-недоліки водню

20. http://www.intersolar.ru/geothermal/pressa/rbsgeo.html - Енергія з глибин - www.intersolar.ru

21. http://web-japan.org/nipponia/nipponia28/ua/feature/feature09.html - НІПОНІЯ No.28 15 березня 2004р.

22. http://www.kti.ru/forum/img/usersf/pic_41.doc - альтернативні джерела енергії

23. http://www.rosnpp.org.ru/aes_preimush.shtml - атомні електростанції

24. http://www.atomstroyexport.ru/nuclear_market/advantage/ - атомна енергія

25. http://solar-battery.narod.ru/termoyad.htm - термоядерна енергія в дії

26.http://business.km.ru/magazin/view.asp?id=7B07CB0288D54DC0AC68C60AF246D693 - Бізнес KM.RU. Майбутнє російської енергетики - за біопаливом та термоядерною енергією

Склад та будова

Фізичні властивості

Використання

Лічильники нейтронів

Газові лічильники наповнені гелієм-3 використовуються для детектування нейтронів. Це найпоширеніший метод виміру нейтронного потоку. Вони відбувається реакція

n+ 3 He → 3 H + 1 H + 0,764 МеВ.

Заряджені продукти реакції - тритон і протон - реєструються газовим лічильником, що працює в режимі пропорційного лічильника чи лічильника Гейгера-Мюллера.

Отримання наднизьких температур

Шляхом розчинення рідкого гелію-3 в гелії-4 досягають міллікельвінових температур.

Медицина

Поляризований гелій-3 (він може довго зберігатися) нещодавно почав використовуватись у магнітно-резонансній томографії для отримання зображення легень за допомогою ядерного магнітного резонансу.

Вартість

Середня ціна гелію-3 у 2009 році склала $930 за літр.

Гелій-3 як ядерне паливо

Реакція 3 Не + D → 4 Не + p має ряд переваг у порівнянні з найбільш досяжною в земних умовах дейтерієво-тритієвою реакцією T + D → 4 Не + n. До цих переваг відносяться:

До недоліків гелій-дейтерієвої реакції слід віднести значно вищий температурний поріг. Необхідно досягти температури приблизно в мільярд градусів, щоб вона могла розпочатися.

Нині гелій-3 не видобувається із природних джерел, а створюється штучно, при розпаді тритію. Останній вироблявся для термоядерної зброї шляхом опромінення бору-10 та літію-6 у ядерних реакторах.

Плани видобутку гелію-3 на Місяці

Гелій-3 є побічним продуктом реакцій, що протікають на Сонці. На Землі його видобувають у дуже невеликих кількостях, які обчислюються кількома десятками грамів на рік.

Нестабільні (менше доби): 5 He: Гелій-5, 6 He: Гелій-6, 7 He: Гелій-7, 8 He: Гелій-8, 9 He: Гелій-9, 10 He: Гелій-10

Wikimedia Foundation. 2010 .

Дивитись що таке "Гелій-3" в інших словниках:

- (Лат. Helium) Не, хімічний елемент VIII групи періодичної системи, атомний номер 2, атомна маса 4,002602, відноситься до благородних газів; без кольору та запаху, щільність 0,178 г/л. Зріджується найважче відомих газів (при 268,93 .С);… … Великий Енциклопедичний словник

- (Греч., від helyos сонце). Елементарне тіло, відкрите в сонячному спектрі і наявне землі в деяких рідкісних мінералах; у нікчемній кількості входить до складу повітря. Словник іншомовних слів, що увійшли до складу російської мови. Чудінов А.Н. Словник іноземних слів російської мови

- (Символ Не), газоподібний неметалевий елемент, БЛАГОРОДНИЙ ГАЗ, відкритий 1868 р. Вперше отримали з мінералу клевита (різновиди ураніту) 1895 р. В даний час основним джерелом його є природний газ. Міститься також у… … Науково-технічний енциклопедичний словник

Я, чоловік. , Старий. Єлій, я.Отч.: Гелійович, Геліївна.Виробні: Геля (Гела); Еля.Походження: (Від грец. hēlios сонце.) Іменини: 27 липня Словник особистих імен. Гелій Див. Еллій. День ангела. Довідка … Словник особистих імен

ГЕЛІЙ- Хім. елемент, символ Не (лат. Helium), ат. н. 2, ат. м. 4,002, відноситься до інертних (шляхетних) газів; без кольору та запаху, щільність 0,178 кг/м3. У звичайних умовах Р. одноатомний газ, атом якого складається з ядра та двох електронів; утворюється … Велика політехнічна енциклопедія

Гелій-три. Дивне та незрозуміле словосполучення. Проте чим далі, тим більше ми чутимемо його. Тому що, на думку фахівців, саме гелій-три врятує наш світ від енергетичної кризи, що насувається. І на цьому підприємстві найактивніша роль відводиться Росії.

