چگونگی تشکیل هلیوم 3 در ماه هلیوم 3 سوخت افسانه ای آینده است. ترکیب و ساختار

این ایزوتوپ قرار است برای نیازهای انرژی حرارتی هسته ای در ماه استخراج شود. با این حال، این موضوع مربوط به آینده ای دور است. با این وجود، هلیوم-3 امروزه به ویژه در پزشکی بسیار مورد تقاضا است.

ولادیمیر تسلنکو

مقدار کل هلیوم 3 در جو زمین تنها 35000 تن تخمین زده می شود که آزادسازی آن از گوشته به جو (از طریق آتشفشان ها و گسل های موجود در پوسته) به چندین کیلوگرم در سال می رسد. در سنگ سنگی قمری، هلیوم-3 به تدریج در طی صدها میلیون سال تابش باد خورشیدی انباشته شد. در نتیجه، یک تن خاک ماه حاوی 0.01 گرم هلیوم-3 و 28 گرم هلیوم-4 است. این نسبت ایزوتوپ (~0.04٪) به طور قابل توجهی بالاتر از جو زمین است.

برنامه های بلندپروازانه برای تولید هلیوم-3 در ماه که نه تنها توسط رهبران فضایی (روسیه و ایالات متحده)، بلکه توسط تازه واردان (چین و هند) به طور جدی مورد توجه قرار گرفته است، با این امید مرتبط است که بخش انرژی در این زمینه قرار می دهد. ایزوتوپ واکنش هسته ای 3He+D→4He+p در مقایسه با واکنش دوتریوم-تریتیوم T+D→4He+n که در شرایط زمینی قابل دستیابی است، دارای مزایای متعددی است.

این مزایا شامل شار نوترونی ده برابر کمتر از ناحیه واکنش است که به شدت رادیواکتیویته القایی و تخریب مواد ساختاری راکتور را کاهش می دهد. علاوه بر این، یکی از محصولات واکنش - پروتون - بر خلاف نوترون ها، به راحتی جذب می شود و می توان از آن برای تولید اضافی الکتریسیته استفاده کرد. در عین حال، هر دو هلیوم-3 و دوتریوم غیر فعال هستند، ذخیره سازی آنها نیازی به اقدامات احتیاطی خاصی ندارد و در صورت بروز حادثه در راکتور با کاهش فشار هسته، رادیواکتیویته انتشار نزدیک به صفر است. واکنش هلیوم-دوتریوم یک اشکال جدی نیز دارد - آستانه دمایی بسیار بالاتر (دمای حدود یک میلیارد درجه برای شروع واکنش لازم است).

اگرچه همه اینها مربوط به آینده است، هلیوم-3 هنوز هم امروزه تقاضای زیادی دارد. درست است، نه برای انرژی، بلکه برای فیزیک هسته ای، صنعت برودتی و پزشکی.

تصویربرداری رزونانس مغناطیسی

از زمان ظهور در پزشکی، تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) به یکی از روش های اصلی تشخیصی تبدیل شده است که به ما امکان می دهد بدون هیچ آسیبی به اندام های مختلف نگاه کنیم.

تقریباً 70٪ از جرم بدن انسان هیدروژن است که هسته آن، پروتون، دارای یک اسپین خاص و یک گشتاور مغناطیسی مرتبط است. اگر یک پروتون را در یک میدان مغناطیسی ثابت خارجی قرار دهید، اسپین و گشتاور مغناطیسی یا در امتداد میدان یا به سمت آن قرار می گیرند و انرژی پروتون در حالت اول کمتر از حالت دوم خواهد بود. یک پروتون را می توان از حالت اول به حالت دوم با انتقال انرژی کاملاً تعریف شده برابر با اختلاف بین این سطوح انرژی به آن منتقل کرد - برای مثال، با تابش آن به کوانتوم های میدان الکترومغناطیسی در فرکانس معین.

چگونه هلیوم-3 را مغناطیسی کنیم

ساده ترین و مستقیم ترین راه برای مغناطیسی کردن هلیوم 3 سرد کردن آن در یک میدان مغناطیسی قوی است. اما راندمان این روش بسیار کم است و همچنین نیاز به میدان مغناطیسی قوی و دمای پایین دارد. بنابراین، در عمل، از روش پمپاژ نوری استفاده می شود - انتقال اسپین به اتم های هلیوم از فوتون های پمپ قطبی شده. در مورد هلیوم-3، این در دو مرحله رخ می دهد: پمپاژ نوری در حالت فراپایدار و تبادل اسپین بین اتم های هلیوم در زمین و حالت های بی ثبات. از نظر فنی، این امر با تابش یک سلول با هلیوم-3 با تابش لیزر با قطبش دایره ای، که توسط یک تخلیه الکتریکی با فرکانس بالا ضعیف، در حضور یک میدان مغناطیسی ضعیف، به حالت فراپایدار منتقل می شود، محقق می شود. هلیوم پلاریزه را می توان در ظرفی که با سزیم پوشانده شده است با فشار 10 اتمسفر به مدت حدود 100 ساعت ذخیره کرد.

اسکنر MRI دقیقاً اینگونه کار می کند، اما تک تک پروتون ها را تشخیص نمی دهد. اگر نمونه ای حاوی تعداد زیادی پروتون را در یک میدان مغناطیسی قدرتمند قرار دهید، تعداد پروتون هایی که دارای گشتاور مغناطیسی در امتداد و به سمت میدان هستند تقریباً برابر خواهد بود. اگر شروع به تابش این نمونه با تابش الکترومغناطیسی با فرکانس کاملاً مشخص کنید، همه پروتون‌های دارای گشتاور مغناطیسی (و اسپین) «در امتداد میدان» برمی‌گردند و در موقعیت «به سمت میدان» قرار می‌گیرند. در این حالت جذب رزونانسی انرژی اتفاق می افتد و در طی فرآیند بازگشت به حالت اولیه که آرامش نامیده می شود، انتشار مجدد انرژی دریافتی رخ می دهد که قابل تشخیص است. این پدیده تشدید مغناطیسی هسته ای، NMR نامیده می شود. میانگین قطبش یک ماده، که سیگنال مفید در NMR به آن بستگی دارد، با قدرت میدان مغناطیسی خارجی نسبت مستقیم دارد. برای به دست آوردن سیگنالی که بتوان آن را تشخیص داد و از نویز جدا کرد، به یک آهنربای ابررسانا نیاز است - فقط می تواند یک میدان مغناطیسی با القای حدود 1-3 تسلا ایجاد کند.

گاز مغناطیسی

یک اسکنر MRI انباشت پروتون ها را "می بیند"، بنابراین برای مطالعه و تشخیص بافت های نرم و اندام های حاوی مقادیر زیادی هیدروژن (عمدتا به شکل آب) عالی است و همچنین تشخیص خواص مغناطیسی مولکول ها را ممکن می کند. به این ترتیب، مثلاً می توانید خون شریانی حاوی هموگلوبین (حامل اصلی اکسیژن در خون) را از خون وریدی حاوی دئوکسی هموگلوبین پارامغناطیس تشخیص دهید - این همان چیزی است که fMRI (MRI عملکردی) بر اساس آن است که به شما امکان می دهد فعالیت را نظارت کنید. نورون های مغز

اما، متأسفانه، چنین تکنیک شگفت انگیزی مانند MRI برای مطالعه ریه های پر از هوا کاملاً نامناسب است (حتی اگر آنها را با هیدروژن پر کنید، سیگنال یک محیط گازی با چگالی کم در برابر نویز پس زمینه بسیار ضعیف خواهد بود). و بافت های نرم ریه ها با MRI چندان قابل مشاهده نیستند، زیرا آنها "متخلخل" هستند و حاوی هیدروژن کمی هستند.

آیا می توان از این محدودیت عبور کرد؟ در صورت استفاده از گاز "مغناطیسی" ممکن است - در این حالت، قطبش متوسط ​​توسط میدان خارجی تعیین نمی شود، زیرا تمام (یا تقریباً همه) گشتاورهای مغناطیسی در یک جهت جهت گیری می شوند. و این به هیچ وجه تخیلی نیست: در سال 1966، فیزیکدان فرانسوی آلفرد کاستلر جایزه نوبل را با عبارت "برای کشف و توسعه روش های نوری برای مطالعه رزونانس های هرتز در اتم ها" دریافت کرد. او روی مسائل قطبش نوری سیستم های اسپین کار کرد - یعنی دقیقاً "مغناطیس" گازها (به ویژه هلیوم-3) با استفاده از پمپاژ نوری در طول جذب رزونانس فوتون های قطبی شده دایره ای.

