Phản ứng nhiệt hạch helium 3. Mặt trăng và đồng xu, hay lịch sử của năng lượng helium

Gồm hai proton và hai neutron.

YouTube bách khoa toàn thư

1 / 5

✪ Helium là NGUYÊN TỐ SIÊU LẠNH VÀ LẠNH NHẤT!

✪ Heli siêu lỏng. Đại học Stuttgart

✪ Triển vọng năng lượng nhiệt hạch (nhà vật lý Anton Tyulusov kể)

✪ Hoạt động "Heli"

✪ Hoạt động "Helium". Tập 3

phụ đề

Mình muốn giới thiệu với các bạn kênh của Andrey về việc anh ấy đang làm video dạy học hóa học hữu cơ lớp 10, hiện tại kênh của anh ấy đã có hơn 40 video về 12 chủ đề, hãy đăng ký kênh của Andrey để xuất bản và chơi được 100 điểm, thế là hôm nay Tôi sẽ kể cho bạn nghe về loại khí hiếm phổ biến nhất trong vũ trụ quan sát được, loại khí này cũng có thể có đặc tính siêu lỏng độc đáo ở nhiệt độ cực thấp, gặp heli trong bảng tuần hoàn, nguyên tố này nằm ở góc trên bên phải, rất dễ tìm thấy ở số 2, tôi nghĩ rằng ngày nay mọi người đã quen thuộc với loại khí trơ này từ thời thơ ấu do tính nhẹ của nó so với không khí, khí heli rất tốt để thổi phồng những quả bóng bay ngày lễ, thứ mà trẻ em rất yêu thích, tất cả là do khối lượng mol của helium nhỏ hơn khoảng bảy lần so với khối lượng mol của không khí, tuy nhiên, xét về mức độ phổ biến, gel trên trái đất cực kỳ hiếm trong không khí, chúng chỉ được tìm thấy một phần triệu, phần lớn helium tạo thành cho những quả bóng tương tự đến từ khí tự nhiên, trong đó nồng độ helium có thể đạt tới bảy phần trăm khối lượng, tất cả là do sự phân rã phóng xạ của uranium hoặc thorium trong lớp vỏ trái đất, helium có thể tích tụ trong các khoảng trống dưới lòng đất cùng với khí tự nhiên và Tuy nhiên, nó không bay hơi vào khí quyển nếu chúng ta coi nó ở quy mô lớn hơn thì trong toàn bộ vũ trụ có thể quan sát được, nếu không nó sẽ chiếm vị trí thứ hai danh giá về độ phong phú trong số tất cả các nguyên tố, chỉ đứng sau hydro và tạo thành khoảng một phần tư tổng số nguyên tử , chỉ cần tưởng tượng rằng tất cả các nguyên tử nặng hơn gel chỉ chiếm hai phần trăm khối lượng của tổng khối lượng vật chất, ở đây bạn có thể cảm nhận được chúng ta nhỏ bé như thế nào trên quy mô vũ trụ; phần chính thực sự được tìm thấy trong các ngôi sao hoặc trong vũ trụ; bầu khí quyển của những khối khí khổng lồ, giống như toàn bộ vũ trụ, chứa khoảng 20% ​​khối lượng, theo dữ liệu ngày nay, phần chính của gel nằm trong không gian được hình thành trong vụ nổ lớn khoảng 14 tỷ năm trước, bây giờ chúng ta hãy quay trở lại từ trời xuống đất và xem xét tính chất của khí này trong một thí nghiệm hữu hình hơn. Tôi có một ống heli nhỏ ở áp suất rất thấp khoảng một phần trăm áp suất khí quyển, rõ ràng là gel không có màu sắc ngoài thứ này , nó vẫn không có mùi vị, bạn có thể tìm hiểu xem bạn đã từng thử hít khí này chưa, tuy nhiên, những thí nghiệm như vậy cực kỳ nguy hiểm vì tế bào của chúng ta không hít thở khí heli, chúng cần oxy cho việc này, điều này thậm chí còn buộc những người bán hiện tại phải bóng bay gel bổ sung tới 20 phần trăm oxy cho chúng mà bạn treo trong các bữa tiệc sẽ trở nên an toàn hơn nếu bạn truyền một dòng phóng điện cao áp tần số cao qua mắt kính bằng gel, nó sẽ bắt đầu phát sáng màu cam mờ, độ sáng của điều này sẽ phụ thuộc vào điện áp và đường kính của ống, tôi đã sử dụng máy phát DPL làm nguồn điện áp, tôi biết về điều gì đã cho tôi cơ hội cầm ống trực tiếp trên tay và do có công suất điện trong về nguyên tắc, cơ thể của tôi, giống như bất kỳ cơ thể nào khác, không giống như trên hoặc xenon, khí heli đã phát sáng ở một khoảng cách so với dây máy phát điện vì nó có ít năng lượng ion hóa hơn, thật không may, theo quan điểm hóa học, trên thực tế, nó không tỏa sáng chút nào với những đặc tính thú vị; thực tế nó không phản ứng với bất kỳ chất nào, mặc dù vẫn ở dạng plasma, nó tương tự như những gì bạn thấy trong ống gel có thể tạo thành một hợp chất cực kỳ không ổn định với hydro, deuterium hoặc một số kim loại, và ở mức cao. áp suất hàng nghìn atm, thậm chí cả những chất đặc biệt cũng được hình thành, từ clart và helios nitơ, ở dạng tinh thể có thể phát triển trên nền kim cương, đáng tiếc là tất cả những chất này rất không ổn định và hầu như không thể nhìn thấy chúng trong điều kiện bình thường , nhưng không cần phải lo lắng vì gel có đặc tính vật lý thú vị và độc đáo nhất trong tất cả các loại khí là khi được làm lạnh đến nhiệt độ 42 Kelvin, nó thực sự trở thành chất lỏng nhẹ nhất và lạnh nhất có mật độ nhỏ hơn gần 10 lần. hơn mật độ của nước tính bằng độ C; helium lỏng thu được ở nhiệt độ cực âm hai trăm sáu mươi tám độ, rất lạnh, lạnh đến mức một số kim loại ở nhiệt độ như vậy trở thành chất siêu dẫn, ví dụ như thủy ngân hoặc niobi, để duy trì nhiệt độ thấp như vậy, helium lỏng được đặt trong một bình Dewar đôi, cũng được làm mát từ bên ngoài bằng nitơ lỏng. Công nghệ làm mát helium lỏng tương tự được sử dụng trong các thiết bị hiện đại để tạo ra cộng hưởng từ hạt nhân trong đó là chất siêu dẫn; Hợp chất niobium được làm lạnh bằng helium lỏng, do giá thành cao nên lần lượt được làm lạnh bằng nitơ lỏng rẻ hơn, do đó tạo thành dạng gel lỏng và phục vụ y học cũng như nghiên cứu khoa học, nhưng điều thú vị nhất vẫn chưa đến. Tôi đã kể cho bạn về dạng đầu tiên của helium lỏng, cái gọi là helium 1, nếu bạn bắt đầu làm mát nó bằng cách giảm áp suất trong bình, thì helium lỏng cuối cùng sẽ chuyển sang cái gọi là

Tỷ lệ hiện mắc

Khai mạc

Sự tồn tại của helium-3 được đề xuất bởi nhà khoa học người Úc Mark Oliphant khi đang làm việc tại Đại học Cambridge vào năm 2007. Đồng vị này cuối cùng đã được phát hiện bởi Luis Alvarez và Robert Cornog.

Tính chất vật lý

Biên lai

Hiện tại, helium-3 không được chiết xuất từ ​​các nguồn tự nhiên (một lượng rất nhỏ helium-3 có sẵn trên Trái đất, cực kỳ khó thu được), mà được tạo ra từ sự phân rã của tritium được sản xuất nhân tạo.

Giá

Theo một số ước tính, giá trung bình của helium-3 trong năm 2009 là khoảng 930 USD một lít.

Kế hoạch khai thác helium-3 trên Mặt trăng

Helium-3 là sản phẩm phụ của các phản ứng xảy ra trên Mặt trời và được tìm thấy với một lượng nhất định trong gió mặt trời và môi trường liên hành tinh. Helium-3 đi vào bầu khí quyển Trái đất từ ​​không gian liên hành tinh nhanh chóng tiêu tan trở lại, nồng độ của nó trong khí quyển cực kỳ thấp

Theo giả thuyết, trong quá trình phản ứng tổng hợp nhiệt hạch, khi 1 tấn helium-3 phản ứng với 0,67 tấn deuterium sẽ giải phóng năng lượng tương đương với việc đốt cháy 15 triệu tấn dầu (tuy nhiên, tính khả thi về mặt kỹ thuật của phản ứng này hiện chưa được nghiên cứu) . Do đó, nguồn tài nguyên helium-3 trên mặt trăng (theo ước tính tối đa) có thể tồn tại khoảng 5 thiên niên kỷ đối với dân số trên hành tinh chúng ta. Vấn đề chính vẫn là thực tế khai thác helium từ regolith mặt trăng. Như đã đề cập ở trên, hàm lượng helium-3 trong regolith là ~1 g trên 100 tấn. Do đó, để chiết xuất được một tấn đồng vị này, phải xử lý ít nhất 100 triệu tấn đất.

Cách sử dụng

máy đếm neutron

Máy đo khí chứa đầy helium-3 được sử dụng để phát hiện neutron. Đây là phương pháp phổ biến nhất để đo thông lượng neutron. Có một phản ứng trong đó

N+ 3 He → 3H + 1H + 0,764 MeV.

Các sản phẩm phản ứng tích điện - triton và proton - được ghi lại bằng máy đếm khí hoạt động ở chế độ máy đếm tỷ lệ hoặc máy đếm Geiger-Muller.

Tiếp nhận nhiệt độ cực thấp

Bằng cách hòa tan helium-3 lỏng trong helium-4, nhiệt độ đạt đến milikelvin.

Thuốc

Helium-3 làm nhiên liệu hạt nhân

Phản ứng 3 He + D → 4 He + p có một số ưu điểm so với phản ứng deuterium-tritium T + D → 4 He + n, phản ứng này dễ thực hiện nhất trong điều kiện trên cạn. Những lợi ích này bao gồm:

1. Giảm dòng neutron từ vùng phản ứng xuống hàng chục lần, giúp giảm mạnh độ phóng xạ gây ra và sự suy thoái của vật liệu cấu trúc lò phản ứng;
2. Các proton thu được, không giống như neutron, dễ dàng bị thu giữ và có thể được sử dụng để phát điện bổ sung, chẳng hạn như trong máy phát MHD;
3. Nguyên liệu ban đầu để tổng hợp không có hoạt tính và việc bảo quản chúng không cần có biện pháp phòng ngừa đặc biệt;
4. Trong trường hợp xảy ra sự cố lò phản ứng với sự giảm áp suất của lõi, độ phóng xạ của chất phóng xạ gần bằng 0.