Місяць

Перспективна термоядерна енергетика, що використовує як основу реакцію синтезу дейтерій-тритій, хоча й безпечніша, ніж енергетика поділу ядра атома, яка використовується на сучасних АЕС, все ж таки має ряд істотних недоліків.

По перше, при цій реакції виділяється значно більше (на порядок!) Число високоенергетичних нейтронів. Настільки інтенсивного нейтронного потоку жоден із відомих матеріалів не може витримати понад шість років - при тому, що має сенс робити реактор з ресурсом як мінімум у 30 років. Отже, першу стінку тритієвого термоядерного реактора необхідно буде замінювати - а це дуже складна і дорога процедура, пов'язана до того ж із зупинкою реактора на досить тривалий термін.
По-друге, від потужного нейтронного випромінювання необхідно екранувати магнітну систему реактора, що ускладнює і, відповідно, дорожчає конструкцію.
По-третєБагато елементів конструкції тритієвого реактора після закінчення експлуатації будуть високоактивними і вимагатимуть поховання на тривалий термін у спеціально створених для цього сховищах.

У разі використання в термоядерному реакторі дейтерію з ізотопом гелію-3 замість тритію більшість проблем вдається вирішити. Інтенсивність нейтронного потоку падає в 30 разів - відповідно, можна легко забезпечити термін служби в 30-40 років. Після закінчення експлуатації гелієвого реактора високоактивні відходи не утворюються, а радіоактивність елементів конструкції буде така мала, що їх можна поховати буквально на міському звалищі, злегка присипавши землею.

У чому проблема? Чому ми досі не використовуємо такого вигідного термоядерного палива?

Аналіз шести зразків ґрунту, привезених експедиціями «Аполлон», та двох зразків, доставлених радянськими автоматичними станціями « Місяць», показав, що в реголіті, що покриває всі моря та плоскогір'я Місяця, міститься до 106 т гелію-3, що забезпечило б потреби земної енергетики, навіть збільшеної в порівнянні з сучасною у кілька разів, на тисячоліття! За сучасними підрахунками, запаси гелію-3 на Місяці на три порядки більше - 109 т.

Проекти видобутку гелію-3

Отже для того, щоб видобути дорогоцінний ізотоп, необхідно переробити величезну кількість розсипчастого місячного ґрунту.

З урахуванням усіх особливостей, технологія видобутку гелію-3 повинна включати такі процеси:

1. Видобуток реголіту.

2. Виділення гелію з реголіту.

3. Доставка Землю космічними кораблями багаторазового використання.

Головна технологічна проблема

На шляху до створення енергетики на основі гелію-3 є одна важлива проблема. Справа в тому, що реакцію дейтерій-гелій-3 здійснити набагато складніше, ніж реакцію дейтерій-тритій.

Насамперед, надзвичайно важко підпалити суміш цих ізотопів. Розрахункова температура, за якої піде термоядерна реакція в дейтерій-тритієвій суміші, - 100-200 мільйонів градусів. При використанні гелію-3 потрібна температура на два порядки вище. Фактично ми повинні запалити на землі маленьке сонце.

Однак історія розвитку ядерної енергетики (останні півстоліття) демонструє збільшення температур, що генеруються, на порядок протягом 10 років. 1990 року на європейському токамаку JET вже палили гелій-3, при цьому отримана потужність склала 140 кВт. Приблизно тоді на американському токамаку TFTR було досягнуто температура, необхідна початку реакції в дейтерий-гелиевой суміші.

Втім, запалити суміш ще півсправи. Мінус термоядерної енергетики – складність отримання практичної віддачі, адже робочим тілом є нагріта до багатьох мільйонів градусів плазма, яку доводиться утримувати у магнітному полі.

Експерименти з приручення плазми проводяться вже багато десятиліть, але лише наприкінці червня минулого року в Москві представники низки країн підписали угоду про будівництво на півдні Франції в місті Кадараш Міжнародного експериментального термоядерного реактора (ITER) - прототипу практичної термоядерної електростанції. Як паливо ITER буде використовувати дейтерій із тритієм.