رزونانس مغناطیسی هسته ای از خواص مغناطیسی هسته های هیدروژن - پروتون ها استفاده می کند. بدون میدان مغناطیسی خارجی، گشتاورهای مغناطیسی پروتون ها به طور تصادفی جهت گیری می شوند (مانند تصویر اول). هنگامی که یک میدان مغناطیسی قدرتمند اعمال می شود، گشتاورهای مغناطیسی پروتون ها به موازات میدان جهت گیری می کنند - یا "در امتداد" یا "به سمت". این دو موقعیت دارای انرژی های متفاوتی هستند (2). یک پالس فرکانس رادیویی با فرکانس تشدید مربوط به اختلاف انرژی، گشتاورهای مغناطیسی پروتون‌ها را به سمت میدان می‌چرخاند (3). پس از پایان پالس فرکانس رادیویی، یک "تلنگر" معکوس رخ می دهد و پروتون ها در یک فرکانس تشدید ساطع می کنند. این سیگنال توسط سیستم فرکانس رادیویی توموگراف دریافت می شود و توسط کامپیوتر برای ساخت تصویر استفاده می شود (4).

عمیق تر نفس بکش

استفاده از گازهای پلاریزه در پزشکی توسط گروهی از محققان دانشگاه پرینستون و نیویورک در استونی بروک آغاز شد. در سال 1994، دانشمندان مقاله ای را در مجله Nature منتشر کردند که اولین تصویر MRI از ریه های موش را نشان داد.

درست است، MRI کاملاً استاندارد نیست - این تکنیک بر اساس پاسخ نه هسته های هیدروژن (پروتون ها)، بلکه هسته های زنون-129 بود. علاوه بر این، گاز کاملاً معمولی نبود، بلکه بیش از حد قطبی شده بود، یعنی از قبل "مغناطیسی" شده بود. بنابراین یک روش تشخیصی جدید متولد شد که به زودی در پزشکی بشر مورد استفاده قرار گرفت.

گازهایپرپلاریزه (معمولاً با اکسیژن مخلوط می‌شود) به دورترین فرورفتگی‌های ریه‌ها می‌رسد، که امکان گرفتن تصویر MRI با وضوح بالاتر از بهترین تصاویر اشعه ایکس را فراهم می‌کند. حتی می توان یک نقشه دقیق از فشار جزئی اکسیژن در هر قسمت از ریه ها تهیه کرد و سپس در مورد کیفیت جریان خون و انتشار اکسیژن در مویرگ ها نتیجه گیری کرد. این تکنیک امکان بررسی ماهیت تهویه ریوی در بیماران آسمی و نظارت بر روند تنفس بیماران بحرانی را در سطح آلوئول ها فراهم می کند.

ام آر آی چگونه کار می کند؟ یک اسکنر MRI خوشه های پروتون - هسته اتم های هیدروژن - را تشخیص می دهد. بنابراین، تصویربرداری MR تفاوت هایی را در محتوای هیدروژن (عمدتاً آب) در بافت های مختلف نشان می دهد. راه های دیگری برای تشخیص یک بافت از بافت دیگر (مثلاً تفاوت در خواص مغناطیسی) وجود دارد که در تحقیقات تخصصی استفاده می شود.

مزایای MRI با استفاده از گازهای هایپرپلاریزه به همین جا ختم نمی شود. از آنجایی که گاز هیپرپلاریزه است، سطح سیگنال مفید بسیار بالاتر است (حدود 10000 برابر). این بدان معناست که نیازی به میدان‌های مغناطیسی فوق‌العاده قوی نیست و منجر به طراحی به اصطلاح اسکنرهای MRI با میدان کم می‌شود - آنها ارزان‌تر، متحرک‌تر و بسیار جادارتر هستند. چنین تاسیساتی از آهنرباهای الکترومغناطیس استفاده می کنند که میدانی در حد 0.005 تسلا ایجاد می کنند که صدها برابر ضعیف تر از اسکنرهای MRI استاندارد است.

مانع کوچک

اگرچه اولین آزمایش ها در این زمینه با زنون-129 هیپرپلاریزه شده انجام شد، اما به زودی با هلیوم-3 جایگزین شد. بی ضرر است، تصاویر واضح تری نسبت به زنون-129 تولید می کند و دارای گشتاور مغناطیسی سه برابری است که منجر به سیگنال NMR قوی تر می شود. علاوه بر این، غنی‌سازی زنون-129 به دلیل مجاورت جرم با سایر ایزوتوپ‌های زنون، فرآیندی پرهزینه است و قطبش قابل دستیابی گاز به طور قابل توجهی کمتر از هلیوم-3 است. علاوه بر این، زنون-129 اثر آرام بخش دارد.

اما اگر توموگرافی های میدان کم ساده و ارزان هستند، چرا روش MRI هلیوم هیپرپلاریزه در هر کلینیک استفاده نمی شود؟ یک مانع وجود دارد. اما چی!

میراث جنگ سرد

تنها راه برای تولید هلیوم 3، تجزیه تریتیوم است. بخش عمده ای از عرضه 3He از تجزیه تریتیوم تولید شده در طول مسابقه تسلیحات هسته ای جنگ سرد به دست می آید. در ایالات متحده، تا سال 2003، تقریباً 260000 لیتر هلیوم 3 "خام" (تصفیه نشده) انباشته شده بود و تا سال 2010 تنها 12000 لیتر گاز استفاده نشده باقی مانده بود. با توجه به افزایش تقاضا برای این گاز کمیاب، تولید مقادیر محدودی تریتیوم حتی در سال 2007 بازسازی شد و تا سال 2015 برنامه ریزی شده است که سالانه 8000 لیتر هلیوم-3 اضافی تولید شود. علاوه بر این، تقاضای سالانه برای آن در حال حاضر حداقل 40000 لیتر است (که تنها 5٪ آن در پزشکی استفاده می شود). در آوریل 2010، کمیته علم و فناوری ایالات متحده به این نتیجه رسید که کمبود هلیوم 3 منجر به پیامدهای منفی واقعی در بسیاری از مناطق خواهد شد. حتی دانشمندانی که در صنعت هسته‌ای ایالات متحده کار می‌کنند در به دست آوردن هلیوم-3 از ذخایر دولتی مشکل دارند.

خنک شدن با مخلوط کردن

صنعت دیگری که بدون هلیوم 3 نمی تواند کار کند، صنعت برودتی است. برای دستیابی به دمای فوق العاده پایین، به اصطلاح. یک یخچال انحلال که از اثر حل شدن هلیوم-3 در هلیوم-4 استفاده می کند. در دمای کمتر از 0.87 کلوین، مخلوط به دو فاز - غنی از هلیوم-3 و هلیوم-4- تقسیم می شود. انتقال بین این فازها به انرژی نیاز دارد و این باعث می شود تا دمای بسیار پایین خنک شود - تا 0.02 کلوین. ساده ترین چنین دستگاهی دارای منبع کافی هلیوم-3 است که به تدریج در سطح مشترک به فاز غنی از هلیوم حرکت می کند. -4 با جذب انرژی. هنگامی که عرضه هلیوم-3 تمام شود، دستگاه قادر به کار بیشتر نخواهد بود - "یکبار مصرف" است.
این روش خنک‌سازی به‌ویژه در رصدخانه مداری پلانک آژانس فضایی اروپا مورد استفاده قرار گرفت. کار پلانک شامل ثبت ناهمسانگردی تابش پس‌زمینه مایکروویو کیهانی (با دمای حدود 2.7 کلوین) در وضوح بالا با استفاده از 48 آشکارساز بولومتری HFI (ابزار فرکانس بالا) خنک‌شده تا 0.1 K بود. قبل از عرضه هلیوم-3 در خنک‌کننده سیستم خسته شده بود، پلانک موفق شد 5 عکس از آسمان در محدوده مایکروویو بگیرد.

قیمت حراج هلیوم-3 در حدود 2000 دلار در هر لیتر در نوسان است و هیچ روند نزولی مشاهده نمی شود. کمبود این گاز به این دلیل است که بخش عمده ای از هلیوم-3 برای ساخت آشکارسازهای نوترونی استفاده می شود که در دستگاه های تشخیص مواد هسته ای استفاده می شود. چنین آشکارسازهایی نوترون ها را با واکنش (n، p) ثبت می کنند - گرفتن یک نوترون و انتشار یک پروتون. و برای شناسایی تلاش‌ها برای واردات مواد هسته‌ای، تعداد زیادی از این آشکارسازها - صدها هزار قطعه - مورد نیاز است. به همین دلیل است که هلیوم-3 به طرز خارق العاده ای گران شده و برای طب انبوه غیرقابل دسترس است.