Nhược điểm của phản ứng helium-deuterium bao gồm ngưỡng nhiệt độ cao hơn đáng kể. Cần phải đạt đến nhiệt độ xấp xỉ 10 9 K do rào cản Coulomb để nó khởi động. Và ở nhiệt độ thấp hơn, phản ứng nhiệt hạch của phản ứng tổng hợp các hạt nhân deuterium với nhau diễn ra dễ dàng hơn nhiều và phản ứng giữa deuterium và helium-3 không xảy ra.

Trong nghệ thuật

Trong các tác phẩm khoa học viễn tưởng (trò chơi, phim, anime), helium-3 đôi khi đóng vai trò là nhiên liệu chính và là nguồn tài nguyên quý giá, bao gồm cả được khai thác trên Mặt trăng.

Bộ phim khoa học viễn tưởng của Anh năm 2009 Moon 2112 dựa trên hoạt động của khu phức hợp khai thác mỏ Mặt Trăng. Tổ hợp này đảm bảo sản xuất đồng vị helium-3, nhờ đó có thể ngăn chặn cuộc khủng hoảng năng lượng thảm khốc trên Trái đất.

Trong bộ phim hài chính trị Iron Sky, helium-3 trên mặt trăng đã trở thành nguyên nhân gây ra xung đột hạt nhân quốc tế về quyền khai thác mỏ.

Trong phim hoạt hình " hành tinh» helium-3 được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ tên lửa, v.v.

Văn học

• Dobbs E. R. Helium Ba. - Nhà xuất bản Đại học Oxford, 2000. ISBN 0-19-850640-6
• Galimov E. M. Nếu có năng lượng, bạn có thể khai thác được mọi thứ - Đất hiếm. 2014. Số 2. Trang 6-12.
• The Helium-3 Sự thiếu hụt: Cung, Cầu, và Các lựa chọn cho Quốc hội // FAS, ngày 22 tháng 12 năm 2010 (tiếng Anh)

Ghi chú

1. Audi G., Wapstra A. H., Thibault C.

Ứng viên Khoa học Vật lý và Toán học A. PETRUKOVICH.

Với bàn tay nhẹ nhàng của tổng thống Mỹ vào cuối năm 2003, vấn đề về những mục tiêu mới cho nhân loại trong không gian đã được đưa vào chương trình nghị sự. Mục tiêu tạo ra một trạm có thể ở được trên Mặt trăng, trong số các đề xuất khác, một phần dựa trên ý tưởng hấp dẫn về việc sử dụng nguồn dự trữ helium-3 độc nhất trên mặt trăng để tạo ra năng lượng trên Trái đất. Tương lai sẽ cho biết helium mặt trăng có hữu ích hay không, nhưng câu chuyện về nó khá hấp dẫn và cho phép chúng ta so sánh kiến ​​thức của mình về cấu trúc của hạt nhân nguyên tử và hệ mặt trời với các khía cạnh thực tế của năng lượng và khai thác mỏ.

Khoa học và đời sống // Minh họa

Khoa học và đời sống // Minh họa

Khoa học và đời sống // Minh họa

Khoa học và đời sống // Minh họa

Khoa học và đời sống // Minh họa

Khoa học và đời sống // Minh họa

Khoa học và đời sống // Minh họa

ĐỂ LÀM GÌ? HOẶC phản ứng tổng hợp hạt nhân - Alchemy TRONG THỰC TẾ

Biến chì thành vàng là giấc mơ của các nhà giả kim thời Trung cổ. Như mọi khi, thiên nhiên hóa ra lại phong phú hơn trí tưởng tượng của con người. Các phản ứng tổng hợp hạt nhân đã tạo ra tất cả sự đa dạng của các nguyên tố hóa học, đặt nền móng vật chất cho thế giới của chúng ta. Tuy nhiên, quá trình tổng hợp cũng có thể cung cấp một thứ có giá trị hơn nhiều so với vàng - năng lượng. Phản ứng hạt nhân theo nghĩa này tương tự như phản ứng hóa học (nghĩa là phản ứng biến đổi phân tử): mỗi hợp chất, có thể là phân tử hoặc hạt nhân nguyên tử, được đặc trưng bởi năng lượng liên kết cần được tiêu hao để phá hủy hợp chất và phản ứng đó được giải phóng khi nó được hình thành. Khi năng lượng liên kết của các sản phẩm phản ứng cao hơn nguyên liệu ban đầu, phản ứng sẽ tiến hành giải phóng năng lượng và nếu bạn học cách lấy nó ở dạng này hay dạng khác, nguyên liệu ban đầu có thể được sử dụng làm nhiên liệu. Trong số các quá trình hóa học, hiệu quả nhất theo nghĩa này, như đã biết, là phản ứng tương tác với oxy - đốt cháy, ngày nay đóng vai trò là nguồn năng lượng chính và không thể thay thế trong các nhà máy điện, trong giao thông và trong đời sống hàng ngày (thậm chí hơn thế nữa năng lượng được giải phóng trong phản ứng của flo, đặc biệt là phân tử, với hydro; tuy nhiên, cả flo và hydro florua đều là những chất cực kỳ mạnh).

Năng lượng liên kết của proton và neutron trong hạt nhân lớn hơn nhiều so với năng lượng liên kết các nguyên tử thành phân tử và nó có thể được cân theo đúng nghĩa đen bằng công thức tuyệt vời của Einstein E = mc 2: khối lượng của hạt nhân nguyên tử nhỏ hơn đáng kể so với khối lượng của từng proton và neutron tạo nên nó. Vì vậy, một tấn nhiên liệu hạt nhân có thể thay thế hàng triệu tấn dầu mỏ. Tuy nhiên, không phải vô cớ mà phản ứng tổng hợp được gọi là nhiệt hạch: để khắc phục lực đẩy tĩnh điện khi hai hạt nhân nguyên tử tích điện dương gặp nhau, bạn cần tăng tốc chúng một cách hợp lý, tức là làm nóng nhiên liệu hạt nhân lên hàng trăm triệu độ ( nhớ rằng nhiệt độ là thước đo động năng của các hạt). Trên thực tế, ở nhiệt độ như vậy, chúng ta không còn xử lý chất khí hoặc chất lỏng nữa mà ở trạng thái thứ tư của vật chất - plasma, trong đó không có nguyên tử trung tính mà chỉ có các electron và ion.

Trong tự nhiên, những điều kiện thích hợp cho sự tổng hợp như vậy chỉ tồn tại ở bên trong các ngôi sao. Mặt trời có được năng lượng từ cái gọi là chu trình phản ứng helium: sự tổng hợp hạt nhân helium-4 từ các proton. Trong các ngôi sao khổng lồ và trong các vụ nổ siêu tân tinh, các nguyên tố nặng hơn cũng được sinh ra, từ đó hình thành nên toàn bộ sự đa dạng của các nguyên tố trong Vũ trụ. (Đúng, người ta tin rằng một phần helium có thể được hình thành trực tiếp khi Vũ trụ ra đời, trong Vụ nổ lớn.) Mặt trời theo nghĩa này không phải là máy phát điện hiệu quả nhất, vì nó cháy trong thời gian dài và chậm. : quá trình này bị chậm lại do phản ứng tổng hợp deuterium đầu tiên và chậm nhất của hai proton. Tất cả các phản ứng sau đây diễn ra nhanh hơn nhiều và ngay lập tức tiêu thụ deuterium sẵn có, biến nó thành hạt nhân helium trong một số giai đoạn. Kết quả là, ngay cả khi chúng ta giả sử rằng chỉ một phần trăm vật chất mặt trời nằm trong lõi của nó tham gia vào phản ứng tổng hợp, thì năng lượng giải phóng chỉ là 0,02 watt mỗi kg. Tuy nhiên, chính sự chậm chạp này, được giải thích chủ yếu bởi khối lượng nhỏ, theo tiêu chuẩn sao, của ngôi sao (Mặt trời thuộc loại tiểu hành tinh) và đảm bảo sự ổn định của dòng năng lượng mặt trời trong nhiều tỷ năm, mà chúng ta nhờ vào sự tồn tại của sự sống trên Trái đất. Ở những ngôi sao khổng lồ, quá trình chuyển đổi vật chất thành năng lượng nhanh hơn nhiều, nhưng kết quả là chúng tự đốt cháy hoàn toàn sau hàng chục triệu năm mà thậm chí không có thời gian để tiếp thu chính xác các hệ hành tinh.

Sau khi quyết định thực hiện phản ứng tổng hợp nhiệt hạch trong phòng thí nghiệm, một người sẽ đánh lừa thiên nhiên bằng cách tạo ra một máy phát năng lượng nhỏ gọn và hiệu quả hơn Mặt trời. Tuy nhiên, chúng ta có thể chọn một phản ứng dễ thực hiện hơn nhiều - tổng hợp helium từ hỗn hợp deuterium-tritium. Theo kế hoạch, lò phản ứng nhiệt hạch quốc tế dự kiến ​​- tokamak "ITER" sẽ có thể đạt đến ngưỡng đánh lửa, tuy nhiên, từ đó, nó vẫn còn rất rất xa so với việc sử dụng năng lượng nhiệt hạch cho mục đích thương mại (xem "Khoa học và Cuộc sống" Không ., 2001). Vấn đề chính như đã biết là giữ cho plasma được làm nóng đến nhiệt độ cần thiết. Vì không có bức tường nào ở nhiệt độ như vậy có thể tránh được sự phá hủy nên họ cố gắng giữ đám mây plasma bằng từ trường. Trong bom hydro, vấn đề được giải quyết bằng vụ nổ một điện tích nguyên tử nhỏ, nén và đun nóng hỗn hợp đến điều kiện cần thiết, nhưng phương pháp này không phù hợp để sản xuất năng lượng vì mục đích hòa bình. (Về triển vọng của cái gọi là năng lượng bùng nổ, xem “Science and Life” số 7, 2002)

Nhược điểm chính của phản ứng deuterium-tritium là tính phóng xạ cao của tritium, thời gian bán hủy chỉ là 12,5 năm. Đây là phản ứng làm bẩn bức xạ nhất hiện có, đến mức trong một lò phản ứng công nghiệp, các bức tường bên trong của buồng đốt sẽ cần phải được thay thế vài năm một lần do vật liệu bị phá hủy do bức xạ. Đúng vậy, chất thải phóng xạ có hại nhất, cần được chôn sâu vô thời hạn dưới lòng đất do thời gian phân rã kéo dài, hoàn toàn không được hình thành trong quá trình tổng hợp. Một vấn đề khác là năng lượng giải phóng chủ yếu bị mang đi bởi neutron. Những hạt này không mang điện tích nên không chú ý đến trường điện từ và nhìn chung tương tác kém với vật chất nên không dễ lấy năng lượng ra khỏi chúng.

