Tento izotop sa plánuje ťažiť na Mesiaci pre potreby termonukleárnej energie. To je však záležitosť ďalekej budúcnosti. Napriek tomu je dnes hélium-3 mimoriadne žiadané, najmä v medicíne.
Vladimír Teslenko
Celkové množstvo hélia-3 v zemskej atmosfére sa odhaduje len na 35 000 ton, jeho uvoľňovanie z plášťa do atmosféry (cez sopky a zlomy v kôre) predstavuje niekoľko kilogramov ročne. V lunárnom regolite sa hélium-3 postupne nahromadilo počas stoviek miliónov rokov ožarovania slnečným vetrom. Výsledkom je, že tona lunárnej pôdy obsahuje 0,01 g hélia-3 a 28 g hélia-4; tento pomer izotopov (~0,04 %) je podstatne vyšší ako v zemskej atmosfére.
Ambiciózne plány na výrobu hélia-3 na Mesiaci, o ktorých vážne uvažujú nielen vesmírni lídri (Rusko a Spojené štáty americké), ale aj nováčikovia (Čína a India), sú spojené s nádejami, ktoré do toho vkladá energetický sektor. izotop. Jadrová reakcia 3He+D→4He+p má v porovnaní s deutériovo-tríciovou reakciou T+D→4He+n, ktorá je najviac dosiahnuteľná v pozemských podmienkach, množstvo výhod.
Medzi tieto výhody patrí desaťnásobne nižší tok neutrónov z reakčnej zóny, čo výrazne znižuje indukovanú rádioaktivitu a degradáciu konštrukčných materiálov reaktora. Navyše jeden z reakčných produktov – protóny – sa na rozdiel od neutrónov ľahko zachytávajú a dajú sa použiť na dodatočnú výrobu elektriny. Hélium-3 aj deutérium sú zároveň neaktívne, ich skladovanie si nevyžaduje špeciálne opatrenia a v prípade havárie reaktora s odtlakovaním aktívnej zóny je rádioaktivita výpustu blízka nule. Reakcia hélium-deutérium má aj vážnu nevýhodu – výrazne vyšší teplotný prah (na spustenie reakcie je potrebná teplota okolo miliardy stupňov).
Aj keď je to všetko otázkou budúcnosti, hélium-3 je aj dnes veľmi žiadané. Pravda, nie pre energetiku, ale pre jadrovú fyziku, kryogénny priemysel a medicínu.
Magnetická rezonancia
Od svojho objavenia sa v medicíne sa magnetická rezonancia (MRI) stala jednou z hlavných diagnostických metód, ktorá nám umožňuje nahliadnuť „do vnútra“ rôznych orgánov bez akejkoľvek ujmy.
Približne 70 % hmotnosti ľudského tela tvorí vodík, ktorého jadro, protón, má určitý spin a s ním spojený magnetický moment. Ak umiestnite protón do vonkajšieho konštantného magnetického poľa, spin a magnetický moment sú orientované buď pozdĺž poľa, alebo smerom k nemu a energia protónov v prvom prípade bude menšia ako v druhom. Protón možno preniesť z prvého stavu do druhého tak, že sa mu prenesie presne definovaná energia rovnajúca sa rozdielu medzi týmito energetickými hladinami – napríklad ožiarením kvantami elektromagnetického poľa s určitou frekvenciou.
Ako magnetizovať hélium-3
Najjednoduchší a najpriamejší spôsob magnetizácie hélia-3 je ochladzovať ho v silnom magnetickom poli. Účinnosť tejto metódy je však veľmi nízka, navyše si vyžaduje silné magnetické polia a nízke teploty. Preto sa v praxi využíva metóda optického čerpania – prenos spinu na atómy hélia z polarizovaných fotónov pumpy. V prípade hélia-3 k tomu dochádza v dvoch fázach: optické čerpanie v metastabilnom stave a spinová výmena medzi atómami hélia v základnom a metastabilnom stave. Technicky sa to realizuje ožiarením článku héliom-3 laserovým žiarením s kruhovou polarizáciou, preneseným do metastabilného stavu slabým vysokofrekvenčným elektrickým výbojom, za prítomnosti slabého magnetického poľa. Polarizované hélium možno skladovať v nádobe vystlanej céziom pri tlaku 10 atmosfér asi 100 hodín.
Presne tak funguje MRI skener, ale nezisťuje jednotlivé protóny. Ak umiestnite vzorku obsahujúcu veľké množstvo protónov do silného magnetického poľa, potom bude počet protónov s magnetickým momentom nasmerovaným pozdĺž a smerom k poľu približne rovnaký. Ak začnete túto vzorku ožarovať elektromagnetickým žiarením presne definovanej frekvencie, všetky protóny s magnetickým momentom (a rotáciou) „pozdĺž poľa“ sa obrátia a zaujmú polohu „smerom k poľu“. V tomto prípade dochádza k rezonančnému pohlcovaniu energie a pri procese návratu do pôvodného stavu, nazývanému relaxácia, dochádza k opätovnému vyžarovaniu prijatej energie, ktorú je možné zistiť. Tento jav sa nazýva nukleárna magnetická rezonancia, NMR. Priemerná polarizácia látky, od ktorej závisí užitočný signál v NMR, je priamo úmerná sile vonkajšieho magnetického poľa. Na získanie signálu, ktorý je možné detekovať a oddeliť od šumu, je potrebný supravodivý magnet – len ten dokáže vytvoriť magnetické pole s indukciou asi 1-3 Tesla.