با این حال، امیدی وجود دارد. درست است، آنها بر اساس هلیوم-3 قمری نیستند (استخراج آن چشم انداز دور باقی می ماند)، بلکه بر اساس تریتیوم تولید شده در راکتورهای آب سنگین از نوع CANDU است که در کانادا، آرژانتین، رومانی، چین و کره جنوبی کار می کنند.

احتمالاً چیزهای کمی در زمینه انرژی گرما هسته ای توسط افسانه هایی مانند هلیوم 3 احاطه شده است. در دهه 80-90 به طور فعال به عنوان سوختی که تمام مشکلات همجوشی هسته ای کنترل شده را حل می کند و همچنین به عنوان یکی از دلایل خروج از آن رایج شد. از زمین (از آنجایی که صدها کیلوگرم از آن روی زمین و یک میلیارد تن در ماه وجود دارد) و در نهایت شروع به کاوش در منظومه شمسی کردند. همه اینها بر اساس ایده های بسیار عجیبی در مورد امکانات، مشکلات و نیازهای انرژی گرمای هسته ای است که امروزه وجود ندارد و در مورد آن صحبت خواهیم کرد.

دستگاه استخراج هلیوم 3 در ماه در حال حاضر آماده است، تنها چیزی که باقی می ماند یافتن یک کاربرد برای آن است.

وقتی آنها در مورد هلیوم 3 صحبت می کنند، منظور آنها واکنش های همجوشی گرما هسته ای است He3 + D -> He4 + Hیا He3 + He3 -> 2He4 + 2H. در مقایسه با کلاسیک D + T -> He4 +nهیچ نوترونی در محصولات واکنش وجود ندارد، به این معنی که ساختار راکتور گرما هسته ای توسط نوترون های فوق پرانرژی فعال نمی شود. علاوه بر این، مشکل این واقعیت در نظر گرفته می شود که نوترون های "کلاسیک" 80٪ انرژی را از پلاسما می برند، بنابراین تعادل خود گرمایشی در دمای بالاتر رخ می دهد. یکی دیگر از مزایای ثبت شده برای نسخه هلیوم این است که الکتریسیته را می توان مستقیماً از ذرات باردار واکنش حذف کرد، به جای گرم کردن آب با نوترون - مانند نیروگاه های زغال سنگ قدیمی.

بنابراین، همه اینها درست نیست، یا بهتر است بگوییم بخش بسیار کوچکی از حقیقت است.

بیایید با این واقعیت شروع کنیم که در همان چگالی پلاسما و دمای بهینه، واکنش He3 + D ایجاد می کند. 40 برابر کمترآزاد شدن انرژی در هر متر مکعب پلاسمای کار. در این حالت، دمای لازم برای حداقل یک گسیختگی 40 برابر، 10 برابر بیشتر خواهد بود - 100 کو (یا یک میلیارد درجه) در مقابل 10 برای D+T. به خودی خود ، چنین دمایی کاملاً قابل دستیابی است (رکورد توکاماک امروز 50 کیلو EV است ، فقط دو برابر بدتر) ، اما برای ایجاد تعادل انرژی (نرخ خنک کننده در مقابل نرخ گرمایش ، از جمله خود گرمایشی) باید افزایش دهیم. آزاد شدن انرژی 50 برابر با متر مکعب واکنش He3 + D که فقط با افزایش 50 برابر چگالی انجام می شود. همراه با افزایش 10 برابری دما، این امر می دهد افزایش 500 برابر فشار پلاسما- از 3-5 اتمسفر به 1500-2500 اتمسفر و همین افزایش فشار برگشتی برای نگهداری این پلاسما.

اما تصاویر الهام بخش هستند.

به یاد داشته باشید، من نوشتم که آهنرباهای میدان حلقوی ITER که باعث ایجاد فشار برگشتی به پلاسما می شوند، محصولاتی کاملاً رکورد شکن هستند و تنها از نظر پارامترها در جهان هستند؟ بنابراین، طرفداران He3 پیشنهاد می کنند که آهنرباها 500 برابر قدرتمندتر شوند.

خوب، بیایید مشکلات را فراموش کنیم، شاید مزایای این واکنش هزینه آنها را بپردازد؟

واکنش های گرما هسته ای مختلف که برای CTS قابل استفاده هستند. He3 + D کمی بیشتر از D + T انرژی می دهد، اما انرژی زیادی برای غلبه بر دافعه کولن (بار 3 و نه 2) صرف می شود، بنابراین واکنش کند است.

بیایید با نوترون شروع کنیم. نوترون ها در یک راکتور صنعتی یک مشکل جدی ایجاد می کنند، به مواد بدن آسیب می رسانند، تمام عناصر رو به پلاسما را چنان گرم می کنند که باید با جریان آب مناسب خنک شوند. و مهمتر از همه، فعال شدن مواد توسط نوترون ها منجر به این واقعیت می شود که حتی 10 سال پس از توقف راکتور گرما هسته ای، هزاران تن ساختار رادیواکتیو خواهد داشت که با دست نمی توان آنها را جدا کرد و صدها نفر در انبار خواهند ماند. و هزاران سال خلاص شدن از شر نوترون ها به وضوح کار ایجاد یک نیروگاه حرارتی هسته ای را آسان تر می کند.

کسری از انرژی که توسط نوترون ها منتقل می شود. اگر He3 بیشتری به راکتور اضافه کنید، می توانید آن را به 1٪ کاهش دهید، اما این شرایط اشتعال را بیشتر می کند.

خوب، پس در مورد تبدیل مستقیم انرژی ذرات باردار به الکتریسیته چطور؟ آزمایش‌ها نشان می‌دهند که جریانی از یون‌ها با انرژی 100 کیلو ولت می‌تواند با راندمان 80 درصد به برق تبدیل شود. ما اینجا نوترون نداریم... خوب، به این معنا که آنها تمام انرژی را که ما فقط می توانیم به شکل گرما دریافت کنیم، از بین نمی برند - بیایید از شر توربین های بخار خلاص شویم و کلکتورهای یونی نصب کنیم؟

بله، فناوری هایی برای تبدیل مستقیم انرژی پلاسما به الکتریسیته وجود دارد، آنها به طور فعال در دهه 60-70 مورد تحقیق قرار گرفتند و بازدهی حدود 50-60٪ (نه 80، لازم به ذکر است) را نشان دادند. با این حال، این ایده هم در راکتورهای D + T و هم در He3 +D ضعیف است. این تصویر به شما کمک می کند تا بفهمید چرا اینطور است.

اتلاف حرارت از پلاسما را از طریق کانال های مختلف نشان می دهد. D+T و D + He3 را با هم مقایسه کنید. حمل و نقل چیزی است که می توان از آن برای تبدیل مستقیم انرژی پلاسما به الکتریسیته استفاده کرد. اگر در نسخه D + T همه چیز توسط نوترون های ناخوشایند از ما گرفته شود، در مورد He3 + D همه چیز توسط تابش الکترومغناطیسی پلاسما، عمدتا سینکروترون و برمسترالونگ اشعه ایکس (در تصویر Bremsstrahlung) گرفته می شود. . وضعیت تقریباً متقارن است، شما هنوز هم باید گرما را از دیوارها حذف کنید و هنوز هم با تبدیل مستقیم ما نمی توانیم بیش از 10-15٪ دریافت کنیمانرژی احتراق حرارتی، و بقیه - به روش قدیمی، از طریق یک موتور بخار.

تصویری از یک مطالعه بر روی تبدیل مستقیم انرژی پلاسما در بزرگترین تله هوای آزاد، گاما-10، در ژاپن.

علاوه بر محدودیت‌های نظری، محدودیت‌های مهندسی نیز وجود دارد - در جهان (از جمله در اتحاد جماهیر شوروی) تلاش‌های زیادی برای ایجاد تأسیساتی برای تبدیل مستقیم انرژی پلاسما به برق برای نیروگاه‌های معمولی انجام شد که امکان افزایش راندمان را فراهم کرد. از 35% تا 55% عمدتا بر اساس ژنراتورهای MHD. 30 سال کار تیم های بزرگ به هیچ نتیجه ای نرسید - منبع نصب صدها ساعت بود، زمانی که مهندسان برق به هزاران و ده ها هزار نفر نیاز دارند. حجم عظیم منابع صرف شده برای این فناوری به ویژه به این واقعیت منجر شده است که کشور ما در تولید توربین های گازی مولد انرژی و واحدهای چرخه توربین گاز بخار (که دقیقا همان افزایش راندمان را فراهم می کند - عقب مانده است. از 35 تا 55 درصد!).