Термоядерний реактор на гелії-3 буде конструктивно складніше, ніж ITER, і поки що його немає навіть у проектах. І хоча фахівці сподіваються, що прототип реактора на гелії-3 з'явиться найближчими 20-30 роками, поки ця технологія залишається найчистішою фантастикою.

Питання видобутку гелію-3 аналізувалося експертами під час слухань з питань майбутнього дослідження та освоєння Місяця, що відбулися у квітні 2004 року в Підкомітеті з космосу та аеронавтики комітету з науки палати депутатів Конгресу США. Їхній висновок був однозначний: навіть у віддаленому майбутньому видобуток гелію-3 на Місяці зовсім невигідний.

Як зазначив Джон Логсдон, директор Інституту космічної політики з Вашингтона: «Космічна спільнота США не розглядає видобуток гелію-3 як серйозний привід для повернення на Місяць. Летіти туди по цей ізотоп все одно що п'ятсот років тому відправити Колумба до Індії за ураном. Привезти він його може, і привіз би, тільки ще кілька сотень років ніхто не знав би, що з ним робити».

Видобуток гелію-3 як національний проект

«Ми говоримо зараз про термоядерну енергетику майбутнього та новий екологічний тип палива, яке не можна видобути на Землі. Йдеться про промислове освоєння Місяця для видобутку гелію-3».

Цей вислів голови ракетно-космічної корпорації «Енергія» Миколи Севастьянова сприйняли російські наукові оглядачі як заявка на формування нового «національного проекту».

Адже, по суті, однією з головних функцій держави, особливо у XX столітті, було саме формулювання перед суспільством завдань на межі уяви. Це стосувалося і радянської держави: електрифікація, індустріалізація, створення атомної бомби, перший супутник, поворот річок.

Сьогодні у РФ держава намагається, але не може сформулювати завдання на межі неможливого. Державі потрібно, щоб хтось показав їй загальнонаціональний проект і обґрунтував вигоди, які з цього проекту теоретично випливають. Програма освоєння та видобутку гелію-3 з Місяця на Землю з метою постачання термоядерної енергетики паливом ідеально відповідає цим вимогам.

«Я просто думаю, що є дефіцит у якомусь великому технологічному завданні, - наголосив в інтерв'ю доктор фізико-математичних наук, вчений секретар Інституту космічних досліджень РАН Олександр Захаров. - Можливо, через це й виникли останнім часом усі ці розмови про видобуток на Місяці гелію-3 для термоядерної енергетики. Якщо Місяць- джерело з корисними копалинами, і звідти везти цей гелій-3, але в Землі не вистачає енергії… Усе це зрозуміло, звучить дуже красиво. І під це легко, можливо, умовити впливових людей виділити гроші. Я гадаю, що це так».

Цей ізотоп планується видобувати на Місяці потреб термоядерної енергетики. Однак це справа далекого майбутнього. Проте гелій-3 надзвичайно затребуваний вже сьогодні, зокрема, в медицині.

Володимир Тесленко

Загальна кількість гелію-3 в атмосфері Землі оцінюється лише в 35 000 т. Його надходження з мантії в атмосферу (через вулкани та розломи в корі) становить кілька кілограмів на рік. У місячному реголіті гелій-3 поступово накопичувався протягом сотень мільйонів років опромінення сонячним вітром. В результаті тонна місячного ґрунту містить 0,01 г гелію-3 та 28 г гелію-4; це ізотопне співвідношення (~0,04%) значно вище, ніж у земній атмосфері.

Амбіційні плани видобутку гелію-3 на Місяці, що на повному серйозі розглядаються не лише космічними лідерами (Росія та США), а й новачками (Китай та Індія), пов'язані з надіями, які покладають на цей ізотоп енергетики. Ядерна реакція 3Не+D→4Не+p має ряд переваг у порівнянні з найбільш досяжною в земних умовах дейтерієво-тритієвою реакцією T+D→4Не+n.