Magnetický plyn
MRI skener „vidí“ nahromadenie protónov, takže je vynikajúci na štúdium a diagnostiku mäkkých tkanív a orgánov obsahujúcich veľké množstvo vodíka (hlavne vo forme vody) a tiež umožňuje rozlíšiť magnetické vlastnosti molekúl. Týmto spôsobom môžete povedzme rozlíšiť arteriálnu krv obsahujúcu hemoglobín (hlavný nosič kyslíka v krvi) od venóznej krvi obsahujúcej paramagnetický deoxyhemoglobín - na tom je založená fMRI (funkčná MRI), ktorá umožňuje sledovať aktivitu neurónov v mozgu.
Ale, bohužiaľ, taká úžasná technika, ako je MRI, je úplne nevhodná na štúdium pľúc naplnených vzduchom (aj keď ich naplníte vodíkom, signál z plynného média s nízkou hustotou bude príliš slabý oproti šumu pozadia). A mäkké tkanivá pľúc nie sú pri MRI veľmi viditeľné, pretože sú „porézne“ a obsahujú málo vodíka.
Je možné toto obmedzenie obísť? Je to možné, ak použijete „magnetizovaný“ plyn - v tomto prípade nebude priemerná polarizácia určená vonkajším poľom, pretože všetky (alebo takmer všetky) magnetické momenty budú orientované rovnakým smerom. A to vôbec nie je fikcia: v roku 1966 dostal francúzsky fyzik Alfred Kastler Nobelovu cenu so znením „Za objav a vývoj optických metód na štúdium Hertzových rezonancií v atómoch“. Venoval sa problematike optickej polarizácie spinových systémov - teda práve „magnetizácie“ plynov (najmä hélia-3) pomocou optického čerpania pri rezonančnej absorpcii kruhovo polarizovaných fotónov.
Jadrová magnetická rezonancia využíva magnetické vlastnosti jadier vodíka – protónov. Bez vonkajšieho magnetického poľa sú magnetické momenty protónov orientované náhodne (ako na prvom obrázku). Keď sa aplikuje silné magnetické pole, magnetické momenty protónov sú orientované rovnobežne s poľom - buď „pozdĺž“ alebo „smerom“. Tieto dve polohy majú rôzne energie (2). Rádiofrekvenčný impulz s rezonančnou frekvenciou zodpovedajúcou energetickému rozdielu „obracia“ magnetické momenty protónov „smerom“ k poľu (3). Po skončení rádiofrekvenčného impulzu dôjde k spätnému „preklopeniu“ a protóny vyžarujú na rezonančnej frekvencii. Tento signál prijíma rádiofrekvenčný systém tomografu a používa ho počítač na zostavenie obrazu (4).
Dýchajte hlbšie
Využitie polarizovaných plynov v medicíne bolo priekopníkom skupiny výskumníkov z Princetonskej a New York University v Stony Brook. V roku 1994 vedci publikovali článok v časopise Nature, ktorý ukázal prvý MRI obraz myších pľúc.
Je pravda, že MRI nie je úplne štandardná - technika bola založená na reakcii nie jadier vodíka (protónov), ale jadier xenónu-129. Okrem toho plyn nebol celkom obyčajný, ale hyperpolarizovaný, teda vopred „magnetizovaný“. Tak sa zrodila nová diagnostická metóda, ktorá sa čoskoro začala využívať aj v humánnej medicíne.
Hyperpolarizovaný plyn (zvyčajne zmiešaný s kyslíkom) sa dostane do najvzdialenejších priehlbín pľúc, čo umožňuje získať MRI snímku s rozlíšením rádovo vyšším, ako majú najlepšie röntgenové snímky. Dokonca je možné zostrojiť podrobnú mapu parciálneho tlaku kyslíka v každej časti pľúc a následne vyvodiť závery o kvalite prietoku krvi a difúzii kyslíka v kapilárach. Táto technika umožňuje študovať povahu pľúcnej ventilácie u astmatikov a monitorovať dýchací proces kritických pacientov na úrovni alveol.
Ako funguje MRI? MRI skener deteguje zhluky protónov - jadrá atómov vodíka. Preto zobrazovanie MR ukazuje rozdiely v obsahu vodíka (hlavne vody) v rôznych tkanivách. Existujú aj iné spôsoby, ako rozlíšiť jedno tkanivo od druhého (povedzme rozdiely v magnetických vlastnostiach), ktoré sa používajú v špecializovanom výskume.
Výhody MRI s použitím hyperpolarizovaných plynov tu nekončia. Keďže plyn je hyperpolarizovaný, úroveň užitočného signálu je oveľa vyššia (asi 10 000-krát). To znamená, že nie sú potrebné super silné magnetické polia a vedie to k návrhu takzvaných nízkopoľných MRI skenerov – sú lacnejšie, mobilnejšie a oveľa priestrannejšie. Takéto inštalácie využívajú elektromagnety, ktoré vytvárajú pole rádovo 0,005 Tesla, čo je stokrát slabšie ako štandardné MRI skenery.
Malá prekážka
Hoci sa prvé experimenty v tejto oblasti uskutočnili s hyperpolarizovaným xenónom-129, čoskoro bol nahradený héliom-3. Je neškodný, vytvára čistejšie obrázky ako xenón-129 a má trikrát väčší magnetický moment, čo má za následok silnejší NMR signál. Navyše, obohatenie xenónu-129 v dôsledku blízkosti hmoty s inými izotopmi xenónu je nákladný proces a dosiahnuteľná polarizácia plynu je výrazne nižšia ako u hélia-3. Okrem toho má xenón-129 sedatívny účinok.