به هر حال، آهنرباهای ابررسانای قدرتمند برای ژنراتورهای MHD نیز مورد نیاز است. در اینجا آهنرباهای SP برای یک ژنراتور 30 ​​مگاواتی MHD نشان داده شده است.

کاندیدای علوم فیزیک و ریاضی A. PETRUKOVICH.

با دست سبک رئیس جمهور آمریکا در پایان سال 2003، موضوع اهداف جدید برای بشریت در فضا در دستور کار قرار گرفت. هدف از ایجاد یک ایستگاه قابل سکونت در ماه، در میان پیشنهادات دیگر، تا حدی بر اساس ایده وسوسه انگیز استفاده از ذخایر ماه منحصر به فرد هلیوم-3 برای تولید انرژی در زمین است. آینده نشان خواهد داد که هلیوم ماه مفید است یا خیر، اما داستان در مورد آن بسیار جذاب است و به ما امکان می دهد دانش خود را از ساختار هسته اتم و منظومه شمسی با جنبه های عملی انرژی و معدن مقایسه کنیم.

علم و زندگی // تصاویر

علم و زندگی // تصاویر

علم و زندگی // تصاویر

علم و زندگی // تصاویر

علم و زندگی // تصاویر

علم و زندگی // تصاویر

علم و زندگی // تصاویر

برای چی؟ یا همجوشی هسته ای - کیمیاگری در واقعیت

تبدیل سرب به طلا رویای کیمیاگران قرون وسطی بود. مثل همیشه، طبیعت ثروتمندتر از تصور انسان بود. واکنش های همجوشی هسته ای همه تنوع عناصر شیمیایی را ایجاد کرد و پایه های مادی جهان ما را پی ریزی کرد. با این حال، سنتز همچنین می تواند چیزی بسیار ارزشمندتر از طلا - انرژی - ارائه دهد. واکنش‌های هسته‌ای از این نظر شبیه واکنش‌های شیمیایی هستند (یعنی واکنش‌هایی که مولکول‌ها را تغییر می‌دهند): هر ماده ترکیبی، خواه یک مولکول یا یک هسته اتمی باشد، با انرژی پیوندی مشخص می‌شود که باید برای از بین بردن ترکیب صرف شود، و با تشکیل آزاد می شود. هنگامی که انرژی اتصال محصولات واکنش بالاتر از مواد اولیه باشد، واکنش با آزاد شدن انرژی ادامه می‌یابد و اگر یاد بگیرید که آن را به شکلی دریافت کنید، مواد اولیه می‌توانند به عنوان سوخت استفاده شوند. از میان فرآیندهای شیمیایی، مؤثرترین آنها از این نظر، همانطور که شناخته شده است، واکنش تعامل با اکسیژن - احتراق است که امروزه به عنوان منبع اصلی و غیر قابل جایگزین انرژی در نیروگاه ها، حمل و نقل و زندگی روزمره (حتی بیشتر) عمل می کند. انرژی در طی واکنش فلوئور، به ویژه مولکولی، با هیدروژن آزاد می شود.

انرژی اتصال پروتون‌ها و نوترون‌ها در هسته بسیار بیشتر از انرژی اتصال اتم‌ها به مولکول‌ها است و می‌توان آن را به معنای واقعی کلمه با استفاده از فرمول عالی اینشتین وزن کرد. E = mc 2: جرم هسته اتم به طور قابل توجهی کمتر از جرم تک تک پروتون ها و نوترون هایی است که آن را تشکیل می دهند. بنابراین، یک تن سوخت هسته ای جایگزین میلیون ها تن نفت می شود. با این حال، بیهوده نیست که همجوشی گرما هسته ای نامیده می شود: برای غلبه بر دافعه الکترواستاتیک هنگامی که دو هسته اتمی با بار مثبت به هم می رسند، باید آنها را به درستی شتاب دهید، یعنی سوخت هسته ای را تا صدها میلیون درجه گرم کنید ( به یاد داشته باشید که دما معیاری از انرژی جنبشی ذرات است). در واقع، در چنین دماهایی دیگر با گازها یا مایعات سر و کار نداریم، بلکه با حالت چهارم ماده - پلاسما روبرو هستیم که در آن هیچ اتم خنثی وجود ندارد، بلکه فقط الکترون و یون وجود دارد.

در طبیعت، چنین شرایطی که برای سنتز مناسب است، فقط در داخل ستارگان وجود دارد. خورشید انرژی خود را مدیون چرخه واکنش های هلیوم است: سنتز هسته هلیوم 4 از پروتون ها. در ستارگان غول پیکر و در طی انفجارهای ابرنواختر، عناصر سنگین تری نیز متولد می شوند، بنابراین کل تنوع عناصر در کیهان را تشکیل می دهند. (درست است، اعتقاد بر این است که بخشی از هلیوم می‌تواند مستقیماً در هنگام تولد کیهان، در طی انفجار بزرگ شکل گرفته باشد.) خورشید از این نظر کارآمدترین مولد نیست، زیرا برای مدت طولانی و آهسته می‌سوزد. : این فرآیند با اولین و کندترین واکنش همجوشی دوتریوم دو پروتون کند می شود. تمام واکنش‌های زیر بسیار سریع‌تر انجام می‌شوند و بلافاصله دوتریوم موجود را مصرف می‌کنند و آن را در چند مرحله به هسته‌های هلیوم تبدیل می‌کنند. در نتیجه، حتی اگر فرض کنیم که تنها یک صدم ماده خورشیدی واقع در هسته آن درگیر همجوشی باشد، آزاد شدن انرژی تنها 0.02 وات بر کیلوگرم است. با این حال، دقیقاً همین کندی است که عمدتاً توسط جرم کوچک و با معیارهای ستاره ای توضیح داده شده است (خورشید به دسته زیرکوتوله ها تعلق دارد) و تضمین پایداری جریان انرژی خورشیدی برای چندین میلیارد سال، که ما به آن اشاره می کنیم. مدیون وجود حیات بر روی زمین است. در ستارگان غول پیکر، تبدیل ماده به انرژی بسیار سریعتر است، اما در نتیجه، آنها طی ده ها میلیون سال خود را کاملاً می سوزانند، بدون اینکه حتی زمان لازم برای به دست آوردن سیستم های سیاره ای را داشته باشند.

فردی که تصمیم به انجام همجوشی گرما هسته ای در آزمایشگاه گرفته است، قصد دارد با ایجاد یک مولد انرژی کارآمدتر و فشرده تر از خورشید، طبیعت را گول بزند. با این حال، ما می‌توانیم واکنش بسیار آسان‌تری را انتخاب کنیم - سنتز هلیوم از مخلوط دوتریوم-تریتیوم. برنامه ریزی شده است که راکتور بین المللی گرما هسته ای پیش بینی شده - توکامک "ITER" بتواند به آستانه احتراق برسد، اما هنوز از استفاده تجاری از انرژی گرما هسته ای بسیار بسیار دور است (به "علم و زندگی" شماره مراجعه کنید. .، 2001). مشکل اصلی، همانطور که مشخص است، گرم نگه داشتن پلاسما تا دمای مورد نیاز است. از آنجایی که هیچ دیواری در چنین دمایی نمی تواند از تخریب جلوگیری کند، آنها سعی می کنند ابر پلاسما را با یک میدان مغناطیسی نگه دارند. در بمب هیدروژنی، مشکل با انفجار یک بار کوچک اتمی، فشرده سازی و گرم کردن مخلوط تا شرایط لازم حل می شود، اما این روش برای تولید انرژی صلح آمیز مناسب نیست. (در مورد چشم انداز انرژی به اصطلاح انفجاری، به «علم و زندگی» شماره 7، 2002 مراجعه کنید.)