До цих переваг належить у десятки разів нижчий потік нейтронів із зони реакції, що різко зменшує наведену радіоактивність та деградацію конструкційних матеріалів реактора. Крім того, один із продуктів реакції - протони - на відміну від нейтронів, легко уловлюються і можуть бути використані для додаткової генерації електроенергії. При цьому і гелій-3, і дейтерій неактивні, їх зберігання не вимагає особливих запобіжних заходів, а при аварії реактора з розгерметизацією активної зони радіоактивність викиду близька до нуля. Є гелій-дейтерієва реакція і серйозна вада — значно вищий температурний поріг (для початку реакції потрібна температура близько мільярда градусів).

Хоча вся ця справа майбутнього, гелій-3 надзвичайно затребувана і зараз. Щоправда, не для енергетики, а для ядерної фізики, кріогенної промисловості та медицини.

Магнітно-резонансна томографія

З моменту появи в медицині магнітно-резонансна томографія (МРТ) стала одним з основних діагностичних методів, що дозволяють без будь-якої шкоди заглянути «всередину» різних органів.

Приблизно 70% маси людського тіла припадає на водень, ядро якого, протон, має певний спин і пов'язаний з ним магнітний момент. Якщо помістити протон у зовнішнє постійне магнітне поле, спин і магнітний момент орієнтуються або вздовж поля, або назустріч, причому енергія протона в першому випадку буде меншою, ніж у другому. Протон можна перевести з першого стану до другого, передавши йому строго певну енергію, рівну різниці між цими енергетичними рівнями, наприклад, опромінюючи його квантами електромагнітного поля з певною частотою.

Як намагнітити гелій-3

Найпростішим і найпрямішим способом намагнітити гелій-3 є його охолодження сильному магнітному полі. Однак ефективність цього методу дуже низька, до того ж він потребує сильних магнітних полів та низьких температур. Тому практично застосовують метод оптичної накачування — передачі атомам гелію спина від поляризованих фотонів накачування. У випадку з гелієм-3 це відбувається у два етапи — оптичне накачування у метастабільному стані та спіновий обмін між атомами гелію в основному та метастабільному стані. Технічно це реалізується шляхом опромінення лазерним випромінюванням з круговою поляризацією осередку з гелієм-3, переведеного в метастабільний стан слабким високочастотним електричним розрядом, у присутності слабкого магнітного поля. Поляризований гелій можна зберігати в посудині з внутрішнім покриттям з цезію при тиску 10 атмосфер протягом 100 годин.

Саме так і влаштований МР-томограф, тільки виявляє не окремі протони. Якщо помістити зразок, що містить велику кількість протонів у потужне магнітне поле, то кількості протонів з магнітним моментом, спрямованим вздовж і назустріч полю, будуть приблизно рівними. Якщо почати опромінювати цей зразок електромагнітним випромінюванням строго певної частоти, всі протони з магнітним моментом (і спином) «вздовж поля» перекинуться, зайнявши положення «назустріч полю». При цьому відбувається резонансне поглинання енергії, а під час повернення до вихідного стану, званого релаксацією, — перевипромінювання отриманої енергії, яке можна виявити. Це і називається ядерним магнітним резонансом, ЯМР. Середня поляризація речовини, від якої залежить корисний сигнал при ЯМР, прямо пропорційна напруженості зовнішнього магнітного поля. Щоб отримати сигнал, який можна виявити і відокремити від шумів, потрібно надпровідний магніт - тільки йому під силу створити магнітне поле з індукцією близько 1-3 Тл.

Магнітний газ

МР-томограф «бачить» скупчення протонів, тому відмінно підходить для вивчення та діагностики м'яких тканин та органів, що містять велику кількість водню (в основному у вигляді води), а також дає можливість розрізняти магнітні властивості молекул. У такий спосіб можна, скажімо, відрізнити артеріальну кров, що містить гемоглобін (основний переносник кисню в крові), від венозної, що містить парамагнітний дезоксигемоглобін, - саме на цьому заснована фМРТ (функціональна МРТ), що дозволяє відстежувати активність нейронів головного мозку.

Але, на жаль, така чудова методика, як МРТ, зовсім не пристосована для вивчення наповнених повітрям легень (навіть якщо наповнити їх воднем, сигнал від газоподібного середовища з низькою щільністю буде надто слабким на тлі шумів). Та й м'які тканини легень не надто добре видно за допомогою МРТ, оскільки вони пористі і містять мало водню.

