Гелий-3: лунный источник энергии
В последнее время, особенно после того, как США усилили темпы работ по своей лунной программе, все сильнее стала муссироваться тема о гелии-3, как основе ядерной энергетики будущего. О данном элементе даже снимают фантастические фильмы. Что же такое гелий-3, где его добыть и какие выгоды он сулит человечеству!
РЕАКТОР БЕЗ РАДИАЦИИ
Гелий-3 (³He) является одним из изотопов гелия, в ядре которого находится один нейтрон, а не два. На Земле запасы гелия-3 составляют 0,000137% от общего количества элементов и оцениваются в 35 тысяч тонн. Практически весь имеющийся в наличии гелий-3 сохранился с момента образования нашей планеты.
Интерес к этому изотопу гелия усилился после того, как стало ясно, что человечество вплотную приблизилось к серьезному энергетическому кризису. Запасы углеводородов подходят к концу, и уже через несколько десятилетий мы их полностью исчерпаем. Альтернативные источники энергии, такие как ветер, Солнце, приливы и отливы, геотермальная активность, не могут покрыть всех потребностей человечества. Остаются еще запасы каменного угля, которых хватит примерно на 200—300 лет. Однако по мере того, как доля угля в современной энергетике будет возрастать, этот срок может существенно сократиться. Кроме того, процессы сжигания и добычи угля серьезно ударяют по экосистеме планеты.
Таким образом, единственным источником энергии, которого хватит надолго, — это энергия, основанная на делении ядер урана. Уже сегодня атомная энергетика занимает почти 7% в мировом энергетическом балансе. И с каждым годом доля ее участия возрастает. Но вместе с этим все серьезнее встает вопрос о главной проблеме всех АЭС — утилизации и хранении радиоактивных отходов, которых с каждым годом становится все больше. И тут идеальным выходом было бы использование топлива, основанного на реакциях термоядерного синтеза с гелием-3.
Дело в этом, что ядерные реакции, протекающие с участием гелия-3, в отличие от других ядерных реакций, идут с выделением не нейтронов, а протонов. Нейтроны — крайне активные частицы, они способны глубоко проникнуть в конструкционные материалы ядерного реактора, разрушая их структуру и делая радиоактивными. Это приводит к тому, что отдельные детали и узлы каждые несколько лет приходится менять, чтобы реактор мог работать в штатном режиме. Кроме того, возникает проблема утилизации и захоронения ядерных отходов.
Протоны же, в отличие от нейтронов, не наводят радиоактивности и не способны проникать внутрь конструкций. Поток протонов — это, по сути, поток водорода. И материалы, из которых созданы узлы реактора, работающего на гелии-3, могут служить десятилетиями. В целом реакция с участием ³He в 50 раз менее радиоактивна, чем обычная реакция взаимодействия дейтерия с тритием (D + T).
Таким образом, главное достоинство гелия-3 не столько в его энергетической ценности, сколько в его практически полной экологической безопасности.
ЛУННЫЕ ЗАЛЕЖИ
Где же можно добывать гелий-3 в необходимых масштабах? На Земле этот изотоп содержится в таких ничтожно малых количествах, что о его промышленной добыче и речи быть не может. Ответ на этот вопрос известен давно — на Луне.
То, что Луна обладает огромными запасами гелия-3, стало известно, когда первые образцы лунного грунта были доставлены на Землю советскими автоматическими аппаратами «Луна» и американскими астронавтами во время выполнения программы «Аполлон».
Относительная концентрация изотопа в лунном грунте оказалась в 1000 раз выше, чем в земных недрах. Причина этого явления кроется в регулярном облучении поверхности Луны корпускулярным излучением Солнца. Дело в том, что, не имея защиты в виде сильного магнитного поля, поверхностный пылевидный слой (реголит) Луны регулярно получает огромную дозу облучения. Во время этого процесса в него внедряется большое количество элементов, в первую очередь изотопы водорода и гелия.
По предварительным оценкам, общие запасы гелия-3 на Луне составляют около миллиона тонн. Такого количества изотопа человечеству хватило бы на тысячу лет. Энергетическая эффектность его такова, что 1 тонна гелия-3 может заменить 20 млн тонн нефти, что позволит в течение года обеспечивать выходную мощность АЭС в 10 ГВт. В одной тонне лунного грунта содержится 10 мг гелия-3, что соответствует энерговыделению 1 м³ нефти. Можно сказать, что поверхность Луны представляет собой сплошной океан нефти. Человечеству нужно 200 тонн ³He ежегодно, потребность российской энергетики оценивается в 20—30 тонн гелия-3 в год.
Однако как бы ни были велики общие запасы ³He, содержание изотопа в лунной почве все равно очень невелико (примерно 10 мг на тонну породы). Таким образом, чтобы обеспечить потребности человечества, нужно вскрывать 20 млрд тонн реголита в год. Учитывая среднюю толщину слоя реголита в 3 м, общая площадь добычи будет составлять 30 на 100 км.