Ale ak sú tomografy s nízkym poľom jednoduché a lacné, prečo sa metóda MRI s hyperpolarizovaným héliom teraz nepoužíva na každej klinike? Je tu jedna prekážka. Ale čo!
Dedičstvo studenej vojny
Jediným spôsobom, ako vyrobiť hélium-3, je rozpad trícia. Veľká časť dodávok 3He pochádza z rozpadu trícia vyrobeného počas studenej vojny v pretekoch v jadrovom zbrojení. V Spojených štátoch sa do roku 2003 nahromadilo približne 260 000 litrov „surového“ (nečisteného) hélia-3 a do roku 2010 zostalo len 12 000 litrov nevyužitého plynu. Kvôli rastúcemu dopytu po tomto vzácnom plyne bola v roku 2007 dokonca obnovená výroba obmedzených množstiev trícia a do roku 2015 sa plánuje vyrábať ďalších 8000 litrov hélia-3 ročne. Navyše, ročný dopyt po ňom je už minimálne 40 000 litrov (z toho len 5 % sa používa v medicíne). V apríli 2010 Výbor pre vedu a techniku USA dospel k záveru, že nedostatok hélia-3 by viedol k skutočným negatívnym dôsledkom v mnohých oblastiach. Dokonca aj vedci pracujúci v americkom jadrovom priemysle majú problém získať hélium-3 z vládnych rezerv.
Chladenie miešaním
Ďalším odvetvím, ktoré sa nezaobíde bez hélia-3, je kryogénny priemysel. Na dosiahnutie ultranízkych teplôt, tzv. rozpúšťacia chladnička, ktorá využíva efekt rozpúšťania hélia-3 na hélium-4. Pri teplotách pod 0,87 K sa zmes rozdelí na dve fázy - bohaté na hélium-3 a hélium-4. Prechod medzi týmito fázami si vyžaduje energiu a tá umožňuje ochladzovanie na veľmi nízke teploty - až 0,02 K. Najjednoduchšie takéto zariadenie má dostatočnú zásobu hélia-3, ktoré sa postupne presúva cez rozhranie do fázy bohatej na hélium -4 s absorpciou energie . Keď sa minie zásoba hélia-3, zariadenie nebude môcť ďalej fungovať - je „na jedno použitie“.
Tento spôsob chladenia bol použitý najmä v orbitálnom observatóriu Planck Európskej vesmírnej agentúry. Planckova úloha zahŕňala zaznamenávanie anizotropie kozmického mikrovlnného žiarenia pozadia (s teplotou asi 2,7 K) vo vysokom rozlíšení pomocou 48 HFI (High Frequency Instrument) bolometrických detektorov ochladených na 0,1 K. Pred dodaním hélia-3 do chladenia systém bol vyčerpaný, Planckovi sa podarilo urobiť 5 fotografií oblohy v mikrovlnnom rozsahu.
Aukčná cena hélia-3 sa pohybuje okolo 2 000 USD za liter a nie sú pozorované žiadne klesajúce trendy. Nedostatok tohto plynu je spôsobený tým, že väčšina hélia-3 sa používa na výrobu detektorov neutrónov, ktoré sa používajú v zariadeniach na detekciu jadrových materiálov. Takéto detektory registrujú neutróny reakciou (n, p) - záchytom neutrónu a emisiou protónu. A na odhalenie pokusov o dovoz jadrových materiálov je potrebných veľa takýchto detektorov – státisíce kusov. Práve z tohto dôvodu sa hélium-3 stalo fantasticky drahým a pre masovú medicínu nedostupné.
Je tu však nádej. Pravda, nie sú založené na mesačnom héliu-3 (jeho ťažba zostáva vzdialenou perspektívou), ale na tríciu vyrobenom v ťažkovodných reaktoroch typu CANDU, ktoré sú prevádzkované v Kanade, Argentíne, Rumunsku, Číne a Južnej Kórei.
Asi máločo v oblasti termonukleárnej energetiky je obklopené mýtmi ako Hélium 3. V 80.-90. rokoch sa aktívne spopularizovalo ako palivo, ktoré by vyriešilo všetky problémy riadenej termonukleárnej fúzie, a tiež ako jeden z dôvodov, prečo si von zo Zeme (keďže na Zemi sú toho doslova stovky kilogramov a na Mesiaci miliarda ton) a konečne začať skúmať slnečnú sústavu. To všetko je založené na veľmi zvláštnych predstavách o možnostiach, problémoch a potrebách termonukleárnej energetiky, ktorá dnes neexistuje, o čom si povieme.
Stroj na extrakciu hélia3 na Mesiaci je už pripravený, zostáva mu už len nájsť využitie.
Keď hovoria o héliu3, majú na mysli termonukleárne fúzne reakcie He3 + D -> He4 + H alebo He3 + He3 -> 2He4 + 2H. V porovnaní s klasickým D + T -> He4 + n v produktoch reakcie nie sú žiadne neutróny, čo znamená, že nedochádza k aktivácii štruktúry termonukleárneho reaktora superenergetickými neutrónmi. Okrem toho sa za problém považuje fakt, že neutróny „klasiky“ odnášajú 80 % energie z plazmy, takže pri vyššej teplote nastáva samozohrievacia rovnováha. Ďalšou výhodou zaznamenanou pri verzii s héliom je, že elektrinu je možné odstrániť priamo z nabitých častíc reakcie, a nie ohrievať vodu neutrónmi - ako v starých uhoľných elektrárňach.