Чи можна оминути це обмеження? Можна, якщо використовувати «намагнічений» газ — у цьому випадку середня поляризація визначатиметься не зовнішнім полем, бо всі (або майже всі) магнітні моменти будуть орієнтовані в одному напрямку. І це зовсім не фантастика: 1966 року французький фізик Альфред Кастлер отримав Нобелівську премію з формулюванням «За відкриття та розробку оптичних методів дослідження резонансів Герца в атомах». Він опікувався оптичною поляризацією спінових систем — тобто саме «намагнічуванням» газів (зокрема, гелію-3) за допомогою оптичного накачування при резонансному поглинанні фотонів з круговою поляризацією.

Ядерний магнітний резонанс використовує магнітні властивості ядер водню - протонів. Без зовнішнього магнітного поля магнітні моменти протонів орієнтовані довільно (як першому зображенні). При накладенні потужного магнітного поля магнітні моменти протонів орієнтуються паралельно полю - або "вздовж", або "назустріч". Два цих становища мають різну енергію (2). Радіочастотний імпульс з резонансною частотою, що відповідає різниці енергій, "перевертає" магнітні моменти протонів "назустріч" полю (3). Після закінчення радіочастотного імпульсу відбувається зворотний переворот, і протони випромінюють на резонансній частоті. Цей сигнал приймається радіочастотною системою томографа та використовуються комп'ютером для побудови зображення (4).

Дихайте глибше

Піонерами використання поляризованих газів у медицині стала група дослідників з Прінстона та Нью-Йоркського університету в Стоні-Брук. 1994 року вчені опублікували в журналі Nature статтю, в якій вперше було продемонстровано зображення легких миші, отримане за допомогою МРТ.

Щоправда, МРТ не зовсім стандартна — методика була заснована на відгуку не ядер водню (протонів), а ядер ксенону-129. До того ж, газ був не зовсім звичайним, а гіперполяризованим, тобто заздалегідь «намагніченим». Так народився новий метод діагностики, який почали застосовувати і в людській медицині.

Гіперполяризований газ (зазвичай у суміші з киснем) потрапляє в найдальші закутки легень, що дає можливість отримати МРТ-знімок з дозволом на порядок вище за кращі рентгенівські знімки. Можна навіть побудувати детальну карту парціального тиску кисню в кожній ділянці легень і потім зробити висновок якість кров'яного потоку і дифузії кисню в капілярах. Ця методика дозволяє вивчити характер вентиляції легень у астматиків та контролювати процес дихання критичних пацієнтів на рівні альвеол.

Як працює МРТ? МР-томограф виявляє скупчення протонів - ядер атомів водню. Тому МР-томографія показує відмінності у вмісті водню (переважно води) у різних тканинах. Існують інші способи відрізняти одну тканину від іншої (скажімо, відмінності в магнітних властивостях), які застосовуються в спеціалізованих дослідженнях.

Переваги МРТ із застосуванням гіперполяризованих газів цим не обмежуються. Оскільки газ гіперполяризований, рівень корисного сигналу виявляється значно вищим (приблизно в 10000 разів). Це означає, що відпадає необхідність у надсильних магнітних полях, і призводить до конструкції так званих слабопольних МР-томографів - вони дешевші, мобільніші і набагато просторіші. У таких установках використовуються електромагніти, що створюють поле порядку 0,005 Тл, що в сотні разів слабше за стандартні МР-томографи.

Маленька перешкода

Хоча перші експерименти у цій галузі проводилися з гіперполяризованим ксеноном-129, незабаром його замінив гелій-3. Він нешкідливий, дозволяє отримувати більш чіткі зображення, ніж ксенон-129, має втричі більший магнітний момент, що зумовлює сильніший сигнал ЯМР. Крім того, збагачення ксенону-129 через близькість маси з іншими ізотопами ксенону — дорогий процес, та й досяжна поляризація газу значно нижча, ніж у гелію-3. До того ж ксенон-129 має седативний ефект.

Але якщо слабопольні томографи прості і дешеві, чому метод МРТ з гіперполяризованим гелієм не використовується зараз у кожній поліклініці? Є одна перешкода. Але яке!