Các phản ứng nhiệt hạch không chứa tritium, chẳng hạn như các phản ứng liên quan đến deuterium và helium-3, gần như an toàn với bức xạ vì chúng chỉ sử dụng hạt nhân ổn định và không tạo ra neutron bất tiện. Tuy nhiên, để “bốc cháy” một phản ứng như vậy, cần phải bù lại tốc độ nhiệt hạch thấp hơn, làm nóng plasma nóng hơn gấp mười lần - lên tới một tỷ độ (đồng thời giải quyết vấn đề giam giữ nó)! Do đó, ngày nay những lựa chọn như vậy được coi là cơ sở cho các lò phản ứng nhiệt hạch trong tương lai thuộc thế hệ thứ hai, sau thế hệ deuterium-tritium. Tuy nhiên, ý tưởng về năng lượng nhiệt hạch thay thế này đã có được những đồng minh bất ngờ. Những người ủng hộ việc thuộc địa hóa không gian coi helium-3 là một trong những mục tiêu kinh tế chính của việc mở rộng mặt trăng, đáp ứng nhu cầu của nhân loại về năng lượng nhiệt hạch sạch.

Ở ĐÂU? HOẶC KHÁCH NẮNG

Thoạt nhìn, sẽ không có vấn đề gì về việc lấy helium ở đâu: nó là nguyên tố phổ biến thứ hai trong Vũ trụ và hàm lượng tương đối của đồng vị ánh sáng trong nó nhỏ hơn một phần nghìn một chút. Tuy nhiên, đối với Trái đất, helium rất kỳ lạ. Nó là một loại khí rất dễ bay hơi. Trái đất không thể giữ nó bằng lực hấp dẫn của nó và gần như toàn bộ helium sơ cấp rơi vào nó từ đám mây tiền hành tinh trong quá trình hình thành Hệ Mặt trời đã quay trở lại không gian từ bầu khí quyển. Ngay cả helium cũng được phát hiện lần đầu tiên ở Mặt trời, đó là lý do tại sao nó được đặt theo tên của vị thần Hy Lạp cổ đại Helios. Sau đó nó được tìm thấy trong các khoáng chất có chứa các nguyên tố phóng xạ và cuối cùng bị cuốn vào khí quyển cùng với các loại khí hiếm khác. Helium trên mặt đất chủ yếu không có nguồn gốc vũ trụ mà có nguồn gốc bức xạ thứ cấp: trong quá trình phân rã của các nguyên tố hóa học phóng xạ, các hạt alpha - hạt nhân helium-4 - được phát ra. Helium-3 không được hình thành theo cách này, và do đó lượng của nó trên Trái đất là không đáng kể và chỉ tính bằng kilogam.

Bạn có thể tích trữ helium có nguồn gốc vũ trụ (với hàm lượng helium-3 tương đối cao) trong bầu khí quyển của Sao Thiên Vương hoặc Sao Hải Vương - những hành tinh đủ lớn để chứa loại khí nhẹ này hoặc trên Mặt trời. Hóa ra việc tiếp cận helium mặt trời dễ dàng hơn: toàn bộ không gian liên hành tinh tràn ngập gió mặt trời, trong đó cứ 70 nghìn proton thì có 3000 hạt alpha - hạt nhân helium-4 và một hạt nhân helium-3. Loại gió này cực kỳ hiếm, theo tiêu chuẩn trần thế, nó là chân không thực sự và không thể bắt được nó bằng “lưới” (xem Khoa học và Sự sống" số 7, 2001). Nhưng plasma mặt trời lắng đọng trên bề mặt của các thiên thể không có từ quyển và bầu khí quyển, chẳng hạn như trên Mặt trăng, và do đó, có thể làm trống một số bẫy tự nhiên đã được bổ sung thường xuyên trong bốn tỷ năm qua do sự bắn phá plasma, hàng trăm triệu. tấn helium-3 rơi xuống Mặt trăng trong thời gian này. Nếu toàn bộ gió mặt trời vẫn còn trên bề mặt Mặt trăng, thì ngoài 5 gam helium-3 trên mỗi mét vuông bề mặt sẽ có thêm trung bình 100. kg hydro và 16 kg helium-4. Từ lượng này có thể tạo ra một bầu không khí khá tốt, chỉ loãng hơn một chút so với đại dương khí lỏng sâu hai mét!

Tuy nhiên, không có thứ gì giống như vậy trên Mặt trăng và chỉ một phần rất nhỏ các ion gió mặt trời tồn tại mãi mãi ở lớp trên của đất mặt trăng - regolith. Các nghiên cứu về đất mặt trăng do tàu thăm dò Luna của Liên Xô và tàu thăm dò Apollo của Mỹ mang đến Trái đất đã chỉ ra rằng nó chứa khoảng 1/100 của một phần triệu helium-3, hay 0,01 gam trên 1 tấn. Và tổng cộng có khoảng một triệu tấn đồng vị này trên Mặt trăng, rất nhiều theo tiêu chuẩn trái đất. Ở mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu hiện nay, nhiên liệu mặt trăng sẽ tồn tại trong 10 nghìn năm, lớn hơn khoảng mười lần so với tiềm năng năng lượng của tất cả các nhiên liệu hóa học có thể chiết xuất được (khí, dầu, than) trên Trái đất.

LÀM SAO? HOẶC "SẢN XUẤT MỖI GRAM, LAO ĐỘNG MỖI NĂM"

Thật không may, không có “hồ” helium nào trên Mặt trăng; nó ít nhiều phân tán đều khắp lớp bề mặt. Tuy nhiên, từ quan điểm kỹ thuật, quy trình khai thác khá đơn giản và được phát triển chi tiết bởi những người đam mê thuộc địa hóa mặt trăng (ví dụ: xem www.asi.org).

Để đáp ứng nhu cầu năng lượng hàng năm hiện nay của Trái đất, chỉ cần mang khoảng 100 tấn helium-3 từ Mặt trăng về. Chính số lượng này, tương ứng với ba hoặc bốn chuyến bay của tàu con thoi, đã thu hút sự sẵn có của nó. Tuy nhiên, trước tiên, bạn cần đào khoảng một tỷ tấn đất mặt trăng - một lượng không lớn như vậy theo tiêu chuẩn của ngành khai thác mỏ: ví dụ, hai tỷ tấn than được khai thác trên thế giới mỗi năm (ở Nga - khoảng 300 triệu tấn). Tất nhiên, hàm lượng helium-3 trong đá không quá cao: ví dụ, việc phát triển các mỏ được coi là hiệu quả về mặt chi phí nếu chúng chứa ít nhất vài gram vàng và kim cương - ít nhất hai carat (0,4 g) mỗi tấn. Theo nghĩa này, helium-3 chỉ có thể được so sánh với radium, loại chất chỉ được sản xuất vài kg kể từ đầu thế kỷ XX: sau khi xử lý một tấn uranium nguyên chất, chỉ thu được 0,4 gam radium, chưa kể vấn đề khai thác uranium. Vào đầu thế kỷ trước, trong thời kỳ có quan điểm lãng mạn đối với chất phóng xạ, radium khá phổ biến và không chỉ được các nhà vật lý mà còn cả các nhà viết lời biết đến: chúng ta hãy nhớ lại câu nói của V.V Mayakovsky: “Thơ cũng giống như câu nói của V.V. sản xuất radium. Sản lượng mỗi gam, lao động mỗi năm.” Nhưng helium-3 đắt hơn hầu hết mọi chất mà con người sử dụng - một tấn sẽ tốn ít nhất một tỷ đô la, nếu chúng ta chuyển đổi tiềm năng năng lượng của helium thành tương đương dầu với mức giá hời là 7 đô la một thùng.

Chẳng hạn, khí dễ dàng thoát ra khỏi regolith được nung nóng đến vài trăm độ bằng cách sử dụng gương tập trung năng lượng mặt trời. Chúng ta đừng quên rằng helium-3 vẫn cần được tách ra khỏi một số lượng lớn hơn các loại khí khác, chủ yếu là helium-4. Điều này được thực hiện bằng cách làm lạnh khí đến trạng thái lỏng và tận dụng sự chênh lệch nhỏ về điểm sôi của các đồng vị (4,22 K đối với helium-4 hoặc 3,19 K đối với helium-3). Một phương pháp tách tinh vi khác dựa trên việc sử dụng đặc tính siêu chảy của helium-4 lỏng, có thể chảy độc lập qua một bức tường thẳng đứng vào một thùng chứa liền kề, chỉ để lại helium-3 không siêu lỏng (xem "Khoa học và Cuộc sống" số 1). 2, 2004).

Than ôi, tất cả những điều này sẽ phải được thực hiện trong không gian thiếu không khí, không phải trong điều kiện “nhà kính” của Trái đất mà là trên Mặt trăng. Một số thành phố khai thác mỏ sẽ phải di dời đến đó, về bản chất, điều này có nghĩa là chiếm đóng Mặt trăng. Hiện hàng trăm chuyên gia đang theo dõi sự an toàn của một số phi hành gia trên quỹ đạo Trái đất thấp và phi hành đoàn có thể quay trở lại Trái đất bất cứ lúc nào. Nếu hàng chục nghìn người lên vũ trụ, họ sẽ phải tự mình sống trong chân không, không có sự giám sát chi tiết từ Trái đất và tự cung cấp nước, không khí, nhiên liệu và các vật liệu xây dựng cơ bản. Tuy nhiên, trên Mặt trăng có đủ hydro, oxy và kim loại. Nhiều trong số chúng có thể thu được dưới dạng sản phẩm phụ của quá trình khai thác khí heli. Khi đó, rất có thể, helium-3 có thể trở thành một mặt hàng mang lại lợi nhuận khi buôn bán với Trái đất. Nhưng vì con người trong điều kiện khó khăn như vậy sẽ cần nhiều năng lượng hơn người trên trái đất, nên trữ lượng helium-3 trên mặt trăng dường như không phải là vô hạn và hấp dẫn đối với con cháu chúng ta.