Takže toto všetko nie je pravda, alebo skôr veľmi malá časť pravdy.
Začnime tým, že pri rovnakej hustote plazmy a optimálnej teplote poskytne reakcia He3 + D 40 krát menej uvoľnenie energie na meter kubický pracovnej plazmy. V tomto prípade bude teplota potrebná na minimálne 40-násobné pretrhnutie 10-krát vyššia – 100 keV (resp. jedna miliarda stupňov) oproti 10 pre D+T. Sama o sebe je takáto teplota celkom dosiahnuteľná (rekord pre tokamaky je dnes 50 kEv, len dvakrát horší), ale na vytvorenie energetickej bilancie (rýchlosť chladenia VS rýchlosť ohrevu vrátane vlastného ohrevu) musíme zvýšiť 50-násobné uvoľnenie energie s kubickým metrom reakcie He3+D, čo je možné dosiahnuť iba zvýšením hustoty o rovnakých 50-násobok. V kombinácii s 10-násobným zvýšením teploty to dáva zvýšenie plazmatického tlaku o 500-krát- z 3-5 atm na 1500-2500 atm a rovnaké zvýšenie spätného tlaku na udržanie tejto plazmy.
Ale obrázky sú inšpiratívne.
Pamätáte si, napísal som, že magnety toroidného poľa ITER, ktoré vytvárajú protitlak na plazmu, sú absolútne rekordné produkty, jediné na svete z hľadiska parametrov? Fanúšikovia He3 teda navrhujú, aby boli magnety 500-krát výkonnejšie.
Ok, zabudnime na ťažkosti, možno výhody tejto reakcie stoja za to?
Rôzne termonukleárne reakcie, ktoré sú použiteľné pre CTS. He3 + D dáva o niečo viac energie ako D + T, ale veľa energie sa vynakladá na prekonanie Coulombovho odporu (náboj 3 a nie 2), takže reakcia je pomalá.
Začnime s neutrónmi. Neutróny v priemyselnom reaktore budú predstavovať vážny problém, poškodia materiály tela, zohrejú všetky prvky smerujúce k plazme natoľko, že budú musieť byť chladené slušným prúdom vody. A čo je najdôležitejšie, aktivácia materiálov neutrónmi povedie k tomu, že aj 10 rokov po zastavení termonukleárneho reaktora bude mať tisíce ton rádioaktívnych štruktúr, ktoré sa nedajú ručne rozobrať a ktoré budú sedieť v sklade stovky a tisíce rokov. Zbavenie sa neutrónov by zjavne uľahčilo úlohu vytvorenia termonukleárnej elektrárne.
Podiel energie odnesenej neutrónmi. Ak do reaktora pridáte viac He3, môžete ho znížiť na 1 %, ale tým sa ešte viac sprísnia podmienky vznietenia.
Dobre, čo tak priamo premieňať energiu nabitých častíc na elektrinu? Experimenty ukazujú, že tok iónov s energiou 100 kEv možno premeniť na elektrickú energiu s 80% účinnosťou. Nemáme tu neutróny... no v tom zmysle, že neodnášajú všetku energiu, ktorú môžeme získať len vo forme tepla – zbavme sa parných turbín a nainštalujeme iónové kolektory?
Áno, existujú technológie na priamu premenu energie plazmy na elektrinu, aktívne sa skúmali v 60-70 rokoch a vykazovali účinnosť okolo 50-60% (nie 80, treba poznamenať). Táto myšlienka je však zle aplikovateľná ako v D+T reaktoroch, tak aj v He3+D. Tento obrázok vám pomôže pochopiť, prečo je to tak.
Ukazuje tepelné straty z plazmy cez rôzne kanály. Porovnajte D+T a D + He3. Transport je niečo, čo sa dá použiť na priamu premenu energie plazmy na elektrinu. Ak nám vo verzii D + T všetko odoberú škaredé neutróny, tak v prípade He3 + D všetko odoberie elektromagnetické žiarenie plazmy, hlavne synchrotrón a röntgenové brzdné žiarenie (na obrázku Bremsstrahlung) . Situácia je takmer symetrická, stále treba odvádzať teplo zo stien a stále priamou premenou nemôžeme získať viac ako 10-15% termonukleárna spaľovacia energia a zvyšok - staromódnym spôsobom, prostredníctvom parného stroja.
Ilustrácia zo štúdie o priamej premene plazmovej energie v najväčšom vonkajšom pasci Gamma-10 v Japonsku.
Okrem teoretických obmedzení existujú aj technické obmedzenia - vo svete (vrátane ZSSR) sa vynaložilo obrovské úsilie na vytvorenie zariadení na priamu premenu plazmovej energie na elektrickú energiu pre konvenčné elektrárne, čo umožnilo zvýšiť účinnosť od 35 % do 55 %. Hlavne založené na generátoroch MHD. 30 rokov práce veľkých tímov sa neskončilo ničím – zdrojom inštalácie boli stovky hodín, keď energetici potrebujú tisíce a desaťtisíce. Gigantické množstvo zdrojov vynaložených na túto technológiu viedlo najmä k tomu, že naša krajina zaostáva vo výrobe energetických plynových turbín a jednotiek paroplynového cyklu (ktoré poskytujú presne rovnaké zvýšenie účinnosti - od 35 do 55 %!).