Сегодня, когда доставка даже нескольких сот килограммов груза на Луну считается большим достижением, переработка миллиардов тонн лунного грунта воспринимается как совершенно фантастический проект. Поэтому правильным решением было бы не транспортировка лунного грунта на Землю, а организация на самой Луне полного цикла получения готового изотопа гелия-3 — начиная от добычи породы и заканчивая ее обогащением.
ТРУДНОСТИ ДОБЫЧИ
Впрочем, 20 млрд тонн вскрышных работ лунного грунта только кажутся фантастическим мероприятием. На Земле сейчас добывают порядка 5 млрд тонн угля в год. Объем вскрышных работ земного грунта составляет порядка 50 млрд тонн. То есть нынешние темпы разработки земных недр вполне сопоставимы по масштабам с тем, что нас может ожидать на Луне. Б то же время на Луне не будет стоять проблем, связанных с экологическими последствиями проведения вскрышных работ, поэтому общая эффективность разработки лунного грунта может быть в несколько раз выше, чем на Земле. Не стоит забывать и о том, что сила тяжести на Луне в шесть раз меньше, чем на Земле. Это, в свою очередь, позволит серьезно увеличить скорость выработки грунта.
Что же касается технической стороны вопроса, то земная наука и техника достаточно развиты для того, чтобы начать организацию процесса переноса части горно-обогатительной и добывающей промышленности на Луну. Конечно, этот процесс займет не один десяток лет, поэтому чем раньше мы его начнем, тем быстрее получим необходимый результат.
Уже сейчас надо начинать подготовительный этап, содержащий в себе геологоразведочные и испытательные работы, которые должны проводиться в рамках общих исследовательских работ на Луне. Одними из первых должны быть работы по изучению внутреннего строения Луны, запланированные в программе «Луна-Глоб». В ходе выполнения этой программы планируется с помощью химико-минералогической интерпретации сейсмических данных получить данные о химическом строении нижней мантии Луны, а также определить размеры лунного ядра.
Следующим этапом работ будет доставка фунта с Луны на Землю. Основной упор здесь нужно сделать на беспилотные аппараты, которые будут собирать образцы лунного грунта и доставлять их к посадочным модулям. Кроме того, луноходам можно поручить задачу создания долговременной сети сейсмических датчиков, импульсы которых позволят получить исчерпывающее представление о том, что происходит в недрах Луны. Одновременно с этим необходимо будет проводить картирование лунной поверхности на предмет содержания гелия-3.
РЕАКТОР НА ГЕЛИИ-3
И наконец, остается последний вопрос — создание термоядерного реактора, в работе которого используется топливо на основе гелия-3. Сегодня такой реактор существует только в теории. Хотя работы над управляемым термоядерным синтезом уже переходят в практическую плоскость. Во Франции полным ходом идет строительство экспериментального термоядерного реактора ИТЭР, который будет использовать в своей работе реакцию синтеза дейтерия с тритием. Стоимость стройки изначально оценивалась в 5 млрд евро, а первую очередь реактора планировалось пустить к 2016 году. Однако позже расходы возросли вдвое, а срок начала эксплуатации сдвинулся на 2020 год. ИТЭР будет представлять собой сооружение высотой 60 метров и массой около 23 тысяч тонн. Особое внимание при его создании было уделено проблеме радиационной безопасности. Однако для работы с гелием-3 реактор типа ИТЭР не годится. Дело в том, что для такой реакции необходимо будет создать температуру, которая в три раза выше, чем температура в активной зоне ИТЭР.
Учитывая, что с момента открытия ядерных реакций и до создания термоядерного реактора типа ИТЭР человечество шло долгих 50 лет, можно предположить, что создание реактора на гелии-3 займет примерно 20—30 лет.
Источник
Гелий-3 с Луны. А нужен ли он нам?
В каждой дискуссии о ресурсах в космосе рано или поздно поднимается тема добычи гелия-3 на Луне.
Чем интересен гелий-3?
Прежде всего давайте разберемся, что же такое гелий-3 и почему он вызывает такой интерес? Гелий, второй по распространенности элемент во Вселенной. Встречается в природе в двух вариантах (изотопах): гелий-3 и гелий-4. Гелий-3 встречается реже, и особенно он редок в земной атмосфере. Почему? Гелий слишком легкий, чтобы быть постоянно связанным земным притяжением. И он улетает в космос на протяжении миллионов лет.
Солнечный ветер, поток электрически заряженных частиц, который летит со скоростью 400 км/с от Солнца, содержит около 5% гелия. Однако магнитное поле Земли не дает ему попасть на Землю. Гелий попадает в земную атмосферу из двух других источников. Во-первых, это вулканы, которые высвобождают как гелий-3, так и гелий-4 из глубин Земли. Во-вторых, это радиоактивный распад урана и тория, который синтезирует исключительно гелий-4. Эти процессы приводят к тому, что в атмосфере только один из 700 000 атомов гелия является гелием-3.
На Луне ситуация совсем иная: на Луне нет ни атмосферы (практически), ни магнитного поля. Ее поверхность подвергается воздействию солнечного ветра непрерывно и безо всяких преград. Считается, что слой лунного грунта, насыщенного гелием-3, достигает 10 метров.