Спадщина холодної війни

Єдиний спосіб отримання гелію-3 – розпад тритію. Більшість запасів 3He зобов'язана своїм походженням розпаду тритію, виробленого під час ядерної гонки озброєнь під час холодної війни. У США до 2003 року було накопичено приблизно 260 000 л «сирого» (неочищеного) гелію-3, а до 2010 залишилося лише 12000 л незадіяного газу. У зв'язку із зростанням попиту на цей дефіцитний газ у 2007 році навіть було відновлено виробництво обмежених кількостей тритію, і до 2015 року планується додатково отримувати по 8000 л гелію-3 щорічно. При цьому річний попит на нього вже зараз становить не менше 40 000 л (з них лише 5% використовують у медицині). У квітні 2010 року американський Комітет з науки та технології США зробив висновок, що нестача гелію-3 призведе до реальних негативних наслідків для багатьох областей. Навіть вчені, які працюють у ядерній галузі США, мають труднощі з придбанням гелію-3 із запасів держави.

Охолодження змішуванням

Ще одна галузь, яка не може обійтися без гелію-3, — це кріогенна промисловість. Для досягнення наднизьких температур застосовується т.зв. рефрижератор розчинення, який використовує ефект розчинення гелію-3 у гелії-4. При температурі нижче 0.87 До суміш поділяється на дві фази - багату гелієм-3 та гелієм-4. Перехід між цими фазами вимагає енергії, і це дає можливість охолодження до дуже низьких температур - до 0,02 К. Найпростіший такий пристрій має достатній запас гелію-3, який поступово переміщується через межу розділу фаз у фазу, багату на гелій-4 з поглинанням енергії . Коли запас гелію-3 закінчиться, пристрій не зможе працювати далі - він одноразовий.
Саме такий спосіб охолодження зокрема використовувався в орбітальній обсерваторії Planck Європейського космічного агентства. У завдання «Планка» входила реєстрація анізотропії реліктового випромінювання (з температурою близько 2,7 К) з високою роздільною здатністю за допомогою 48 болометричних детекторів HFI (High Frequency Instrument), що охолоджуються до 0,1 К. До того, як запас гелію-3 в Система охолодження була вичерпана, «Планк» встиг зробити 5 знімків неба в мікрохвильовому діапазоні.

Аукціонна ціна гелію-3 коливається близько $2000 за літр, причому ніяких тенденцій до зниження не спостерігається. Дефіцит цього газу обумовлений тим, що основна частина гелію-3 використовується для виготовлення нейтронних детекторів, що застосовуються у пристроях виявлення ядерних матеріалів. Такі детектори реєструють нейтрони по реакції (n, p) - захоплення нейтрону та випромінювання протону. А щоб засікти спроби завезення ядерних матеріалів, таких детекторів потрібно дуже багато сотні тисяч штук. Саме з цієї причини гелій-3 став фантастично дорогим і малодоступним для масової медицини.

Втім, сподівання є. Щоправда, покладаються вони не на місячний гелій-3 (його видобуток залишається віддаленою перспективою), а на тритій, що утворюється у важководних реакторах типу CANDU, які експлуатуються в Канаді, Аргентині, Румунії, Китаї та Південній Кореї.

Напевно мало чого в галузі термоядерної енергетики оточено міфами, як Гелій 3. У 80х-90х він був активно популяризований, як паливо, яке вирішить усі проблеми керованого термоядерного синтезу, а так само як один із приводів вибратися із Землі (т.к. землі його буквально лічені сотні кілограмів, а на місяці мільярд тонн) і зайнятися, нарешті, освоєнням сонячної системи. Все це базується на дуже дивних уявленнях про можливості, проблеми та потреби неіснуючої сьогодні термоядерної енергетики, про що ми й поговоримо.

Машина для видобутку гелію3 на місяць вже готова, справа за малим - знайти йому застосування.

Коли говорять про гелій3, то мають на увазі реакції термоядерного злиття He3+D -> He4+Hабо He3 + He3 -> 2He4 + 2H. Порівняно з класичною D + T -> He4 +nу продуктах реакції немає нейтронів, а отже немає активації наденергійними нейтронами конструкції термоядерного реактора. Крім того, проблемою вважається той факт, що нейтрони з “класики” забирають з плазми 80% енергії, тому баланс самонагріву настає за більшої температури. Ще одним записуваним гелієвим варіантом перевагою є те, що електроенергію можна знімати прямо з заряджених частинок реакції, а не нагріванням нейтронами води - як у старих вугільних електростаціях.

Так ось, все це - неправда, точніше, дуже маленька частина правди.