عیب اصلی واکنش دوتریوم-تریتیوم رادیواکتیویته بالای تریتیوم است که نیمه عمر آن تنها 12.5 سال است. این کثیف ترین واکنش موجود در برابر تشعشعات است، به طوری که در یک راکتور صنعتی، دیوارهای داخلی محفظه احتراق هر چند سال یک بار به دلیل تخریب اشعه مواد، نیاز به تعویض دارند. درست است، مضرترین زباله های رادیواکتیو، که به دلیل زمان پوسیدگی طولانی، نیاز به دفن نامحدود در اعماق زمین دارد، به هیچ وجه در طول همجوشی تشکیل نمی شود. مشکل دیگر این است که انرژی آزاد شده عمدتاً توسط نوترون ها منتقل می شود. این ذرات که بار الکتریکی ندارند متوجه میدان الکترومغناطیسی نمی شوند و به طور کلی برهمکنش ضعیفی با ماده دارند، بنابراین گرفتن انرژی از آنها آسان نیست.

واکنش‌های همجوشی بدون تریتیوم، مانند واکنش‌هایی که شامل دوتریوم و هلیوم-3 می‌شوند، عملاً در برابر تشعشعات بی‌خطر هستند، زیرا فقط از هسته‌های پایدار استفاده می‌کنند و نوترون‌های نامناسب تولید نمی‌کنند. با این حال، برای "اشتعال" چنین واکنشی، لازم است، برای جبران سرعت همجوشی کمتر، پلاسما ده برابر داغتر - تا یک میلیارد درجه (در عین حال حل مشکل محدود کردن آن) گرم شود! بنابراین، امروزه چنین گزینه هایی به عنوان پایه ای برای راکتورهای حرارتی هسته ای آینده نسل دوم، پس از دوتریوم-تریتیوم در نظر گرفته می شوند. با این حال، ایده این انرژی گرما هسته ای جایگزین متحدان غیرمنتظره ای پیدا کرده است. طرفداران استعمار فضایی هلیوم-3 را یکی از اهداف اصلی اقتصادی انبساط ماه می دانند که باید نیازهای بشر به انرژی گرما هسته ای پاک را برآورده کند.

جایی که؟ یا مهمان آفتابی

در نگاه اول، هیچ مشکلی در مورد محل تهیه هلیوم وجود ندارد: این عنصر دومین عنصر فراوان در جهان است، و محتوای نسبی ایزوتوپ نور در آن کمی کمتر از یک هزارم است. با این حال، برای زمین، هلیوم عجیب و غریب است. این گاز بسیار فرار است. زمین نمی تواند آن را با گرانش خود نگه دارد و تقریباً تمام هلیوم اولیه ای که از ابر پیش سیاره ای در طول شکل گیری منظومه شمسی بر روی آن افتاد از جو به فضا بازگشت. حتی هلیوم برای اولین بار در خورشید کشف شد، به همین دلیل است که به نام هلیوس خدای یونان باستان نامگذاری شده است. بعدها در مواد معدنی حاوی عناصر رادیواکتیو یافت شد و سرانجام در جو در میان سایر گازهای نجیب یافت شد. هلیوم زمینی عمدتاً منشأ کیهانی نیست، بلکه منشأ تابش ثانویه دارد: در هنگام فروپاشی عناصر شیمیایی رادیواکتیو، ذرات آلفا - هسته هلیوم-4 - ساطع می شوند. هلیوم 3 به این ترتیب تشکیل نمی شود و بنابراین مقدار آن در زمین ناچیز است و به معنای واقعی کلمه به کیلوگرم می رسد.

می‌توانید هلیوم با منشأ کیهانی (با محتوای نسبتاً بالایی از هلیوم-3) در جو اورانوس یا نپتون - سیاراتی که به اندازه کافی بزرگ هستند تا این گاز سبک را در خود نگه دارند، یا روی خورشید ذخیره کنید. معلوم شد که رسیدن به هلیوم خورشیدی راحت تر است: کل فضای بین سیاره ای با باد خورشیدی پر شده است که در آن به ازای هر 70 هزار پروتون 3000 ذره آلفا وجود دارد - هسته هلیوم-4 و یک هسته هلیوم-3. این باد بسیار نادر است، طبق استانداردهای زمینی، خلاء واقعی است و گرفتن آن با تور غیرممکن است (به علم و زندگی مراجعه کنید، شماره 7، 2001). مثلاً روی ماه یک مگنتوسفر و جو نداشته باشد، و بنابراین، می توان برخی از تله های طبیعی را که در چهار میلیارد سال گذشته به طور مرتب در نتیجه بمباران پلاسما، چند صد میلیون تن پر شده است، خالی کرد هلیوم-3 در این مدت بر روی ماه سقوط کرد، اگر کل باد خورشیدی روی ماه باقی بماند، علاوه بر 5 گرم هلیوم-3 در هر متر مربع از سطح، به طور متوسط ​​​​100 کیلوگرم دیگر وجود خواهد داشت. هیدروژن و 16 کیلوگرم هلیوم-4 می تواند یک جو کاملاً مناسب ایجاد کند، فقط کمیاب تر از اقیانوسی از گاز مایع در عمق دو متری مریخ.

با این حال، چنین چیزی در ماه وجود ندارد و تنها بخش بسیار کمی از یون های باد خورشیدی برای همیشه در لایه بالایی خاک قمری - سنگ سنگی باقی می ماند. مطالعات انجام شده بر روی خاک ماه که توسط کاوشگرهای لونا شوروی و کاوشگرهای آپولو آمریکایی به زمین آورده شد، نشان داد که تقریباً 1/100 میلیونم هلیوم-3 یا 0.01 گرم در هر تن است. و در کل حدود یک میلیون تن از این ایزوتوپ در ماه وجود دارد که با استانداردهای زمینی بسیار است. در سطح کنونی مصرف انرژی جهانی، سوخت ماه به مدت 10 هزار سال دوام می آورد که تقریباً ده برابر بیشتر از پتانسیل انرژی همه سوخت های شیمیایی قابل استخراج (گاز، نفت، زغال سنگ) روی زمین است.

چگونه؟ یا «تولید در هر گرم، کار در سال»

متأسفانه، هیچ "دریاچه" هلیوم در ماه وجود ندارد. با این حال، از نقطه نظر فنی، فرآیند استخراج بسیار ساده است و با جزئیات توسط علاقه مندان به استعمار قمری توسعه یافته است (به عنوان مثال، www.asi.org را ببینید).

برای رفع نیازهای انرژی سالانه زمین، لازم است تنها حدود 100 تن هلیوم-3 از ماه بیاوریم. این مقدار است که مربوط به سه یا چهار پرواز شاتل فضایی است که در دسترس بودن آن را مجذوب خود می کند. با این حال، ابتدا باید حدود یک میلیارد تن خاک قمری را حفر کنید - طبق استانداردهای صنعت معدن، این مقدار زیاد نیست: به عنوان مثال، سالانه دو میلیارد تن زغال سنگ در جهان استخراج می شود (در روسیه - حدود 300). میلیون تن). البته، محتوای هلیوم-3 در سنگ خیلی زیاد نیست: به عنوان مثال، توسعه ذخایر در صورتی مقرون به صرفه تلقی می شود که حاوی حداقل چندین گرم طلا باشد و الماس - حداقل دو قیراط (0.4 گرم) در هر تن از این نظر، هلیوم-3 را فقط می توان با رادیوم مقایسه کرد که از آغاز قرن بیستم تنها چند کیلوگرم از آن تولید شده است: پس از فرآوری یک تن اورانیوم خالص، تنها 0.4 گرم رادیوم به دست می آید. مشکلات استخراج خود اورانیوم در آغاز قرن گذشته، در دوره نگرش عاشقانه نسبت به رادیواکتیویته، رادیوم نه تنها برای فیزیکدانان، بلکه برای غزل سرایان نیز بسیار محبوب بود: بیایید این عبارت مایاکوفسکی را به خاطر بسپاریم: «شعر همان است تولید رادیوم در هر گرم، نیروی کار در سال. اما هلیوم-3 تقریباً از هر ماده ای که توسط انسان استفاده می شود گران تر است - اگر پتانسیل انرژی هلیوم را با قیمت مقرون به صرفه 7 دلار در هر بشکه تبدیل کنیم، یک تن حداقل یک میلیارد دلار هزینه دارد.

این گاز به راحتی از سنگ سنگی که تا چند صد درجه گرم شده است، آزاد می شود، مثلاً با کمک یک آینه متمرکز کننده خورشیدی. فراموش نکنیم که هلیوم-3 هنوز باید از تعداد بسیار بیشتری از گازهای دیگر، عمدتا هلیوم-4، جدا شود. این کار با خنک کردن گازها به حالت مایع و استفاده از تفاوت جزئی در نقاط جوش ایزوتوپ ها (4.22 K برای هلیوم-4 یا 3.19 K برای هلیوم-3) انجام می شود. یکی دیگر از روش‌های جداسازی ظریف، مبتنی بر استفاده از خاصیت ابر سیالیت هلیوم-4 مایع است که می‌تواند به طور مستقل از طریق یک دیوار عمودی به یک ظرف مجاور جریان یابد و تنها هلیوم-3 غیر فوق‌سیال باقی بماند (به "علم و زندگی" شماره 3 مراجعه کنید. 2، 2004).