Mimochodom, pre MHD generátory sú potrebné aj výkonné supravodivé magnety. Tu sú zobrazené SP magnety pre 30 megawattový generátor MHD.
Kandidát fyzikálnych a matematických vied A. PETRUKOVICH.
S ľahkou rukou amerického prezidenta sa koncom roka 2003 dostala do programu otázka nových cieľov pre ľudstvo vo vesmíre. Cieľ vytvoriť obývateľnú stanicu na Mesiaci, okrem iných návrhov, je čiastočne založený na lákavej myšlienke využitia jedinečných lunárnych zásob hélia-3 na výrobu energie na Zemi. Budúcnosť ukáže, či je mesačné hélium užitočné alebo nie, ale príbeh o ňom je celkom fascinujúci a umožňuje nám porovnať naše znalosti o štruktúre atómového jadra a slnečnej sústavy s praktickými aspektmi energetiky a baníctva.
Veda a život // Ilustrácie
Veda a život // Ilustrácie
Veda a život // Ilustrácie
Veda a život // Ilustrácie
Veda a život // Ilustrácie
Veda a život // Ilustrácie
Veda a život // Ilustrácie
PREČO? ALEBO JADROVÁ FÚZIA - ALCHÝMIA V SKUTEČNOSTI
Premena olova na zlato bola snom stredovekých alchymistov. Ako vždy, príroda sa ukázala byť bohatšia ako ľudská predstavivosť. Reakcie jadrovej fúzie vytvorili všetku rozmanitosť chemických prvkov a položili materiálne základy nášho sveta. Syntéza však môže poskytnúť aj niečo oveľa cennejšie ako zlato – energiu. Jadrové reakcie v tomto zmysle sú podobné chemickým reakciám (t. j. reakciám, ktoré premieňajú molekuly): každá zložená látka, či už je to molekula alebo jadro atómu, je charakterizovaná väzbovou energiou, ktorá sa musí vynaložiť na zničenie zlúčeniny a ktorá sa uvoľňuje, keď sa tvorí. Keď je väzbová energia reakčných produktov vyššia ako východiskové materiály, reakcia prebieha s uvoľňovaním energie a ak sa ju naučíte brať v tej či onej forme, východiskové látky sa môžu použiť ako palivo. Z chemických procesov je v tomto zmysle najúčinnejšia, ako je známe, reakcia interakcie s kyslíkom – spaľovanie, ktoré dnes slúži ako hlavný a nenahraditeľný zdroj energie v elektrárňach, v doprave a v bežnom živote (ešte viac energia sa uvoľňuje pri reakcii fluóru, najmä molekulárneho, s vodíkom; samotný fluór aj fluorovodík sú však mimoriadne agresívne látky).
Väzbová energia protónov a neutrónov v jadre je oveľa väčšia ako energia, ktorá spája atómy do molekúl, a možno ju doslova odvážiť pomocou skvelého Einsteinovho vzorca E = mc 2: hmotnosť atómového jadra je zreteľne menšia ako hmotnosti jednotlivých protónov a neutrónov, ktoré ho tvoria. Preto tona jadrového paliva nahrádza mnoho miliónov ton ropy. Nie nadarmo sa však fúzii hovorí termonukleárna: aby ste prekonali elektrostatické odpudzovanie, keď sa dve kladne nabité atómové jadrá spoja, musíte ich poriadne urýchliť, teda zahriať jadrové palivo na stovky miliónov stupňov ( nezabudnite, že teplota je mierou kinetickej energie častíc). V skutočnosti pri takýchto teplotách už nemáme do činenia s plynmi alebo kvapalinami, ale so štvrtým stavom hmoty – plazmou, v ktorej nie sú neutrálne atómy, ale iba elektróny a ióny.
V prírode sú také podmienky vhodné na syntézu iba vo vnútri hviezd. Slnko vďačí za svoju energiu takzvanému héliovému cyklu reakcií: syntéze jadra hélia-4 z protónov. V obrovských hviezdach a pri výbuchoch supernov sa rodia aj ťažšie prvky, ktoré tak tvoria celú rozmanitosť prvkov vo vesmíre. (Pravda, predpokladá sa, že časť hélia mohla vzniknúť priamo pri zrode Vesmíru, počas Veľkého tresku.) Slnko v tomto zmysle nie je najefektívnejším generátorom, pretože horí dlho a pomaly : proces je spomalený prvou a najpomalšou fúznou reakciou deutéria dvoch protónov. Všetky nasledujúce reakcie prebiehajú oveľa rýchlejšie a okamžite spotrebúvajú dostupné deutérium a v niekoľkých fázach ho premieňajú na jadrá hélia. Výsledkom je, že aj keď predpokladáme, že len jedna stotina slnečnej hmoty nachádzajúcej sa v jeho jadre sa podieľa na fúzii, uvoľnenie energie je len 0,02 wattu na kilogram. Je to však práve táto pomalosť, vysvetlená predovšetkým malou, na hviezdne pomery, hmotnosťou hviezdy (Slnko patrí do kategórie podtrpaslíkov) a zabezpečením stálosti toku slnečnej energie po mnoho miliárd rokov. vďačíme za existenciu života na Zemi. V obrovských hviezdach je premena hmoty na energiu oveľa rýchlejšia, no v dôsledku toho sa za desiatky miliónov rokov úplne spália, pričom ani nestihnú poriadne získať planetárne systémy.