Почнемо з того, що при однаковій щільності плазми та оптимальній температурі реакція He3 + D дасть в 40 разів меншеенерговиділення на кубометр робочої плазми При цьому температура, потрібна для хоча б 40-кратного розриву буде в 10 разів вище - 100 кЕв (або один мільярд градусів) проти 10 для D+T. Сама по собі, така температура цілком досяжна (рекорд токамаків на сьогодні - 50 кЕв, всього вдвічі гірше), але щоб зав'язати енергобаланс (швидкість охолодження VS швидкість нагрівання в т.ч. самонагріву) нам потрібно підняти в 50 разів енерговиділення з кубометра He3 +D реакції, що можна зробити тільки піднявши щільність у ті ж у 50 разів. У поєднанні з температурою, що виросла в 10 разів, це дає збільшення тиску плазми у 500 разів- з 3-5 атм до 1500-2500 атм, і таке ж збільшення протитиску, щоб цю плазму втримати.

Зате картинки надихають.

Пам'ятаєте, я писав, що магніти тороїдального поля ІТЕР, які створюють протитиск плазмі – абсолютно рекордні вироби, єдині за параметрами у світі? Так ось, шанувальники He3 пропонують зробити магніти у 500 разів потужнішими.

Ок, забудемо про складності, може переваги цієї реакції їх окупають?

Різні термоядерні реакції, які застосовуються для УТС. He3 + D дає трохи більше енергії, ніж D + T, але на подолання кулонівського відштовхування витрачається дуже багато енергії (заряд 3 а не 2), тому реакція йде повільно.

Почнемо із нейтронів. Нейтрони в промисловому реакторі будуть серйозною проблемою, пошкоджувати матеріали корпусу, гріти всі елементи звернені до плазми настільки, що їх доведеться охолоджувати пристойною витратою води. А головне - активація матеріалів нейтронами призведуть до того, що й через 10 років після зупинки термоядерного реактора у ньому буде тисячі тонн радіоактивних конструкцій, які неможливо розбирати руками, і які вилежатимуть уже у сховищі сотні та тисячі років. Звільнення від нейтронів явно полегшило б завдання створення термоядерної електростанції.

Частка енергії, що забирається нейтронами. Якщо додати більше He3 в реактор, то можна знизити її до 1%, але це посилить умови запалювання.

Ок, ну а як щодо прямого перетворення енергії заряджених частинок на електрику? Досліди показують, що потік іонів з енергією 100 кЕв можна перетворити на електрику з 80% ккд. У нас тут немає нейтронів…. ну в сенсі вони не несуть всю енергію, яку ми можемо отримати тільки у вигляді тепла - давайте позбавимося парових турбін і поставимо іонні колектори?

Так, технології прямого перетворення енергії плазми на електроенергію є, вони активно досліджувалися в 60х-70х, і показали ккд в районі 50-60% (не 80, треба помітити). Однак ця ідея слабо застосовна як у D+T реакторах, так і в He3+D. Чому це так, допомагає зрозуміти ось ця картинка.

На ній показані втрати тепла плазмою різними каналами. Порівняйте D+T та D+He3. Transport - це те, що можна використовувати для прямого перетворення енергії плазми на електрику. Якщо в D+T варіанті у нас все забирають мерзенні нейтрони, то у випадку He3+D все забирає електромагнітне випромінювання плазми, в основному синхротронне та рентгенівське гальмівне (на картинці Bremsstrahlung). Ситуація практично симетрична, все одно треба відводити тепло від стін і все одно прямим перетворенням ми не можемо витягнути більше 10-15%енергії термоядерного горіння, а решта - по-старому, через паросилову машину.

Ілюстрація у дослідженні з прямого перетворення енергії плазми на найбільшій відкритій пастці Gamma-10 у японії.

Крім теоретичних обмежень є й інженерні - у світі (в т.ч. в СРСР) було витрачено гігантські зусилля на створення установок прямого перетворення енергії плазми на електрику для звичайних електростанцій, що дозволяло підняти ккд з 35% до 55%. Здебільшого з урахуванням МГД-генераторов. 30 років роботи великих колективів закінчилися пшиком – ресурс установки становив сотні годин, коли енергетикам потрібні тисячі та десятки тисяч. Гігантська кількість ресурсів, витрачена на цю технологію, призвела, зокрема, до того, що наша країна відстала у виробництві енергетичних газових турбін та установок парогазотурбінного циклу (які дають рівно таке ж підвищення ккд - з 35 до 55%!).

До речі, потужні надпровідні магніти потрібні для МГД-генераторів. Тут показані СП магніти для 30 мегаватного МГД-генератора.