Nhân tiện, có một giải pháp thay thế cho trường hợp này. Nếu các kỹ sư và nhà vật lý tìm ra cách giải quyết việc giữ plasma helium nóng hơn gấp 10 lần mức cần thiết đối với tokamak hiện đại (một nhiệm vụ mà giờ đây dường như hoàn toàn tuyệt vời), thì bằng cách tăng nhiệt độ lên chỉ thêm hai lần nữa, chúng ta sẽ “cháy” phản ứng. tổng hợp liên quan đến proton và boron. Sau đó, mọi vấn đề với nhiên liệu sẽ được giải quyết và với mức giá thấp hơn nhiều: trong vỏ trái đất có nhiều boron hơn bạc hoặc vàng chẳng hạn, nó được sử dụng rộng rãi làm chất phụ gia trong luyện kim, điện tử và hóa học. Các nhà máy khai thác và chế biến sản xuất hàng trăm nghìn tấn muối chứa boron khác nhau mỗi năm, và nếu chúng ta không có đủ trữ lượng trên đất liền thì mỗi tấn nước biển đều chứa vài gam boron. Và bất cứ ai có một chai axit boric trong tủ thuốc gia đình đều có thể coi rằng họ có nguồn dự trữ năng lượng riêng cho tương lai.

Văn học

Chất năng lượng mặt trời Bronstein M.P. - Câu lạc bộ sách Terra, 2002.

Đất trăng từ biển dồi dào. - M.: Nauka, 1974.

Chú thích cho hình ảnh minh họa

Ốm. 1. Chu trình helium của phản ứng tổng hợp hạt nhân bắt đầu bằng sự hợp nhất của hai proton thành hạt nhân deuterium. Ở các giai đoạn tiếp theo, các hạt nhân phức tạp hơn được hình thành. Chúng ta hãy viết ra một vài phản ứng đơn giản đầu tiên mà chúng ta sẽ cần sau này.
p + p → D + e - + n
D + D → T + p hoặc
D + D → 3 Anh + n
D + T → 4 Anh + n
D + 3 Anh → 4 Anh +2p
p + 11 Bé → 3 4 Anh
Tốc độ phản ứng được xác định bởi xác suất vượt qua hàng rào tĩnh điện khi hai ion tích điện dương tiếp cận nhau và xác suất xảy ra phản ứng tổng hợp hạt nhân (còn gọi là tiết diện tương tác). Đặc biệt, động năng của hạt nhân càng cao và điện tích của nó càng thấp thì khả năng vượt qua hàng rào tĩnh điện càng lớn và tốc độ phản ứng càng cao (xem biểu đồ). Tham số chính của lý thuyết năng lượng nhiệt hạch - tiêu chí đánh lửa phản ứng - xác định mật độ và nhiệt độ của nhiên liệu plasma mà năng lượng giải phóng trong quá trình nhiệt hạch (tỷ lệ với tốc độ phản ứng nhân với mật độ plasma và thời gian đốt cháy) sẽ vượt quá chi phí của làm nóng plasma, có tính đến tổn thất và hiệu quả. Phản ứng của deuterium và tritium có tốc độ cao nhất và để đạt được sự đánh lửa, plasma có nồng độ khoảng 10 14 cm -3 phải được làm nóng đến một trăm rưỡi triệu độ và giữ trong 1-2 giây. Để đạt được sự cân bằng năng lượng tích cực trong các phản ứng liên quan đến các thành phần khác - helium-3 hoặc boron, tốc độ thấp hơn phải được bù đắp bằng cách tăng nhiệt độ và mật độ của plasma lên hàng chục lần. Nhưng một vụ va chạm thành công của hai hạt nhân sẽ giải phóng năng lượng lớn hơn hàng nghìn lần năng lượng dùng để đốt nóng chúng. Các phản ứng ban đầu của chu trình helium, hình thành deuterium và tritium trong lõi mặt trời, diễn ra chậm đến mức các đường cong tương ứng không được đưa vào trường của biểu đồ này.

Ốm. 2. Gió mặt trời là dòng plasma loãng liên tục chảy từ bề mặt mặt trời vào không gian liên hành tinh. Gió chỉ mang đi khoảng 3x10 -14 khối lượng mặt trời mỗi năm, nhưng hóa ra nó lại là thành phần chính của môi trường liên hành tinh, dịch chuyển plasma giữa các vì sao khỏi vùng lân cận Mặt trời. Đây là cách nhật quyển được tạo ra - một loại bong bóng có bán kính khoảng một trăm đơn vị thiên văn, di chuyển cùng với Mặt trời thông qua khí liên sao. Như các nhà thiên văn học hy vọng, các vệ tinh Voyager 1 và Voyager 2 của Mỹ hiện đang tiến gần đến biên giới của nó, chúng sẽ sớm trở thành tàu vũ trụ đầu tiên rời khỏi hệ mặt trời. Gió mặt trời lần đầu tiên được phát hiện bởi trạm liên hành tinh Luna-2 của Liên Xô vào năm 1959, nhưng bằng chứng gián tiếp về sự hiện diện của dòng hạt đến từ Mặt trời đã được biết đến trước đó. Chính gió mặt trời là nguyên nhân gây ra bão từ mà cư dân trên Trái đất (xem “Khoa học và Cuộc sống” số 7, 2001). Gần quỹ đạo Trái đất, gió chỉ chứa trung bình sáu ion trên mỗi cm khối, di chuyển với tốc độ đáng kinh ngạc là 450 km/s, tuy nhiên, tốc độ này trên quy mô của hệ mặt trời không nhanh như vậy: phải mất ba ngày để du hành tới Trái đất. Gió mặt trời có 96% proton và 4% hạt nhân helium. Sự pha trộn của các yếu tố khác là không đáng kể.

Ốm. 3. Regolith mặt trăng là một lớp khá lỏng lẻo trên bề mặt Mặt trăng dày vài mét. Nó chủ yếu bao gồm các mảnh vụn nhỏ có kích thước trung bình dưới một milimet, tích tụ qua hàng tỷ năm do sự phá hủy đá mặt trăng do thay đổi nhiệt độ và tác động của thiên thạch. Các nghiên cứu về đất mặt trăng đã chỉ ra rằng càng có nhiều oxit titan trong lớp regolith thì càng có nhiều nguyên tử helium.

Ốm. 4. Sự hiện diện của titan ở lớp gần bề mặt có thể được phát hiện khá dễ dàng bằng phân tích quang phổ từ xa (màu đỏ trong ảnh bên phải của hình do vệ tinh Clementine thu được), và do đó thu được bản đồ về “các mỏ” helium, trong đó , nói chung, trùng với vị trí của biển mặt trăng.

Ốm. 5. Để chiết xuất một tấn helium-3, cần xử lý lớp regolith bề mặt trên diện tích ít nhất 100 km2. Trên đường đi, có thể thu được một lượng đáng kể các loại khí khác sẽ hữu ích cho việc sắp xếp sự sống trên Mặt trăng. Hình ảnh được lấy từ trang web

Heli-ba. Một câu nói lạ và khó hiểu. Tuy nhiên, càng đi xa, chúng ta sẽ càng nghe thấy nó nhiều hơn. Bởi vì, theo các chuyên gia, chính helium-3 sẽ cứu thế giới của chúng ta khỏi cuộc khủng hoảng năng lượng sắp xảy ra. Và trong doanh nghiệp này, vai trò tích cực nhất được giao cho Nga.

Mặt trăng

Năng lượng nhiệt hạch đầy hứa hẹn, sử dụng phản ứng nhiệt hạch deuterium-tritium làm cơ sở, mặc dù an toàn hơn năng lượng phân hạch hạt nhân được sử dụng trong các nhà máy điện hạt nhân hiện đại nhưng vẫn còn một số hạn chế đáng kể.

• Trước hết, phản ứng này giải phóng một số lượng neutron năng lượng cao lớn hơn nhiều (theo một bậc độ lớn!) Không có vật liệu nào được biết đến có thể chịu được dòng neutron mạnh như vậy trong hơn sáu năm - mặc dù thực tế là việc chế tạo một lò phản ứng có nguồn tài nguyên ít nhất là 30 năm là hợp lý. Do đó, bức tường đầu tiên của lò phản ứng nhiệt hạch tritium sẽ cần phải được thay thế - và đây là một quy trình rất phức tạp và tốn kém, đồng thời cũng liên quan đến việc phải đóng cửa lò phản ứng trong một khoảng thời gian khá dài.
• Thứ hai, cần phải che chắn hệ thống từ tính của lò phản ứng khỏi bức xạ neutron mạnh, điều này làm phức tạp và do đó, làm tăng chi phí thiết kế.
• thứ ba, nhiều thành phần cấu trúc của lò phản ứng tritium sau khi kết thúc hoạt động sẽ có hoạt tính cao và sẽ cần được chôn cất lâu dài trong các cơ sở lưu trữ được thiết kế đặc biệt cho mục đích này.

Trong trường hợp sử dụng deuterium với đồng vị helium-3 thay vì tritium trong lò phản ứng nhiệt hạch, hầu hết các vấn đề đều có thể được giải quyết. Cường độ dòng neutron giảm 30 lần - theo đó, tuổi thọ sử dụng 30-40 năm có thể dễ dàng được đảm bảo. Sau khi kết thúc hoạt động của lò phản ứng helium, sẽ không có chất thải cấp độ cao nào được tạo ra và độ phóng xạ của các thành phần cấu trúc sẽ thấp đến mức chúng có thể được chôn cất theo đúng nghĩa đen trong bãi rác của thành phố, được rắc nhẹ bằng đất.

Vấn đề là gì? Tại sao chúng ta vẫn chưa sử dụng nhiên liệu nhiệt hạch có lợi như vậy?

Trước hết, vì đồng vị này cực kỳ khan hiếm trên hành tinh của chúng ta. Nó được sinh ra từ Mặt trời, đó là lý do tại sao đôi khi nó được gọi là “đồng vị mặt trời”. Tổng khối lượng của nó ở đó vượt quá trọng lượng của hành tinh chúng ta. Helium-3 được gió mặt trời mang vào không gian xung quanh. Từ trường của Trái đất làm chệch hướng một phần đáng kể của cơn gió này, và do đó helium-3 chỉ chiếm một phần nghìn tỷ bầu khí quyển Trái đất - khoảng 4000 tấn. Trên Trái đất, nó thậm chí còn ít hơn - khoảng 500 kg.

Có nhiều đồng vị này hơn trên Mặt trăng. Ở đó, nó được nhúng vào đất mặt trăng “regolith”, có thành phần giống như xỉ thông thường. Chúng ta đang nói về trữ lượng khổng lồ - gần như vô tận!

Phân tích sáu mẫu đất do đoàn thám hiểm Apollo mang đến và hai mẫu được cung cấp bởi các trạm tự động của Liên Xô " Mặt trăng“, cho thấy lớp regolith bao phủ toàn bộ các vùng biển và cao nguyên trên Mặt trăng chứa tới 106 tấn helium-3, có thể đáp ứng nhu cầu năng lượng của trái đất, thậm chí còn tăng lên gấp nhiều lần so với năng lượng hiện đại, trong một thiên niên kỷ! Theo ước tính hiện đại, trữ lượng helium-3 trên Mặt trăng lớn hơn ba bậc - 109 tấn.