Keď sa človek rozhodol uskutočniť termonukleárnu fúziu v laboratóriu, má v úmysle prekabátiť prírodu vytvorením efektívnejšieho a kompaktnejšieho generátora energie ako Slnko. Môžeme si však zvoliť oveľa ľahšie uskutočniteľnú reakciu – syntézu hélia zo zmesi deutérium-trícium. Plánuje sa, že projektovaný medzinárodný termonukleárny reaktor – tokamak „ITER“ bude schopný dosiahnuť prah vznietenia, od ktorého je však ešte veľmi, veľmi ďaleko od komerčného využitia termonukleárnej energie (pozri „Veda a život“ č. ., 2001). Hlavným problémom, ako je známe, je udržať plazmu zohriatu na požadovanú teplotu. Keďže žiadna stena sa pri takejto teplote nemôže vyhnúť zničeniu, snažia sa udržať oblak plazmy pomocou magnetického poľa. Vo vodíkovej bombe sa problém rieši výbuchom malej atómovej nálože, stlačením a zahriatím zmesi na požadovaný stav, ale tento spôsob nie je vhodný na mierovú výrobu energie. (O vyhliadkach tzv. výbušnej energie pozri „Veda a život“ č. 7, 2002)
Hlavnou nevýhodou reakcie deutérium-trícium je vysoká rádioaktivita trícia, ktorého polčas rozpadu je len 12,5 roka. Ide o reakciu s najvyššou radiáciou, aká je k dispozícii, až do takej miery, že v priemyselnom reaktore bude potrebné každých niekoľko rokov vymeniť vnútorné steny spaľovacej komory z dôvodu deštrukcie materiálu žiarením. Pravda, najškodlivejší rádioaktívny odpad, ktorý si kvôli dlhej dobe rozpadu vyžaduje neobmedzené uloženie hlboko pod zem, pri fúzii vôbec nevzniká. Ďalším problémom je, že uvoľnenú energiu odnášajú najmä neutróny. Tieto častice, ktoré nemajú elektrický náboj, nevnímajú elektromagnetické pole a vo všeobecnosti zle interagujú s hmotou, takže nie je jednoduché odobrať im energiu.
Fúzne reakcie bez trícia, ako sú tie, ktoré zahŕňajú deutérium a hélium-3, sú prakticky radiačne bezpečné, pretože používajú iba stabilné jadrá a neprodukujú nepohodlné neutróny. Na „zapálenie“ takejto reakcie je však potrebné na kompenzáciu nižšej rýchlosti fúzie zahriať plazmu desaťkrát teplejšie - až na miliardu stupňov (súčasne vyriešiť problém jej obmedzenia)! Preto sa dnes takéto možnosti považujú za základ budúcich termonukleárnych reaktorov druhej generácie po deutériovo-tríciovom reaktore. Myšlienka tejto alternatívnej termonukleárnej energie však získala nečakaných spojencov. Zástancovia vesmírnej kolonizácie považujú hélium-3 za jeden z hlavných ekonomických cieľov expanzie Mesiaca, ktorý by mal naplniť ľudskú potrebu čistej termonukleárnej energie.
KDE? ALEBO SLNEČNÝ HOSŤ
Na prvý pohľad by nemal byť problém s tým, kde získať hélium: je to druhý najrozšírenejší prvok vo vesmíre a relatívny obsah izotopu svetla v ňom je o niečo menší ako jedna tisícina. Pre Zem je však hélium exotické. Je to vysoko prchavý plyn. Zem ju svojou gravitáciou neudrží a takmer všetko primárne hélium, ktoré na ňu dopadlo z protoplanetárneho oblaku pri formovaní Slnečnej sústavy, sa vrátilo z atmosféry späť do vesmíru. Dokonca aj hélium bolo prvýkrát objavené na Slnku, a preto dostalo meno po starogréckom bohovi Héliovi. Neskôr sa našiel v mineráloch obsahujúcich rádioaktívne prvky a nakoniec sa zachytil v atmosfére medzi inými vzácnymi plynmi. Pozemské hélium nie je prevažne kozmického pôvodu, ale sekundárneho radiačného pôvodu: pri rozpade rádioaktívnych chemických prvkov sa uvoľňujú častice alfa - jadrá hélia-4. Hélium-3 takto nevzniká, a preto je jeho množstvo na Zemi zanedbateľné a dosahuje doslova kilogramy.
Héliom kozmického pôvodu (s relatívne vysokým obsahom hélia-3) sa môžete zásobiť v atmosfére Uránu alebo Neptúna – planét dostatočne veľkých na to, aby pojali tento svetelný plyn, alebo na Slnku. Ukázalo sa, že k slnečnému héliu je jednoduchšie dostať sa: celý medziplanetárny priestor je vyplnený slnečným vetrom, v ktorom na každých 70 tisíc protónov pripadá 3000 alfa častíc – jadrá hélia-4 a jedno jadro hélia-3. Tento vietor je extrémne zriedkavý, podľa pozemských noriem je to skutočné vákuum a nie je možné ho zachytiť sieťou (pozri Veda a život, č. 7, 2001). Ale slnečná plazma sa usadzuje na povrchu nebeských telies, ktoré nemá magnetosféru a atmosféru, napríklad na Mesiaci, a preto je možné vyprázdniť nejakú prirodzenú pascu, ktorá sa pravidelne dopĺňala posledné štyri miliardy rokov.V dôsledku plazmového bombardovania sa niekoľko stoviek miliónov ton hélia Počas tejto doby dopadlo na Mesiac -3. Ak by všetok slnečný vietor zostal na povrchu Mesiaca, potom by okrem 5 gramov hélia 3 na každý štvorcový meter povrchu bolo v priemere ďalších 100 kilogramov vodíka a 16 kilogramov hélia 4. Z tohto množstva by sa dala vytvoriť celkom slušná atmosféra, len o niečo redšia ako tá marťanská, alebo oceán tekutého plynu hlboký dva metre!