افسوس، همه اینها باید در فضای بدون هوا انجام شود، نه در شرایط "گلخانه ای" زمین، بلکه در ماه. چندین شهر معدنی باید به آنجا منتقل شوند، که در اصل به معنای استعمار ماه است. اکنون صدها متخصص در حال نظارت بر ایمنی چندین فضانورد در مدار پایین زمین هستند و خدمه می توانند در هر زمانی به زمین بازگردند. اگر ده‌ها هزار نفر در نهایت به فضا بیایند، مجبورند به تنهایی و بدون نظارت دقیق زمین در خلاء زندگی کنند و آب، هوا، سوخت و مصالح اولیه ساختمانی را برای خود فراهم کنند. با این حال، هیدروژن، اکسیژن و فلزات کافی در ماه وجود دارد. بسیاری از آنها را می توان به عنوان محصول جانبی استخراج هلیوم به دست آورد. پس از آن، احتمالا، هلیوم-3 می تواند به یک کالای سودآور برای تجارت با زمین تبدیل شود. اما از آنجایی که مردم در چنین شرایط سختی به انرژی بسیار بیشتری نسبت به زمینیان نیاز خواهند داشت، ذخایر ماه هلیوم-3 ممکن است برای فرزندان ما بی حد و حصر و جذاب به نظر نرسد.

به هر حال، یک راه حل جایگزین برای این مورد وجود دارد. اگر مهندسان و فیزیکدانان راهی برای کنار آمدن با نگه داشتن پلاسمای هلیوم ده برابر گرمتر از آنچه برای یک توکامک مدرن مورد نیاز است بیابند (وظیفه ای که اکنون کاملاً خارق العاده به نظر می رسد)، آنگاه با افزایش فقط دو برابر دما، "شعله ور خواهیم شد". سنتز واکنش شامل پروتون و بور. سپس تمام مشکلات مربوط به سوخت حل خواهد شد، و با قیمت بسیار پایین تر: بور در پوسته زمین بیشتر از نقره یا طلا است، به طور گسترده ای به عنوان یک افزودنی در متالورژی، الکترونیک و شیمی استفاده می شود. کارخانه های معدن و فرآوری سالانه صدها هزار تن نمک های مختلف حاوی بور تولید می کنند و اگر ذخایر کافی در خشکی نداشته باشیم، هر تن آب دریا حاوی چندین گرم بور است. و هر کسی که یک بطری اسید بوریک در کابینت داروهای خانگی خود دارد، می تواند در نظر بگیرد که ذخیره انرژی خود را برای آینده دارد.

ادبیات

ماده خورشیدی برونشتاین M.P. - باشگاه کتاب ترا، 2002.

خاک قمری از دریای فراوانی. - M.: Nauka، 1974.

زیرنویس برای تصاویر

بیمار 1. چرخه هلیوم واکنش های همجوشی هسته ای با همجوشی دو پروتون در هسته دوتریوم آغاز می شود. در مراحل بعدی، هسته های پیچیده تری تشکیل می شوند. اجازه دهید اولین واکنش‌هایی را که بعداً به آن‌ها نیاز خواهیم داشت، بنویسیم.
p + p → D + e - + n
D + D → T + p or
D + D → 3 He + n
D + T → 4 He + n
D + 3 He → 4 He +2p
p + 11 Be → 3 4 He
سرعت واکنش با احتمال غلبه بر سد الکترواستاتیک زمانی که دو یون با بار مثبت به یکدیگر نزدیک می شوند و احتمال خود همجوشی هسته ای (به اصطلاح مقطع متقابل) تعیین می شود. به طور خاص، هر چه انرژی جنبشی هسته بیشتر باشد و بار الکتریکی آن کمتر باشد، شانس عبور از سد الکترواستاتیک بیشتر و سرعت واکنش بیشتر می شود (نمودار را ببینید). پارامتر کلیدی نظریه انرژی گرما هسته ای - معیار احتراق واکنش - تعیین می کند که انرژی آزاد شده در طی همجوشی (متناسب با سرعت واکنش ضرب در چگالی پلاسما و زمان احتراق) در چه چگالی و دمای سوخت پلاسما از هزینه گرمایش فراتر خواهد رفت. پلاسما، با در نظر گرفتن تلفات و کارایی. واکنش دوتریوم و تریتیوم بالاترین سرعت را دارد و برای دستیابی به اشتعال باید پلاسمایی با غلظت حدود 10 14 سانتی متر -3 را تا یک و نیم صد میلیون درجه حرارت داد و 1-2 ثانیه نگه داشت. برای دستیابی به تعادل انرژی مثبت در واکنش های مربوط به سایر اجزا - هلیوم-3 یا بور، سرعت پایین تر باید با ده ها بار افزایش دما و چگالی پلاسما جبران شود. اما یک برخورد موفقیت آمیز دو هسته انرژی آزاد می کند که هزار برابر بیشتر از انرژی صرف شده برای گرم کردن آنها است. واکنش های اولیه چرخه هلیوم که دوتریوم و تریتیوم را در هسته خورشیدی تشکیل می دهند، به قدری آهسته هستند که منحنی های مربوطه در این نمودار گنجانده نشده است.

بیمار 2. باد خورشیدی جریانی از پلاسمای کمیاب است که دائماً از سطح خورشید به فضای بین سیاره ای جریان دارد. باد تنها حدود 3×10-14 جرم خورشید را در سال با خود می برد، اما به نظر می رسد که جزء اصلی محیط بین سیاره ای است و پلاسمای بین ستاره ای را از مجاورت خورشید جابجا می کند. اینگونه است که هلیوسفر ایجاد می شود - نوعی حباب با شعاع حدود صد واحد نجومی که همراه با خورشید از طریق گاز بین ستاره ای حرکت می کند. همانطور که ستاره شناسان امیدوارند، ماهواره های آمریکایی وویجر 1 و وویجر 2 اکنون در حال نزدیک شدن به مرز آن هستند که به زودی اولین فضاپیمایی خواهد بود که منظومه شمسی را ترک می کند. باد خورشیدی اولین بار توسط ایستگاه بین سیاره‌ای شوروی Luna-2 در سال 1959 کشف شد، اما شواهد غیرمستقیم از وجود جریانی که از خورشید می‌آمد پیشتر شناخته شده بود. در برابر باد خورشیدی است که ساکنان زمین مسئول طوفان های مغناطیسی هستند (به «علم و زندگی» شماره 7، 2001 مراجعه کنید). در نزدیکی مدار زمین، باد به طور متوسط ​​حاوی تنها شش یون در هر سانتی متر مکعب است که با سرعت شگفت انگیز 450 کیلومتر بر ثانیه حرکت می کند، اما در مقیاس منظومه شمسی چندان سریع نیست: سه روز طول می کشد. برای سفر به زمین باد خورشیدی 96% پروتون و 4% هسته هلیوم است. ترکیب سایر عناصر ناچیز است.

بیمار 3. سنگ سنگی قمری یک لایه نسبتاً سست در سطح ماه به ضخامت چندین متر است. عمدتاً شامل زباله های کوچک با اندازه متوسط ​​کمتر از یک میلی متر است که در طی میلیاردها سال در نتیجه تخریب سنگ های ماه در اثر تغییرات دما و برخورد شهاب سنگ ها انباشته شده است. مطالعات روی خاک ماه نشان داده است که هر چه اکسید تیتانیوم در سنگ سنگی بیشتر باشد، اتم های هلیوم بیشتر است.

بیمار 4. وجود تیتانیوم در لایه نزدیک به سطح به راحتی با تجزیه و تحلیل طیف سنجی از راه دور (رنگ قرمز در تصویر سمت راست شکل به دست آمده توسط ماهواره کلمنتاین) تشخیص داده می شود و بنابراین نقشه ای از "رسوبات" هلیم به دست می آید که ، به طور کلی، با محل دریاهای قمری منطبق است.