Гелий-3 используется сегодня в науке (для охлаждения до очень низких температур) и в медицине (методы визуализации). Его цена достигает около 2000 долларов за литр или 15 миллионов долларов за килограмм. Это делает его одним из самых дорогих веществ в мире. Но, несмотря на цену, спрос на гелий-3 составляет около 60 000 литров или 8 кг в год. Практически весь коммерчески доступный гелий-3 получают при распаде радиоактивного изотопа водорода (период полураспада 12,3 года). Сегодняшний рынок гелия-3 недостаточно велик, чтобы оправдать его добычу на Луне. И в случае появления новых источников его пополнения цена быстро снизится.
Экономическая выгода
Тем не менее в долгосрочной перспективе возможно возникновение гораздо большего спроса на гелий-3. Это может сделать добычу на Луне экономически выгодной. Гелий-3 можно использовать в качестве топлива для термоядерных реакторов. Почти все экспериментальные термоядерные реакторы используют в качестве топлива смесь дейтерия и трития (DT). Однако при слиянии этих двух изотопов водорода всегда выделяется нейтрон высокой энергии. Эти нейтроны не могут отклоняться магнитными полями. Поэтому они сталкиваются со стенками реактора и запускают там ядерные реакции. Это делает корпус реактора радиоактивным. И вынуждает утилизировать его через определенное время — так же, как радиоактивные отходы. Поэтому термоядерные электростанции совсем не такие «чистые», как иногда утверждают.
А вот слияние двух атомов гелия-3 не приводит к появлению радиоактивности. В ходе этой реакции образуются два протона и один атом гелия-4, которые можно удерживать на удалении от стенок реактора с помощью магнитных полей. Слияние гелия-3 с дейтерием также возможно. Оно обеспечивает немного больше энергии, но неизбежное слияние ядер дейтерия между собой (DD) снова будет производить нейтроны, тритий, и, следовательно, некоторую радиоактивность. Хотя и намного меньшую, чем в реакции DT. Но проблема в том, что обе реакции с гелием-3 требуют гораздо более высоких температур, чем реакция DT.
Экспериментальные термоядерные реакторы, существующие сегодня и планируемые к разработке в ближайшем будущем, по этой причине не могут использовать гелий-3 в качестве топлива. Проблема температур в лучшем случае могла бы быть решена не раннее разработки второго поколения рассматриваемых реакторов. Но, в любом случае, идея привлекательна. Сегодняшний мировой спрос на электроэнергию можно было бы удовлетворить всего лишь 200-300 тоннами гелия-3 в год. Если бы вы захотели удовлетворить сегодняшний мировой спрос на электроэнергию из существующих коммерческих резервов гелия-3, они были бы израсходованы всего за 6 часов. Весь гелий-3 в атмосфере будет исчерпан через столетие.
Запасы на Луне и не только
Но как насчет Луны? У нее, как подозревают ученые, есть миллион тонн гелия-3. Такое количество может покрыть сегодняшнюю мировую потребность в электроэнергии на 3300 лет.
Чтобы извлечь гелий-3, реголит, верхний пылевой слой Луны, должен быть нагрет до примерно 900 °C. Затем, например, путем охлаждения — гелий должен быть отделен от других газов. Затем он также должен быть отделен от гелия-4 либо путем дополнительного охлаждения. Либо другим способом обогащения (например, центрифугой). Выход будет не очень высоким: при типичной концентрации 3,3 части на миллиард, одна тонна реголита содержит около 3,3 миллиграмма гелия-3. Для производства 300 тонн гелия-3 необходимо ежегодно перерабатывать 90 миллиардов тонн реголита. При глубине добычи в десять метров в год нужно было бы разрабатывать 4500 квадратных километров. То есть каждые девять лет площадь размером с Швейцарию.
Усилия понадобятся колоссальные. Но окупятся ли они?
Расчеты показывают, что возможный выход энергии от использования гелия-3 в 70 миллионов раз превышает затраты по его транспортировке с Луны на Землю. Это означает — как и в случае с нефтью на Земле — что транспортные расходы вряд ли сыграли бы какую-то роль в формировании цены ресурса. Это открывает нам новые возможности. Если мы найдем место, где условия для извлечения гелия-3 лучше, чем на Луне, можно легко справиться даже с большими расстояниями, используя мощные ракеты. В итоге все это многократно окупится. И в Солнечной системе есть такие места. Это атмосферы газовых гигантов.
Уран — самый легкий среди газовых гигантов. А это значит, что от него легче всего уйти. Энергия, необходимая для доставки одного килограмма гелия-3 из атмосферы Урана на Землю, почти в 200 раз больше, чем при доставке с Луны. Но в отличие от Луны, гелий-3 уже присутствует в атмосфере Урана. Он составляет около 0,005% ее объема. И может быть легко отделен от других газов. Кроме того, его количество там колоссально. В общей сложности в атмосфере Урана содержится около 400 квадриллионов тонн гелия-3. Этого достаточно для покрытия мирового потребления электроэнергии при сегодняшних объемах в течение следующих 5 миллиардов лет.
Если ученые разработают реакторы, работающие на гелии-3, его добыча в космосе будет вполне рентабельной.
Источник