Ngoài Mặt trăng, helium-3 có thể được tìm thấy trong bầu khí quyển dày đặc của các hành tinh khổng lồ, và theo ước tính lý thuyết, riêng trữ lượng của nó trên Sao Mộc đã lên tới 1020 tấn, đủ để cung cấp năng lượng cho Trái đất cho đến khi hết thời gian.

dự án khai thác helium-3

Regolith bao phủ Mặt trăng bằng một lớp dày vài mét. Regolith của biển Mặt Trăng giàu helium hơn so với regolith của cao nguyên. 1 kg helium-3 được chứa trong khoảng 100.000 tấn regolith.

Vì vậy, để chiết xuất được đồng vị quý giá, cần phải xử lý một lượng lớn đất vụn của mặt trăng.

Có tính đến tất cả các tính năng, công nghệ sản xuất helium-3 phải bao gồm các quy trình sau:

1. Khai thác regolith.

Những “máy thu hoạch” đặc biệt sẽ thu thập regolith từ lớp bề mặt dày khoảng 2 m và đưa đến các điểm xử lý hoặc xử lý trực tiếp trong quá trình khai thác.

2. Giải phóng helium từ regolith.

Khi regolith được nung nóng đến 600?C, 75% helium chứa trong regolith được giải phóng (được giải hấp thụ) và khi được làm nóng đến 800?C, gần như toàn bộ helium được giải phóng. Người ta đề xuất đốt nóng bụi trong các lò nung đặc biệt, tập trung ánh sáng mặt trời bằng thấu kính nhựa hoặc gương.

3. Vận chuyển đến Trái đất bằng tàu vũ trụ có thể tái sử dụng.

Khi khai thác helium-3, nhiều chất cũng được chiết xuất từ ​​regolith: hydro, nước, nitơ, carbon dioxide, nitơ, metan, carbon monoxide, có thể hữu ích cho việc duy trì tổ hợp công nghiệp mặt trăng.

Dự án máy thu hoạch mặt trăng đầu tiên nhằm xử lý regolith và chiết xuất đồng vị helium-3 từ nó, đã được đề xuất bởi nhóm J. Kulczynski. Hiện tại, các công ty tư nhân của Mỹ đang phát triển một số nguyên mẫu, dường như sẽ được đưa ra cuộc thi sau khi NASA quyết định các tính năng của chuyến thám hiểm Mặt trăng trong tương lai.

Rõ ràng là, ngoài việc đưa máy gặt lên Mặt trăng, các cơ sở lưu trữ, căn cứ có người lái (để phục vụ toàn bộ tổ hợp thiết bị), một sân bay vũ trụ và nhiều hơn thế nữa sẽ phải được xây dựng ở đó. Tuy nhiên, người ta tin rằng chi phí cao để tạo ra cơ sở hạ tầng phát triển trên Mặt trăng sẽ được đền đáp xứng đáng trước cuộc khủng hoảng năng lượng toàn cầu sắp tới, khi các loại tài nguyên năng lượng truyền thống (than, dầu, khí tự nhiên) sẽ phải bị loại bỏ. .

Vấn đề công nghệ chính

Có một vấn đề quan trọng trên con đường tạo ra năng lượng dựa trên helium-3. Thực tế là phản ứng deuterium-helium-3 khó thực hiện hơn nhiều so với phản ứng deuterium-tritium.

Trước hết, rất khó để đốt cháy hỗn hợp các đồng vị này. Nhiệt độ ước tính mà tại đó phản ứng nhiệt hạch sẽ xảy ra trong hỗn hợp deuterium-tritium là 100-200 triệu độ. Khi sử dụng helium-3, nhiệt độ yêu cầu cao hơn hai bậc. Trên thực tế, chúng ta phải thắp sáng một mặt trời nhỏ trên Trái đất.

Tuy nhiên, lịch sử phát triển năng lượng hạt nhân (nửa thế kỷ qua) cho thấy nhiệt độ được tạo ra đã tăng lên một mức độ lớn trong vòng 10 năm. Vào năm 1990, tokamak JET của Châu Âu đã đốt cháy helium-3 và tạo ra công suất là 140 kW. Cùng khoảng thời gian đó, tokamak TFTR của Mỹ đã đạt đến nhiệt độ cần thiết để bắt đầu phản ứng trong hỗn hợp deuterium-helium.

Tuy nhiên, thắp sáng hỗn hợp vẫn là một nửa trận chiến. Nhược điểm của năng lượng nhiệt hạch là khó thu được lợi nhuận thực tế, vì chất lỏng hoạt động là plasma được nung nóng đến hàng triệu độ, phải được giữ trong từ trường.

Các thí nghiệm thuần hóa plasma đã được thực hiện trong nhiều thập kỷ, nhưng chỉ đến cuối tháng 6 năm ngoái tại Moscow, đại diện của một số quốc gia đã ký thỏa thuận xây dựng Lò phản ứng nhiệt hạch thử nghiệm quốc tế (ITER) ở miền nam nước Pháp. ở thành phố Cadarache - nguyên mẫu của một nhà máy điện nhiệt hạch thực tế. ITER sẽ sử dụng deuterium và tritium làm nhiên liệu.

Lò phản ứng nhiệt hạch helium-3 sẽ có cấu trúc phức tạp hơn ITER và cho đến nay nó thậm chí còn chưa có trong các dự án. Và mặc dù các chuyên gia hy vọng rằng nguyên mẫu lò phản ứng helium-3 sẽ xuất hiện trong 20-30 năm tới, nhưng hiện tại công nghệ này vẫn chỉ là tưởng tượng.

Vấn đề khai thác helium-3 đã được các chuyên gia phân tích trong phiên điều trần về tương lai của việc thăm dò và phát triển mặt trăng, được tổ chức vào tháng 4 năm 2004 tại Tiểu ban về Không gian và Hàng không của Ủy ban Khoa học Hạ viện Hoa Kỳ. Kết luận của họ rất rõ ràng: ngay cả trong tương lai xa, việc khai thác helium-3 trên Mặt trăng là hoàn toàn không có lãi.

Như John Logsdon, giám đốc Viện Chính sách Vũ trụ ở Washington, đã lưu ý: “Cộng đồng không gian Hoa Kỳ không coi việc khai thác helium-3 là một lý do nghiêm túc để quay trở lại Mặt trăng. Bay tới đó để tìm chất đồng vị này cũng giống như gửi Columbus tới Ấn Độ để lấy uranium năm trăm năm trước. Anh ấy có thể mang nó, và anh ấy sẽ mang nó, nhưng trong vài trăm năm nữa sẽ không ai biết phải làm gì với nó.”

Khai thác Helium-3 như một dự án quốc gia

“Chúng ta hiện đang nói về năng lượng nhiệt hạch trong tương lai và một loại nhiên liệu sinh thái mới không thể sản xuất được trên Trái đất. Chúng ta đang nói về sự phát triển công nghiệp trên Mặt trăng để khai thác helium-3.”

Tuyên bố này của người đứng đầu tập đoàn tên lửa và vũ trụ Energia, Nikolai Sevastyanov, được các nhà quan sát khoa học Nga coi là một đơn xin thành lập một “dự án quốc gia” mới.

Thật vậy, trên thực tế, một trong những chức năng chính của nhà nước, đặc biệt là trong thế kỷ 20, chính là việc đặt ra những nhiệm vụ cho xã hội ở mức độ tưởng tượng. Điều này cũng áp dụng cho nhà nước Xô Viết: điện khí hóa, công nghiệp hóa, chế tạo bom nguyên tử, vệ tinh đầu tiên, sự chuyển hướng của các dòng sông.

Ngày nay ở Liên bang Nga, nhà nước đang cố gắng nhưng không thể đưa ra những nhiệm vụ đang trên bờ vực bất khả thi. Nhà nước cần ai đó chứng minh đây là một dự án quốc gia và chứng minh những lợi ích mà dự án này mang lại về mặt lý thuyết. Chương trình phát triển và khai thác helium-3 từ Mặt trăng đến Trái đất nhằm cung cấp nhiên liệu nhiệt hạch đáp ứng một cách lý tưởng các yêu cầu này.

Alexander Zakharov, Tiến sĩ Khoa học Vật lý và Toán học, Thư ký Khoa học của Viện Nghiên cứu Vũ trụ thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Nga, nhấn mạnh trong một cuộc phỏng vấn: “Tôi chỉ nghĩ rằng có sự thiếu sót trong một số vấn đề công nghệ lớn”. “Có lẽ đây là lý do tại sao những cuộc bàn luận về việc khai thác helium-3 trên Mặt trăng để lấy năng lượng nhiệt hạch lại nổi lên gần đây. Nếu như Mặt trăng- một nguồn khoáng chất, và từ đó mang lại heli-3 này, nhưng trên Trái đất không có đủ năng lượng... Tất cả những điều này đều dễ hiểu, nghe rất đẹp. Và có thể dễ dàng thuyết phục những người có ảnh hưởng phân bổ tiền cho việc này. Tôi nghĩ vậy."

Có lẽ rất ít thứ trong lĩnh vực năng lượng nhiệt hạch được bao quanh bởi những huyền thoại như Helium 3. Trong những năm 80-90, nó đã được phổ biến rộng rãi như một loại nhiên liệu có thể giải quyết mọi vấn đề của phản ứng tổng hợp nhiệt hạch có kiểm soát và cũng là một trong những lý do để thoát ra ngoài của Trái đất (vì thực tế có hàng trăm kg trên trái đất và một tỷ tấn trên mặt trăng) và cuối cùng bắt đầu khám phá hệ mặt trời. Tất cả điều này dựa trên những ý tưởng rất kỳ lạ về khả năng, vấn đề và nhu cầu của năng lượng nhiệt hạch, ngày nay không tồn tại, mà chúng ta sẽ nói đến.

Máy chiết helium3 trên mặt trăng đã sẵn sàng, việc còn lại chỉ là tìm cách sử dụng nó.

Khi họ nói về helium3, họ muốn nói đến phản ứng tổng hợp nhiệt hạch He3 + D -> He4 + H hoặc He3 + He3 -> 2He4 + 2H. So với cổ điển D + T -> He4 +n không có neutron nào trong sản phẩm phản ứng, nghĩa là không có sự kích hoạt cấu trúc lò phản ứng nhiệt hạch bằng neutron siêu năng lượng. Ngoài ra, vấn đề được coi là neutron từ “kinh điển” mang đi 80% năng lượng từ plasma, do đó sự cân bằng tự phát nhiệt xảy ra ở nhiệt độ cao hơn. Một ưu điểm khác được ghi nhận của phương án helium là điện có thể được loại bỏ trực tiếp khỏi các hạt tích điện của phản ứng, thay vì đun nóng nước bằng neutron - như ở các nhà máy điện than cũ.