بیمار 5. برای استخراج یک تن هلیوم-3، لازم است لایه سطحی سنگ سنگی در مساحت حداقل 100 کیلومتر مربع پردازش شود. در این مسیر، امکان دستیابی به مقدار قابل توجهی از گازهای دیگر نیز وجود خواهد داشت که برای تنظیم حیات در ماه مفید خواهند بود. تصاویر گرفته شده از سایت

ترکیب و ساختار

مشخصات فیزیکی

استفاده

شمارنده های نوترونی

گازسنج پر از هلیوم-3 برای تشخیص نوترون ها استفاده می شود. این رایج ترین روش برای اندازه گیری شار نوترون است. در آنها واکنشی وجود دارد

n+ 3 He → 3 H + 1 H + 0.764 MeV.

محصولات واکنش باردار - تریتون و پروتون - توسط یک شمارنده گاز که در حالت شمارنده متناسب یا شمارنده گایگر-مولر کار می کند، ثبت می شود.

دریافت دماهای بسیار پایین

با حل کردن هلیوم-3 مایع در هلیوم-4، دمای میلی کلوین به دست می آید.

دارو

هلیوم-3 قطبی شده (می تواند برای مدت طولانی ذخیره شود) اخیراً در تصویربرداری رزونانس مغناطیسی برای تصویربرداری از ریه ها با استفاده از تشدید مغناطیسی هسته ای استفاده شده است.

قیمت

میانگین قیمت هلیوم-3 در سال 2009، 930 دلار در هر لیتر بود.

هلیوم-3 به عنوان سوخت هسته ای

واکنش 3 He + D → 4 He + p در مقایسه با واکنش دوتریوم-تریتیوم T + D → 4 He + n که در شرایط زمینی بیشتر قابل دستیابی است، دارای چندین مزیت است. این مزایا عبارتند از:

معایب واکنش هلیوم-دوتریوم شامل آستانه دمایی بسیار بالاتر است. قبل از شروع باید به دمای حدود یک میلیارد درجه رسید.

در حال حاضر هلیوم 3 از منابع طبیعی استخراج نمی شود، بلکه به طور مصنوعی از تجزیه تریتیوم ایجاد می شود. دومی برای تسلیحات گرما هسته ای با تابش بور-10 و لیتیوم-6 در راکتورهای هسته ای تولید شد.

طرح هایی برای استخراج هلیوم-3 در ماه

هلیوم 3 محصول جانبی واکنش هایی است که در خورشید انجام می شود. در زمین در مقادیر بسیار کم استخراج می شود که بالغ بر چند ده گرم در سال است.

ناپایدار (کمتر از یک روز): 5 He: Helium-5، 6 He: Helium-6، 7 He: Helium-7، 8 He: Helium-8، 9 He: Helium-9، 10 He: Helium-10

بنیاد ویکی مدیا 2010.

ببینید "هلیوم-3" در فرهنگ های دیگر چیست:

- (lat. Helium) او، عنصر شیمیایی گروه هشتم جدول تناوبی، عدد اتمی 2، جرم اتمی 4.002602، متعلق به گازهای نجیب است. بی رنگ و بی بو، چگالی 0.178 گرم در لیتر. مایع شدن آن از همه گازهای شناخته شده دشوارتر است (در دمای 268.93 درجه سانتیگراد)؛... ... فرهنگ لغت دایره المعارفی بزرگ

- (یونانی، از helyos sun). یک جسم عنصری که در طیف خورشیدی کشف شده و در برخی از مواد معدنی کمیاب روی زمین وجود دارد. در مقادیر ناچیز در هوا گنجانده شده است. فرهنگ لغات کلمات خارجی موجود در زبان روسی. چودینوف A.N ... فرهنگ لغت کلمات خارجی زبان روسی

- (نماد He)، یک عنصر غیر فلزی گازی، NOBLE GAS، کشف شده در سال 1868. اولین بار از ماده معدنی کلویتا (نوعی اورانیت) در سال 1895 به دست آمد. در حال حاضر منبع اصلی آن گاز طبیعی است. همچنین موجود در ... ... فرهنگ لغت دانشنامه علمی و فنی

من، شوهر ، قدیمی Eliy, I.Otch.: Gelievich, Gelievna. مشتقات: Gelya (Gela); Elya.Origin: (از یونانی hēlios sun.) روز نام: 27 ژوئیه فرهنگ نام های شخصی. هلیم رجوع به الیوم شود. فرشته روز ارجاع... فرهنگ نام های شخصی

هلیوم- شیمی عنصر، نماد He (lat. Helium)، در. n 2، در. m 4.002، به گازهای بی اثر (نجیب) اشاره دارد. بی رنگ و بی بو، چگالی 0.178 کیلوگرم بر متر مکعب. در شرایط عادی، گاز یک گاز تک اتمی است که اتم آن از یک هسته و دو الکترون تشکیل شده است. تشکیل می شود... دایره المعارف بزرگ پلی تکنیک

حاوی دو پروتون و دو نوترون.

یوتیوب دایره المعارفی

1 / 5

✪ هلیوم فوق سیال و سردترین عنصر است!

✪ هلیوم فوق سیال. دانشگاه اشتوتگارت

✪ چشم انداز انرژی گرما هسته ای (فیزیکدان آنتون تیولوسوف می گوید)

✪ عملیات "هلیوم"

✪ عملیات "هلیوم". قسمت 3

زیرنویس

من می خواهم کانال آندری را به شما توصیه کنم که در حال ساخت یک دوره ویدیویی در مورد شیمی آلی برای کلاس 10 است، اکنون بیش از 40 ویدیو در 12 موضوع در کانال او موجود است، برای انتشار و پخش 100 امتیاز در کانال آندری مشترک شوید و بنابراین امروز من به شما در مورد رایج ترین گاز نجیب در جهان قابل مشاهده می گوید، که همچنین می تواند خواص فوق سیال منحصر به فردی را در دماهای بسیار پایین به دست آورد، هلیوم را در جدول تناوبی ملاقات کند، این عنصر در گوشه سمت راست بالا قرار دارد، یافتن آن بسیار آسان است. شماره 2، من فکر می کنم که مردم امروز از کودکی با این گاز بی اثر به دلیل سبکی آن نسبت به هوا آشنا می شوند، هلیوم برای باد کردن بادکنک های تعطیلات عالی است، که بچه ها آن را بسیار دوست دارند، این همه به این دلیل است که جرم مولی هلیوم تقریباً هفت برابر کمتر از جرم مولی هوا است، اما با این حال، از نظر شیوع، ژل‌های روی زمین در هوا بسیار نادر هستند، آنها فقط یک قسمت در میلیون یافت می‌شوند، که بخش عمده هلیوم حاصل از آن برای همین است. گلوله‌ها از گاز طبیعی به دست می‌آیند که در آن غلظت هلیوم می‌تواند به هفت درصد وزنی برسد، همگی به این دلیل که در نتیجه تجزیه رادیواکتیو اورانیوم یا توریم در پوسته زمین، هلیوم می‌تواند در حفره‌های زیرزمینی با گاز طبیعی انباشته شود. در اتمسفر تبخیر می شود، اما اگر آن را در مقیاس بزرگتر در نظر بگیریم، در کل جهان قابل مشاهده، یا از نظر فراوانی در جایگاه دوم افتخارآمیز در میان همه عناصر قرار می گیرد، پس از هیدروژن و تشکیل حدود یک چهارم اتم ها، فقط تصور کنید که تمام اتم‌هایی که ژل سنگین‌تر هستند، تنها دو درصد از جرم کل ماده را تشکیل می‌دهند، در اینجا می‌توانید احساس کنید که ما چقدر در مقیاس کیهان کوچک هستیم، بخش اصلی در واقع در ستارگان یا جو یافت می‌شود از غول های گازی که مانند کل کیهان حدود 20 درصد جرم را در خود جای داده اند، طبق داده های امروزی، قسمت اصلی ژل در فضا قرار دارد که در طی انفجار بزرگ حدود 14 میلیارد سال پیش تشکیل شده است، اکنون از آسمان به زمین و در نظر گرفتن خواص این گاز در یک آزمایش ملموس تر من یک آمپول کوچک هلیوم دارم که در فشار بسیار کم حدود یک صدم فشار اتمسفر است، واضح است که ژل علاوه بر این رنگ ندارد، هنوز مزه یا بویی ندارد، اگر تا به حال سعی کرده اید این گاز را تنفس کنید، می توانید متوجه شوید، با این حال، چنین آزمایش هایی بسیار خطرناک هستند زیرا سلول های ما هلیوم تنفس نمی کنند، آنها برای این کار به اکسیژن نیاز دارند، این حتی فروشندگان فعلی را مجبور کرد بادکنک‌های ژلی که در مهمانی‌ها آویزان کرده‌اید تا 20 درصد اکسیژن به آن‌ها اضافه می‌کنند، اگر تخلیه ولتاژ بالا با فرکانس بالا را با ژل از داخل چشم عبور دهید، به رنگ نارنجی مات شروع به درخشش می‌کند. که به ولتاژ و قطر آمپول بستگی دارد، من از ژنراتور DPL به عنوان منبع ولتاژی که می‌دانستم استفاده کردم و به دلیل وجود ظرفیت الکتریکی در بدنم، این فرصت را به من داد که آمپول را مستقیماً در دستم نگه دارم. در اصل هلیوم بر خلاف روشن یا زنون دیگر در فاصله ای از سیم ژنراتور روشن می شود، زیرا انرژی یونیزاسیون کمتری دارد، متاسفانه از نظر شیمیایی، واقعاً خاصیت جالبی ندارد عملاً با هیچ ماده ای واکنش نشان نمی دهد، اگرچه هنوز به شکل پلاسما به نظر می رسد آنچه در یک آمپول می بینید می تواند با هیدروژن، دوتریوم یا برخی فلزات و در فشارهای بالای هزاران اتمسفر، ترکیبی بسیار ناپایدار ایجاد کند. حتی مواد خاصی از نیتروژن و هلیوس تشکیل می شود که به صورت کریستال می توان روی بسترهای الماسی پرورش داد، حیف است که همه این مواد بسیار ناپایدار هستند و در شرایط عادی تقریبا غیرممکن است، اما وجود دارد. نیازی به ناراحتی نیست زیرا ژل جالب ترین و منحصر به فردترین خواص فیزیکی را در بین تمام گازها دارد این است که وقتی تا دمای 42 کلوین خنک شود، در واقع سبک ترین و سردترین مایع می شود که چگالی آن تقریباً 10 برابر کمتر از چگالی آن است. آب در درجه سانتیگراد در دمای منفی دویست و شصت و هشت درجه به دست می آید که بسیار سرد است، به قدری سرد که برخی از فلزات در چنین دمایی تبدیل به ابررسانا می شوند، به عنوان مثال، جیوه یا نیوبیوم، تا این مقدار پایین حفظ شود. دما، هلیوم مایع در یک ظرف دوار قرار دارد که از بیرون با نیتروژن مایع نیز خنک می شود با هلیوم مایع که به دلیل هزینه بالایش، به نوبه خود با نیتروژن مایع ارزان‌تر خنک می‌شود، بنابراین یک ژل مایع است و هم برای تحقیقات علمی به کار می‌رود، اما جالب‌ترین چیز هنوز در راه است اولین شکل هلیوم مایع، به اصطلاح هلیوم 1، اگر شروع به خنک کردن آن با کاهش فشار در ظرف کنید، هلیوم مایع در نهایت به اصطلاح وارد می شود.