Na Mesiaci však nič také nie je a len veľmi malý zlomok iónov slnečného vetra zostane navždy vo vrchnej vrstve mesačnej pôdy – regolite. Štúdie lunárnej pôdy privezenej na Zem sovietskymi sondami Luna a americkými sondami Apollo ukázali, že obsahuje približne 1/100-milióntinu hélia-3, čiže 0,01 gramu na 1 tonu. A celkovo je na Mesiaci asi milión ton tohto izotopu, čo je na pozemské pomery veľa. Pri súčasnej úrovni globálnej spotreby energie by lunárne palivo vydržalo 10 tisíc rokov, čo je približne desaťkrát viac ako energetický potenciál všetkých vyťažiteľných chemických palív (plyn, ropa, uhlie) na Zemi.
AKO? ALEBO „NA GRAM VÝROBY, ZA ROK PRÁCE“
Bohužiaľ, na Mesiaci nie sú žiadne „jazerá“ hélia, je viac-menej rovnomerne rozptýlené po celej povrchovej vrstve. Napriek tomu je z technického hľadiska proces ťažby celkom jednoduchý a podrobne ho vyvinuli nadšenci lunárnej kolonizácie (pozri napr. www.asi.org).
Na uspokojenie súčasných ročných energetických potrieb Zeme je potrebné doniesť z Mesiaca len asi 100 ton hélia-3. Práve toto množstvo, zodpovedajúce trom či štyrom letom raketoplánov, fascinuje svojou dostupnosťou. Najprv však musíte vykopať asi miliardu ton mesačnej pôdy - na pomery ťažobného priemyslu nie také veľké množstvo: napríklad sa na svete vyťažia dve miliardy ton uhlia ročne (v Rusku - asi 300 miliónov ton). Obsah hélia-3 v hornine samozrejme nie je príliš vysoký: napríklad vývoj ložísk sa považuje za nákladovo efektívny, ak obsahujú najmenej niekoľko gramov zlata a diamanty - najmenej dva karáty (0,4 g) na tonu. V tomto zmysle možno hélium-3 porovnávať iba s rádiom, ktorého sa od začiatku dvadsiateho storočia vyrobilo len niekoľko kilogramov: po spracovaní tony čistého uránu sa získa len 0,4 gramu rádia, nehovoriac o problémy ťažby samotného uránu. Začiatkom minulého storočia, v období romantického vzťahu k rádioaktivite, bolo rádium veľmi obľúbené a známe nielen fyzikom, ale aj textárom: spomeňme si na vetu V. V. Majakovského: „Poézia je to isté ako výroba rádia.Produkcia na gram, práca za rok.“ . Ale hélium-3 je drahšie ako takmer akákoľvek látka používaná ľuďmi – jedna tona by stála najmenej miliardu dolárov, ak by sme energetický potenciál hélia premenili na ropný ekvivalent za výhodnú cenu 7 dolárov za barel.
Plyn sa ľahko uvoľňuje z regolitu ohriateho na niekoľko stoviek stupňov, povedzme, pomocou zrkadla solárneho koncentrátora. Nezabúdajme, že hélium-3 je stále potrebné oddeliť od oveľa väčšieho množstva iných plynov, hlavne hélia-4. To sa dosiahne ochladením plynov do kvapalného stavu a využitím malého rozdielu v bodoch varu izotopov (4,22 K pre hélium-4 alebo 3,19 K pre hélium-3). Ďalšia elegantná separačná metóda je založená na využití vlastnosti supratekutosti tekutého hélia-4, ktoré môže nezávisle pretekať cez zvislú stenu do susednej nádoby a ponechať za sebou len nesuperfluidné hélium-3 (pozri „Veda a život“ č. 2, 2004).
Bohužiaľ, toto všetko bude musieť byť vykonané v bezvzduchovom priestore, nie v „skleníkových“ podmienkach Zeme, ale na Mesiaci. Bude tam musieť byť premiestnených niekoľko banských miest, čo v podstate znamená kolonizáciu Mesiaca. Teraz stovky špecialistov monitorujú bezpečnosť niekoľkých astronautov na nízkej obežnej dráhe Zeme a posádka sa môže kedykoľvek vrátiť na Zem. Ak desaťtisíce ľudí skončia vo vesmíre, budú musieť žiť vo vákuu sami, bez podrobného dohľadu zo Zeme a zabezpečiť si vodu, vzduch, palivo a základné stavebné materiály. Na Mesiaci je však dostatok vodíka, kyslíka a kovov. Mnohé z nich možno získať ako vedľajší produkt ťažby hélia. Potom by sa hélium-3 pravdepodobne mohlo stať výnosnou komoditou pre obchod so Zemou. Ale keďže ľudia v takýchto ťažkých podmienkach budú potrebovať oveľa viac energie ako pozemšťania, mesačné zásoby hélia-3 sa našim potomkom nemusia zdať také neobmedzené a atraktívne.