Vì vậy, tất cả những điều này không đúng, hay nói đúng hơn là một phần rất nhỏ của sự thật.

Hãy bắt đầu với thực tế là ở cùng mật độ huyết tương và nhiệt độ tối ưu, phản ứng He3 + D sẽ cho Ít hơn 40 lần giải phóng năng lượng trên mỗi mét khối plasma hoạt động. Trong trường hợp này, nhiệt độ cần thiết cho sự đứt gãy ít nhất 40 lần sẽ cao hơn 10 lần - 100 keV (hoặc một tỷ độ) so với 10 đối với D+T. Bản thân nhiệt độ như vậy là khá có thể đạt được (kỷ lục tokamak ngày nay là 50 kEV, chỉ tệ hơn hai lần), nhưng để thiết lập sự cân bằng năng lượng (tốc độ làm mát VS tốc độ gia nhiệt, bao gồm cả tự gia nhiệt), chúng ta cần tăng năng lượng. giải phóng gấp 50 lần với mét khối phản ứng He3 +D, điều này chỉ có thể thực hiện được bằng cách tăng mật độ lên gấp 50 lần. Kết hợp với việc tăng nhiệt độ lên gấp 10 lần, điều này mang lại tăng áp suất huyết tương lên 500 lần

- từ 3-5 atm đến 1500-2500 atm, đồng thời tăng áp suất ngược để giữ plasma này.

Nhưng những bức ảnh thật đầy cảm hứng.

Hãy nhớ rằng, tôi đã viết rằng nam châm trường hình xuyến ITER, tạo ra áp suất ngược cho plasma, hoàn toàn là những sản phẩm phá kỷ lục, là sản phẩm duy nhất trên thế giới về mặt thông số? Vì vậy, người hâm mộ He3 đề xuất chế tạo nam châm mạnh hơn 500 lần.

Các phản ứng nhiệt hạch khác nhau có thể áp dụng cho CTS. He3 + D cho nhiều năng lượng hơn D + T một chút, nhưng phần lớn năng lượng được tiêu tốn để khắc phục lực đẩy Coulomb (điện tích 3 chứ không phải 2) nên phản ứng diễn ra chậm.

Hãy bắt đầu với neutron. Các neutron trong lò phản ứng công nghiệp sẽ gây ra vấn đề nghiêm trọng, làm hỏng vật liệu cơ thể, làm nóng tất cả các nguyên tố đối diện với plasma đến mức chúng sẽ phải được làm mát bằng một dòng nước vừa phải. Và quan trọng nhất, việc kích hoạt vật liệu bằng neutron sẽ dẫn đến thực tế là thậm chí 10 năm sau khi lò phản ứng nhiệt hạch ngừng hoạt động, nó sẽ có hàng nghìn tấn cấu trúc phóng xạ không thể tháo rời bằng tay và sẽ được lưu trữ trong hàng trăm năm. và hàng ngàn năm. Việc loại bỏ neutron rõ ràng sẽ làm cho nhiệm vụ tạo ra một nhà máy điện nhiệt hạch trở nên dễ dàng hơn.

Phần năng lượng được neutron mang đi. Nếu bạn thêm nhiều He3 vào lò phản ứng, bạn có thể giảm xuống 1%, nhưng điều này sẽ thắt chặt hơn nữa các điều kiện đánh lửa.

Được rồi, vậy còn việc chuyển đổi trực tiếp năng lượng của các hạt tích điện thành điện năng thì sao? Các thí nghiệm cho thấy dòng ion có năng lượng 100 kEv có thể chuyển đổi thành điện năng với hiệu suất 80%. Chúng ta không có neutron ở đây... à, theo nghĩa là chúng không mang đi toàn bộ năng lượng mà chúng ta chỉ có thể nhận được ở dạng nhiệt - chúng ta hãy loại bỏ tua-bin hơi nước và lắp đặt bộ thu ion?

Đúng vậy, có những công nghệ chuyển đổi trực tiếp năng lượng plasma thành điện năng, chúng đã được nghiên cứu tích cực vào những năm 60-70 và cho thấy hiệu suất khoảng 50-60% (không phải 80, cần lưu ý). Tuy nhiên, ý tưởng này ít được áp dụng trong cả lò phản ứng D+T và He3+D. Bức ảnh này giúp bạn hiểu tại sao lại như vậy.

Nó cho thấy sự mất nhiệt từ plasma thông qua các kênh khác nhau. So sánh D+T và D + He3. Giao thông vận tải là thứ có thể được sử dụng để chuyển đổi trực tiếp năng lượng plasma thành điện năng. Nếu ở phiên bản D + T, mọi thứ đều bị lấy đi bởi các neutron khó chịu, thì trong trường hợp He3 + D, mọi thứ đều bị lấy đi bởi bức xạ điện từ của plasma, chủ yếu là synchrotron và tia X bremsstrahlung (trong hình Bremsstrahlung) . Tình huống gần như đối xứng, bạn vẫn cần loại bỏ nhiệt từ các bức tường và vẫn bằng cách chuyển đổi trực tiếp chúng tôi không thể nhận được nhiều hơn 10-15% năng lượng đốt nhiệt hạch và phần còn lại - theo cách cũ, thông qua động cơ hơi nước.

Minh họa từ nghiên cứu về chuyển đổi năng lượng plasma trực tiếp tại bẫy ngoài trời lớn nhất Gamma-10 ở Nhật Bản.

Ngoài những hạn chế về mặt lý thuyết, còn có những hạn chế về mặt kỹ thuật - trên thế giới (bao gồm cả ở Liên Xô) đã có những nỗ lực to lớn để tạo ra các thiết bị chuyển đổi trực tiếp năng lượng plasma thành điện năng cho các nhà máy điện thông thường, giúp tăng hiệu quả từ 35% đến 55%. Chủ yếu dựa trên máy phát MHD. 30 năm làm việc của các nhóm lớn chẳng thu được kết quả gì - tài nguyên lắp đặt lên tới hàng trăm giờ, trong khi các kỹ sư điện cần hàng nghìn, hàng chục nghìn. Đặc biệt, lượng tài nguyên khổng lồ dành cho công nghệ này đã dẫn đến thực tế là nước ta đã tụt lại phía sau trong việc sản xuất các tua bin khí tạo ra năng lượng và các đơn vị chu trình tua bin hơi nước (mang lại mức tăng hiệu suất giống hệt nhau - từ 35 đến 55%!).

Nhân tiện, nam châm siêu dẫn mạnh cũng cần thiết cho máy phát MHD. Dưới đây là nam châm SP cho máy phát MHD 30 megawatt.

Trong những tháng gần đây, các phương tiện truyền thông đã bàn tán rất nhiều về sự hiện diện của một số quốc gia (chủ yếu là Hoa Kỳ, Nga và Trung Quốc) về các dự án khai thác helium-3 cho các phản ứng nhiệt hạch có kiểm soát. Những dự án này được nhiều người coi là giải pháp cho mọi vấn đề của nhân loại theo đúng nghĩa đen. Vậy helium-3 là gì?

Trong số tất cả các nguyên tử helium tồn tại trên Trái đất, 99,999862% nguyên tử có khối lượng gấp 4 lần khối lượng nguyên tử hydro. Đây là helium-4. Hạt nhân nguyên tử của nó là các hạt alpha được hình thành trong quá trình phân rã phóng xạ. Và 0,000138% nguyên tử helium còn lại chỉ nặng hơn nguyên tử hydro 3 lần. Đây là helium-3.

Tỷ lệ helium-3 và helium-4 trên quy mô của Vũ trụ khác nhau đáng kể - ở đó số lượng các đồng vị này khác nhau xấp xỉ một bậc độ lớn. Trong vật chất thiên thạch và đá mặt trăng, hàm lượng helium-3 dao động từ 17 đến 32% tổng lượng helium. Hàng tỷ năm trước trên Trái đất, tỷ lệ helium-4 và helium-3 giống như trong toàn bộ Vũ trụ. Tuy nhiên, theo thời gian trôi qua kể từ đó, khí heli hình thành trong quá trình tổng hợp hạt nhân sơ cấp đã bốc hơi hoàn toàn khỏi bầu khí quyển trái đất. Và tất cả khí heli trên Trái đất ngày nay đều được hình thành do sự phân rã phóng xạ. Tức là hầu như chỉ có helium-4 tồn tại trên Trái đất. Và helium-3 chỉ được hình thành trên Mặt trời do các phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở đó (chủ yếu là helium-4 được hình thành trên Mặt trời, nhưng rất nhiều helium-3 cũng được hình thành ở đó). Từ Mặt trời, các nguyên tố này bay vào không gian dưới dạng gọi là “gió mặt trời” (một loại tia vũ trụ đặc biệt). “Gió mặt trời” không đến được Trái đất và các hành tinh khác: bầu khí quyển và từ trường cản trở. Tuy nhiên, chẳng hạn, trên Mặt trăng, nơi không có bầu khí quyển, các hạt "gió mặt trời" rơi xuống và "bị mắc kẹt" trong lớp đất bề mặt.

Cho đến một thời điểm nào đó, những sự thật này chỉ mang tính lý thuyết thuần túy. Ở mức độ thực tế, mọi người bắt đầu nói về helium-3 khi rõ ràng rằng dầu sẽ cạn kiệt trong những thập kỷ tới. Than và khí đốt sẽ tồn tại lâu hơn một chút, nhưng cũng không lâu. Rõ ràng, cách duy nhất để giải quyết vấn đề năng lượng là sử dụng năng lượng của hạt nhân nguyên tử. Tuy nhiên, trữ lượng uranium cũng không phải là vô hạn... Vì vậy, ý tưởng sử dụng phản ứng tổng hợp nhiệt hạch luôn phổ biến trong nửa thế kỷ qua.

Trong các phản ứng nhiệt hạch xảy ra trên Mặt trời, bốn nguyên tử đồng vị nhẹ của hydro kết hợp với nhau tạo thành một nguyên tử helium, giải phóng năng lượng. Tuy nhiên, đối với các phản ứng nhiệt hạch được tạo ra trên Trái đất, đồng vị nhẹ của hydro (chiếm 99,985% tổng lượng hydro) không phù hợp vì phản ứng nhiệt hạch của các đồng vị hydro nhẹ có tiết diện cực nhỏ (xác suất phản ứng). Chính tiết diện phản ứng thấp này đã đảm bảo sự ổn định của Mặt trời - nếu không nó sẽ không phải là phản ứng nhiệt hạch ổn định mà là một vụ nổ nhiệt hạch.