شیوع

افتتاح

وجود هلیوم-3 توسط دانشمند استرالیایی مارک اولیفانت در حین کار در دانشگاه کمبریج در سال 2018 پیشنهاد شد. این ایزوتوپ سرانجام توسط لوئیس آلوارز و رابرت کورنوگ کشف شد.

مشخصات فیزیکی

اعلام وصول

در حال حاضر، هلیوم-3 از منابع طبیعی به دست نمی آید (مقادیر ناچیزی از هلیوم-3 در زمین موجود است که به دست آوردن آن بسیار دشوار است)، اما از تجزیه تریتیوم مصنوعی ایجاد می شود.

قیمت

میانگین قیمت هلیوم-3 در سال 2009، طبق برخی برآوردها، حدود 930 دلار در هر لیتر بود.

طرح هایی برای استخراج هلیوم-3 در ماه

هلیوم-3 محصول جانبی واکنش هایی است که روی خورشید رخ می دهد و در مقادیری در باد خورشیدی و محیط بین سیاره ای یافت می شود. هلیوم-3 که از فضای بین سیاره ای وارد جو زمین می شود به سرعت متلاشی می شود و غلظت آن در جو بسیار کم است.

به طور فرضی، در طول همجوشی گرما هسته ای، زمانی که 1 تن هلیوم-3 با 0.67 تن دوتریوم واکنش می دهد، انرژی معادل احتراق 15 میلیون تن نفت آزاد می شود (البته، امکان سنجی فنی این واکنش در حال حاضر بررسی نشده است). . در نتیجه، منبع هلیوم-3 قمری (طبق حداکثر برآوردها) می تواند حدود پنج هزار سال برای جمعیت سیاره ما دوام بیاورد. مشکل اصلی، واقعیت استخراج هلیوم از سنگ سنگی قمری است. همانطور که در بالا ذکر شد، محتوای هلیوم-3 در سنگ سنگی ~1 گرم در هر 100 تن است، بنابراین، برای استخراج یک تن از این ایزوتوپ، حداقل 100 میلیون تن خاک باید در محل پردازش شود.

استفاده

شمارنده های نوترونی

گازسنج پر از هلیوم-3 برای تشخیص نوترون ها استفاده می شود. این رایج ترین روش برای اندازه گیری شار نوترون است. در آنها واکنشی وجود دارد

n+ 3 He → 3 H + 1 H + 0.764 MeV.

محصولات واکنش باردار - تریتون و پروتون - توسط یک شمارنده گاز که در حالت شمارنده متناسب یا شمارنده گایگر-مولر کار می کند، ثبت می شود.

دریافت دماهای بسیار پایین

با حل کردن هلیوم-3 مایع در هلیوم-4، دمای میلی کلوین به دست می آید.

دارو

هلیوم-3 به عنوان سوخت هسته ای

واکنش 3 He + D → 4 He + p در مقایسه با واکنش دوتریوم-تریتیوم T + D → 4 He + n که در شرایط زمینی بیشتر قابل دستیابی است، دارای چندین مزیت است. این مزایا عبارتند از:

1. شار نوترون دهها برابر کمتر از ناحیه واکنش، که به شدت رادیواکتیویته القایی و تخریب مواد ساختاری راکتور را کاهش می دهد.
2. پروتون های حاصل، بر خلاف نوترون ها، به راحتی جذب می شوند و می توانند برای تولید الکتریسیته اضافی، به عنوان مثال، در یک ژنراتور MHD استفاده شوند.
3. مواد اولیه برای سنتز غیر فعال هستند و نگهداری آنها به اقدامات احتیاطی خاصی نیاز ندارد.
4. در صورت بروز حادثه در راکتور با کاهش فشار هسته، رادیواکتیویته انتشار نزدیک به صفر است.

معایب واکنش هلیوم-دوتریوم شامل آستانه دمایی بسیار بالاتر است. به دلیل وجود مانع کولن برای شروع به دمای تقریباً 10 9 کلوین نیاز است. و در دمای پایین‌تر، واکنش گرما هسته‌ای همجوشی هسته‌های دوتریوم با یکدیگر بسیار راحت‌تر انجام می‌شود و واکنش بین دوتریوم و هلیوم-3 رخ نمی‌دهد.

در هنر

در آثار علمی تخیلی (بازی، فیلم، انیمیشن)، هلیوم-3 گاهی اوقات به عنوان سوخت اصلی و به عنوان یک منبع ارزشمند از جمله استخراج شده در ماه عمل می کند.

داستان فیلم علمی تخیلی بریتانیایی ماه 2112 محصول 2009 بر اساس عملیات مجتمع معدنی قمری است. این مجموعه تولید ایزوتوپ هلیوم-3 را تضمین می کند که با کمک آن می توان بحران انرژی فاجعه بار در زمین را متوقف کرد.

در کمدی سیاسی "آسمان آهنین"، هلیوم-3 قمری به دلیل درگیری هسته ای بین المللی بر سر حقوق معدن تبدیل شد.

در انیمه " سیاره ها» هلیوم-3 به عنوان سوخت موتورهای موشک و غیره استفاده می شود.

ادبیات

• Dobbs E. R. Helium Three. - انتشارات دانشگاه آکسفورد، 2000. ISBN 0-19-850640-6
• Galimov E. M. اگر انرژی دارید، می توانید همه چیز را استخراج کنید - خاک های کمیاب. 1393. شماره 2. ص 6-12.
• کمبود هلیوم 3: عرضه، تقاضا، و گزینه‌ها برای کنگره // FAS، 22 دسامبر 2010 (انگلیسی)

یادداشت

1. آئودی جی.، واپسترا ای.اچ.، تیبو سی.