Đối với các phản ứng nhiệt hạch được tạo ra trên Trái đất, chúng ta cần “hydro nặng” - deuterium. Trong số hydro tồn tại trên Trái đất (chủ yếu ở dạng nước), deuterium chiếm 0,015%. Nó có thể được chiết xuất bằng cách điện phân nước thông thường, trong đó deuterium chiếm 0,0017% trọng lượng. Tuy nhiên, ngoài deuterium, phản ứng nhiệt hạch còn cần có thành phần thứ hai, nguyên tử của thành phần này phải nặng hơn hydro gấp 3 lần. Đây có thể là “hydro siêu nặng”, được gọi là tritium, hoặc cùng loại helium-3. Tritium không tồn tại trên Trái đất; ngoài ra, nó rất có tính phóng xạ và không ổn định. Triti thích hợp cho bom hydro và các cơ sở thí nghiệm, nhưng không thích hợp cho các lò phản ứng “công nghiệp” (trong bom hydro, tritium được hình thành khi lithium bị chiếu xạ neutron do phản ứng: 6 Li + n -> 3 H + 4 He) . Phản ứng nhiệt hạch xảy ra với sự tham gia của tritium được mô tả bằng phương trình sau: 2H + 3H -> 4He + n + 17,6 MeV. Phản ứng này được coi là phản ứng chính trong các dự án đã được quy hoạch, đặc biệt là dự án ITER quốc tế đang được tạo ra.

Tuy nhiên, nhược điểm của phản ứng như vậy trước hết là cần tritium có tính phóng xạ cao và thứ hai là thực tế là trong phản ứng như vậy bức xạ neutron mạnh được tạo ra. Do đó, các dự án gần đây đã được tạo ra cho phản ứng nhiệt hạch “không có neutron”, nhiên liệu cho phản ứng này là helium-3, một đồng vị nhẹ của helium. Các phương trình phản ứng không có neutron là:

3 He + 3 He -> 4 He + 2p + 12,8 MeV,
3 He + D -> 4 He + p + 8,35 MeV.

Ưu điểm của phản ứng helium-3 so với phản ứng deuterium-tritium là, thứ nhất, nó không cần các đồng vị phóng xạ làm nhiên liệu, và thứ hai, năng lượng thu được được mang đi không phải bằng neutron mà bằng proton, từ đó sẽ dễ dàng hơn để lấy năng lượng từ đó.

Vấn đề duy nhất là sự vắng mặt ảo của helium-3 trên Trái đất. Tuy nhiên, như đã nêu ở trên, helium-3 có trong đất mặt trăng. Do đó, để có nguồn năng lượng sau khi nhiên liệu hóa thạch cạn kiệt, các cơ quan vũ trụ từ các quốc gia khác nhau đang phát triển kế hoạch xây dựng căn cứ trên Mặt trăng để xử lý đất mặt trăng (gọi là regolith), chiết xuất helium-3 từ đó và hóa lỏng nó. cung cấp nó cho các nhà máy điện hạt nhân trên Trái đất. Một tấn helium-3 đủ để đáp ứng nhu cầu năng lượng của toàn nhân loại trong vài năm, sẽ trang trải mọi chi phí để tạo ra căn cứ trên mặt trăng. Bush đã đặt ra mục tiêu: tạo ra một căn cứ trên mặt trăng của Mỹ vào năm 2015-2020.

Điều gì đang được thực hiện ở Nga ngày nay? Dưới đây là một lựa chọn các tin nhắn từ các hãng tin tức

"Nga có thể tiếp tục chương trình mặt trăng trong vòng vài năm tới
Ngày 15 tháng 1 năm 2004

Vấn đề nối lại các chương trình thám hiểm Mặt trăng và Sao Hỏa đang được thảo luận ở Nga, Phó Giám đốc thứ nhất của Rosaviakosmos Nikolai Moiseev nói với ITAR-TASS. Ông nói: “Vào cuối năm nay, Chương trình Không gian Liên bang cho đến năm 2015 sẽ được phát triển, trong đó có thể bao gồm các dự án này”. Theo Moiseev, “có rất nhiều sáng kiến ​​​​từ các nhà khoa học nhằm tổ chức các chuyến thám hiểm tới Mặt trăng và Sao Hỏa, nhưng vẫn chưa biết sáng kiến ​​nào trong số đó sẽ được đưa vào chương trình liên bang”.

Roald Kremnev, Phó Tổng Giám đốc thứ nhất của Hiệp hội Nghiên cứu và Sản xuất Lavochkin cho biết, Nga có thể hồi sinh chương trình mặt trăng trong vòng vài năm.
Kremnev khẳng định: “Sau sự sụp đổ của chương trình khám phá vệ tinh Trái đất của Liên Xô vào cuối những năm 70 của thế kỷ trước, chúng tôi đã hỗ trợ các phát triển khoa học và kỹ thuật về chủ đề này ở cấp độ hiện đại trong hơn ba thập kỷ”. Theo ông, vào thời điểm hiện tại tại doanh nghiệp nơi Lunokhod huyền thoại được tạo ra, “có tình trạng tồn đọng nghiêm trọng các máy tự động trên mặt trăng”. Theo Kremnev, việc tạo ra và ra mắt một thiết bị như vậy sẽ tiêu tốn 600 triệu rúp.

Viện sĩ Eric Galimov, thành viên Văn phòng Hội đồng Vũ trụ RAS cho biết, các nguồn năng lượng mặt trăng có thể cứu Trái đất khỏi cuộc khủng hoảng năng lượng toàn cầu. Nhà khoa học tuyên bố tritium được khai thác trên Mặt trăng và đưa đến Trái đất có thể được sử dụng cho phản ứng tổng hợp nhiệt hạch.
Nguồn: NEWSru.com

Nhà khoa học Nga đề xuất dùng máy ủi để cào nhiên liệu thần kỳ từ Mặt trăng
Ngày 23 tháng 1 năm 2004

Viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Nga, thành viên Văn phòng Hội đồng Vũ trụ của Viện Hàn lâm Khoa học Nga Eric Galimov tin rằng cần phải bắt đầu ngay việc chuẩn bị cho việc khai thác nhiên liệu mặt trăng, ITAR-TASS đưa tin. Theo quan điểm của ông, việc khai thác helium-3 trên Mặt trăng và loại bỏ nó khỏi đó bằng tàu vũ trụ có thể bắt đầu sau 30-40 năm nữa.

“Để cung cấp năng lượng cho toàn nhân loại trong một năm, chỉ cần hai hoặc ba chuyến bay của tàu vũ trụ có sức chở 10 tấn, sẽ cung cấp helium-3 từ Mặt trăng... Chi phí vận chuyển liên hành tinh sẽ lên tới hàng chục ít hơn nhiều lần so với chi phí điện hiện được tạo ra tại các nhà máy điện hạt nhân"- Galimov nói.

Theo tính toán của nhà khoa học, việc cung cấp chất này có thể bắt đầu sau 30-40 năm nữa, nhưng công việc trong lĩnh vực này cần phải bắt đầu ngay bây giờ. Theo ông, việc phát triển dự án “sẽ chỉ cần 25-30 triệu đô la”. Nhà khoa học đề nghị thu thập helium-3 từ bề mặt mặt trăng bằng máy ủi đặc biệt.
Nguồn: Lenta.Ru

Tuần trước, trong bài phát biểu về chương trình không gian mới của Hoa Kỳ, Tổng thống Bush tuyên bố rằng cần thiết lập một căn cứ lâu dài trên Mặt trăng, đây sẽ là bước đầu tiên hướng tới việc khám phá không gian sâu hơn của con người. Ông cũng cho biết đất mặt trăng có thể được xử lý để sản xuất nhiên liệu tên lửa và không khí dễ thở.

Bush đã đưa ra ví dụ hai cách để xử lý đất mặt trăng, nhưng nhìn chung, danh sách khoáng sản mặt trăng khá dài... Silicon được tìm thấy trong đất mặt trăng có thể được sử dụng để chế tạo các tấm pin mặt trời, sắt - cho các cấu trúc kim loại khác nhau, nhôm, titan và magiê - để tạo ra một con tàu sẽ đi vào vũ trụ cách xa Trái đất.
Và tất nhiên, họ sẽ khai thác đồng vị helium-3 trên Mặt trăng, một chất rất hiếm trên Trái đất và việc sản xuất nó trong điều kiện trên mặt đất rất tốn kém.

(dựa trên SiliconValley.com)

Vào tháng 3 năm 2003, ban lãnh đạo chương trình không gian Trung Quốc chính thức tuyên bố bắt đầu công việc gửi tàu thăm dò nghiên cứu lên Mặt trăng. Gần đây, giám đốc khoa học của dự án này, Viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc Ouyang Ziyuan, đã tuyên bố rằng ở giai đoạn đầu tiên của chuyến thám hiểm mặt trăng, Trung Quốc hy vọng sẽ đóng góp lớn cho khoa học và phát triển công nghệ vũ trụ. Vì vậy, dự án mặt trăng của Trung Quốc hứa hẹn sẽ nhanh chóng thu được lợi nhuận.

Giai đoạn đầu tiên trong chương trình thám hiểm mặt trăng của Trung Quốc sẽ đo độ dày của đất mặt trăng, ước tính tuổi của bề mặt và xác định lượng helium-3 (một đồng vị helium rất hiếm trên Trái đất có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho lò phản ứng nhiệt hạch) hiện diện ở đó.
(dựa trên tài liệu từ SpaceDaily)

Các cuộc thảo luận thú vị về các chương trình không gian cần thiết để có được trữ lượng helium-3 được đưa ra trong bài báo của Ứng viên Khoa học Kỹ thuật, Thành viên tương ứng của Học viện Du hành vũ trụ. K. E. Tsiolkovsky Yury Eskov “Vì nhiên liệu sạch - thành Uranium,” đăng trên Rossiyskaya Gazeta, ngày 11 tháng 4 năm 2002. Tác giả viết rằng việc tìm kiếm helium-3 trong bầu khí quyển của các hành tinh khổng lồ xa xôi thậm chí còn hiệu quả hơn trên Mặt trăng, chẳng hạn như Sao Thiên Vương, trong đó helium-3 là 1:3000 (lớn hơn một nghìn lần so với trong Mặt Trăng). đất). Theo đề xuất của tác giả, “Việc khai thác helium-3 và đưa nó đến Trái đất phải được thực hiện bằng tàu vũ trụ không người lái dùng một lần (“tàu chở dầu”), động cơ hạt nhân điện tử có công suất 100.000 kW hoạt động trong toàn bộ hai- đường bay. Trong 10 năm nữa, thiết bị này sẽ đi được quãng đường khó tưởng tượng là 6 tỷ km. Lưu ý rằng một động cơ có khả năng bao phủ khoảng cách khổng lồ như vậy trong thời gian chấp nhận được (10 năm) chỉ có thể hoạt động bằng năng lượng hạt nhân, sử dụng cùng loại nhiên liệu như các nhà máy điện hạt nhân hiện tại (về nguyên tắc, bạn có thể bay bằng pin mặt trời, nhưng sau đó là thiết bị sẽ nặng hàng trăm nghìn tấn); Hơn nữa, động cơ nói trên còn rất “bẩn” với môi trường. Tuy nhiên, mẹo nhỏ là nó được phóng từ quỹ đạo cao gần Trái đất và dành toàn bộ cuộc đời của mình trong không gian, do đó nó không tạo ra bất kỳ vấn đề môi trường nào cho dân số Trái đất.

Hệ thống cung cấp liên tục cho các nhà máy điện hạt nhân trên mặt đất với tổng công suất 3 tỷ kW sẽ bao gồm các “tàu chở dầu” định kỳ (bốn lần một năm) được phóng từ quỹ đạo Trái đất thấp. Nguồn cung cấp nhiên liệu của thiết bị chỉ đủ cho một chuyến đi: nó sẽ đến mục tiêu khi bình rỗng. Sau khi bay tới Sao Thiên Vương và đi vào quỹ đạo trong bầu khí quyển của hành tinh, “tàu chở dầu” sẽ bắt đầu hoạt động ở chế độ thực vật để phân chia bầu khí quyển xung quanh thành các thành phần: từ khí hóa lỏng, nó sẽ giải phóng helium-3 và hydro thương mại, được sử dụng làm nhiên liệu cho chuyến bay về; hầu hết hydro và tất cả heli thông thường sẽ bị loại bỏ. Do đó, việc tiếp nhiên liệu trở lại (nếu không có nhiệm vụ quay trở lại là không thể) hóa ra hầu như miễn phí. Kết quả của chuyến bay, 70 tấn helium-3 lỏng sẽ được đưa lên quỹ đạo Trái đất thấp; Tại bất kỳ thời điểm nào cũng sẽ có khoảng 40 “tàu chở dầu” trên tuyến đường Trái đất-Sao Thiên Vương.

Một câu hỏi tự nhiên được đặt ra: các công nghệ hiện tại có thể đảm bảo hoạt động của một hệ thống như vậy ở mức độ nào? Trả lời: như người ta nói, hầu hết các yếu tố này đều “về phần cứng”, phần còn lại ở mức độ phát triển thiết kế tiên tiến, một phần được đưa vào giai đoạn thử nghiệm. Vấn đề chính ở đây là nhà máy điện trên tàu. Cho đến nay, kinh nghiệm tích cực to lớn đã được tích lũy trong việc chế tạo và vận hành các lò phản ứng của các nhà máy điện hạt nhân trên đất liền có công suất 4 triệu kW với tuổi thọ lên tới 30 năm; công suất lò phản ứng của tàu ngầm hạt nhân đạt 100.000 kW với nguồn lực hàng chục năm, trong nước cũng có kinh nghiệm trong việc chế tạo và vận hành các cơ sở hạt nhân cỡ nhỏ độc đáo cho tàu vũ trụ có công suất lên tới 100 kW; lò phản ứng nhiệt độ cao cho động cơ hạt nhân không gian đã được thử nghiệm ở cả Mỹ và Liên Xô. Về kích thước của phương tiện không người lái được phóng (450 tấn, bao gồm 200 tấn nhiên liệu), nó tương ứng với khối lượng của ISS (và trong thiết kế cuối cùng, khối lượng của ISS được lên kế hoạch thậm chí còn lớn hơn) ; tổng lượng hàng hóa hàng năm đưa vào quỹ đạo (1900 tấn) ít hơn so với kế hoạch cho các chương trình tiêu chuẩn (thông tin liên lạc không gian, phát sóng truyền hình, v.v.). Phần lớn các bộ phận của nhà máy helium-hydro trên quỹ đạo như vậy đã tồn tại cho đến ngày nay và hoạt động thành công trong ngành công nghiệp đông lạnh.” Tác giả cho rằng ngay cả với trình độ phát triển công nghệ như hiện nay, dự án như vậy vẫn mang lại lợi nhuận khá cao về mặt kinh tế: “Giá bán điện trên thế giới dao động từ 5 đến 10 cent/kW. h. Từ số học đơn giản, rõ ràng là việc vận chuyển helium-3 từ Sao Thiên Vương sẽ vẫn mang lại lợi nhuận ngay cả với mức giá 1 tấn trị giá 10 tỷ đô la. Giá để phóng một nhà máy như vậy lên quỹ đạo là 10 triệu USD/tấn (nhân tiện, đây là giá vàng hiện tại) và trong tương lai gần, các phương tiện phóng có thể tái sử dụng sẽ giảm mức giá này xuống còn 1 triệu USD/tấn hàng hóa đã phóng. ”

Người ta thường nói rằng các ngành thâm dụng tri thức (hạt nhân, vũ trụ, v.v.) là đầu tàu của nền kinh tế. Trường hợp với helium-3 cũng là trường hợp tương tự. Phương pháp này, sẽ giải quyết vấn đề năng lượng trong một thời gian đủ dài, nếu có thể tìm được nguồn vốn để thực hiện, có thể trở thành cơ hội cho sự tiến bộ trong các ngành công nghiệp thâm dụng khoa học của Nga: cả ngành du hành vũ trụ (là một chủ đề để thảo luận riêng). ) và công nghệ nhiệt hạch.
Hiện tại, có hai hướng chính trong phản ứng tổng hợp nhiệt hạch: tokamaks và phản ứng tổng hợp laser. Lựa chọn đầu tiên trong số này hiện đang được triển khai trong dự án lò phản ứng nhiệt hạch thử nghiệm quốc tế ITER. Lò phản ứng này được thiết kế theo thiết kế “tokamak” (viết tắt của cụm từ “TORIDAL CHAMBER WITH MAGNETIC COILS”). Nguyên lý hoạt động của tokamak như sau: một dòng điện được tạo ra trong cục máu đông, đồng thời, giống như bất kỳ dòng điện nào, nó phát triển từ trường của riêng mình - cục máu đông, như vốn có, trở thành một nam châm. Và sau đó, bằng cách sử dụng một từ trường bên ngoài có cấu hình nhất định, đám mây plasma lơ lửng ở giữa buồng, không cho phép nó tiếp xúc với các bức tường. Luôn có các ion và electron tự do trong khí, chúng bắt đầu chuyển động theo vòng tròn trong buồng. Dòng điện này làm nóng chất khí, số lượng nguyên tử bị ion hóa tăng lên, đồng thời cường độ dòng điện tăng lên và nhiệt độ plasma tăng lên. Điều này có nghĩa là số lượng hạt nhân hydro hợp nhất thành hạt nhân helium và giải phóng năng lượng ngày càng tăng. Tuy nhiên, các thí nghiệm bắt đầu cách đây gần 50 năm tại Viện Năng lượng nguyên tử Mátxcơva cho thấy huyết tương lơ lửng trong từ trường hóa ra không ổn định - cục huyết tương rất nhanh chóng “tan rã” và rơi ra thành buồng. Hóa ra sự kết hợp của một số quá trình vật lý phức tạp sẽ dẫn đến sự mất ổn định. Ngoài ra, hóa ra thời gian giam giữ plasma ổn định tăng lên khi tăng kích thước lắp đặt. Máy nội địa lớn nhất, TOKAMAK-15, đã có buồng chân không hình xuyến với đường kính ngoài “bánh rán” hơn 5 mét. Tokamak nghiên cứu lớn được chế tạo ở Nga, Nhật Bản, Mỹ, Pháp và Anh. Và vài năm trước, các chuyên gia đã đi đến kết luận rằng những vấn đề chưa được giải quyết còn lại cần được điều tra tại một cơ sở càng gần lò phản ứng nhiệt hạch công suất thực càng tốt. Sự hiểu biết này đã dẫn đến việc tạo ra ITER. Tùy chọn tiến hành phản ứng nhiệt hạch có kiểm soát này khác với tất cả các phương pháp và cách lắp đặt khác, chủ yếu ở chỗ nó phần lớn đã rời khỏi vùng nghi ngờ và tìm kiếm. Nhờ cơ sở dữ liệu rộng lớn về dữ liệu vật lý và kỹ thuật được tích lũy trong hơn 50 năm nghiên cứu, ông đã tiến gần đến giai đoạn của một lò phản ứng thử nghiệm. Rõ ràng, điều này đã truyền cảm hứng cho cộng đồng quốc tế tạo ra ITER - các nhà khoa học quyết định rằng ngay cả một quốc gia giàu có cũng không có ý nghĩa gì khi chỉ xây dựng lò phản ứng nhiệt hạch - kết quả sẽ là kiến ​​​​thức và kinh nghiệm vẫn sẽ trở thành tài sản chung và sẽ không đóng góp gì ngay lập tức tới nền kinh tế quốc gia. Đồng thời, bằng cách hợp lực, bạn có thể đẩy nhanh đáng kể tiến độ hướng tới lò phản ứng nhiệt hạch đang hoạt động của riêng mình và giảm chi phí của chính mình. Vì vậy, vào năm 1992, một thỏa thuận đã được ký kết về thiết kế kỹ thuật chung của lò phản ứng ITER dưới sự bảo trợ của IAEA. Và thiết kế ý tưởng của nó, theo sáng kiến ​​​​của nước ta, đã bắt đầu từ 4 năm trước. Nhóm thiết kế ITER bao gồm các chuyên gia đến từ Liên minh Châu Âu, Nga, Mỹ và Nhật Bản.
Một hướng khác trên con đường dẫn đến phản ứng nhiệt hạch có kiểm soát là phản ứng tổng hợp nhiệt hạch bằng laser (LTF). Nó bao gồm thực tế là mục tiêu “nguyên liệu thô” cho phản ứng nhiệt hạch được chiếu xạ từ mọi phía bằng chùm tia laser, và do đó tạo ra các điều kiện đủ để thực hiện phản ứng nhiệt hạch ở đó. Khó khăn là làm thế nào để thực hiện điều này về mặt kỹ thuật. Công việc luận án của tôi bao gồm tiến hành mô hình hóa máy tính về hiện tượng cộng hưởng quang học ở các mục tiêu hình cầu dưới sự chiếu xạ laser. Các tính toán cho thấy, trong những điều kiện nhất định, sự tập trung năng lượng xảy ra trong mục tiêu quang học, trong đó các điều kiện cần thiết cho phản ứng nhiệt hạch có thể phát sinh.

Nước nào làm chủ công nghệ nhiệt hạch trước các nước khác sẽ có được lợi thế to lớn so với các nước khác. Để Nga không đứng bên lề nền văn minh và tham gia phát triển các dự án này, cần có ý chí chính trị của lãnh đạo nhà nước, giống như các dự án hạt nhân và không gian của Liên Xô vào giữa thế kỷ XX. .