Mimochodom, pre tento prípad existuje alternatívne riešenie. Ak inžinieri a fyzici nájdu spôsob, ako sa vyrovnať s držaním héliovej plazmy desaťkrát teplejšou, ako je potrebné pre moderný tokamak (úloha, ktorá sa teraz zdá byť úplne fantastická), potom zvýšením teploty iba dvakrát viac „zapálime“ syntéza reakcie zahŕňajúca protóny a bór. Potom sa vyriešia všetky problémy s palivom a za oveľa nižšiu cenu: v zemskej kôre je viac bóru ako napríklad striebra alebo zlata, je široko používaný ako prísada v metalurgii, elektronike a chémii. Ťažobné a spracovateľské závody vyprodukujú ročne státisíce ton rôznych solí s obsahom bóru a ak nemáme dostatočné zásoby na súši, tak každá tona morskej vody obsahuje niekoľko gramov bóru. A každý, kto má vo svojej domácej lekárničke fľaštičku kyseliny boritej, môže zvážiť, že má vlastnú energetickú rezervu do budúcnosti.
Literatúra
Solárna látka Bronstein M.P. - Knižný klub Terra, 2002.
Lunárna pôda z mora hojnosti. - M.: Nauka, 1974.
Popisky k ilustráciám
Ill. 1. Héliový cyklus reakcií jadrovej fúzie začína fúziou dvoch protónov do jadra deutéria. V ďalších štádiách sa tvoria zložitejšie jadrá. Napíšme si prvých pár najjednoduchších reakcií, ktoré budeme neskôr potrebovať.
p + p → D + e - + n
D + D → T + p alebo
D + D → 3 He + n
D + T → 4 He + n
D + 3 He → 4 He +2p
p + 11 Buď → 3 4 On
Rýchlosť reakcie je určená pravdepodobnosťou prekonania elektrostatickej bariéry pri priblížení dvoch kladne nabitých iónov a pravdepodobnosťou samotnej jadrovej fúzie (tzv. interakčný prierez). Najmä čím vyššia je kinetická energia jadra a čím nižší je jeho elektrický náboj, tým väčšia je šanca prejsť cez elektrostatickú bariéru a tým vyššia je rýchlosť reakcie (pozri graf). Kľúčový parameter teórie termonukleárnej energie - kritérium vznietenia reakcie - určuje, pri akej hustote a teplote plazmového paliva prekročí energia uvoľnená pri fúzii (úmerná rýchlosti reakcie vynásobenej hustotou plazmy a časom horenia) náklady na ohrev plazmy, berúc do úvahy straty a účinnosť . Reakcia deutéria a trícia má najvyššiu rýchlosť a aby sa dosiahlo vznietenie, plazma s koncentráciou asi 10 14 cm -3 sa musí zahriať na jeden a pol sto miliónov stupňov a držať 1-2 sekundy. Na dosiahnutie pozitívnej energetickej bilancie pri reakciách zahŕňajúcich ďalšie zložky – hélium-3 alebo bór, je potrebné nižšiu rýchlosť kompenzovať desaťnásobným zvýšením teploty a hustoty plazmy. Úspešná zrážka dvoch jadier však uvoľňuje energiu, ktorá je tisíckrát väčšia ako energia vynaložená na ich zahrievanie. Počiatočné reakcie cyklu hélia, ktoré tvoria deutérium a trícium v slnečnom jadre, prebiehajú tak pomaly, že zodpovedajúce krivky nie sú zahrnuté v poli tohto grafu.
Ill. 2. Slnečný vietor je prúd riedkej plazmy, ktorý neustále prúdi zo slnečného povrchu do medziplanetárneho priestoru. Vietor odnesie len asi 3x10 -14 hmotností Slnka za rok, no ukazuje sa, že je hlavnou zložkou medziplanetárneho prostredia, vytláčajúc medzihviezdnu plazmu z blízkosti Slnka. Takto vzniká heliosféra – akási bublina s polomerom asi sto astronomických jednotiek, pohybujúca sa spolu so Slnkom cez medzihviezdny plyn. Ako astronómovia dúfajú, k jej hranici sa teraz blížia americké satelity Voyager 1 a Voyager 2, ktoré sa čoskoro stanú prvou kozmickou loďou, ktorá opustí slnečnú sústavu. Slnečný vietor prvýkrát objavila sovietska medziplanetárna stanica Luna-2 v roku 1959, ale nepriamy dôkaz o prítomnosti korpuskulárneho prúdenia prichádzajúceho zo Slnka bol známy už skôr. Obyvatelia Zeme sú zodpovední za magnetické búrky slnečnému vetru (pozri „Veda a život“ č. 7, 2001). V blízkosti obežnej dráhy Zeme vietor obsahuje v priemere len šesť iónov na kubický centimeter, pohybuje sa ohromujúcou rýchlosťou 450 km/s, čo však v meradle slnečnej sústavy nie je také rýchle: trvá to tri dni. cestovať na Zem. Slnečný vietor pozostáva z 96 % protónov a 4 % jadier hélia. Prímes ostatných prvkov je nepatrná.
Ill. 3. Lunárny regolit je dosť sypká vrstva na povrchu Mesiaca hrubá niekoľko metrov. Pozostáva najmä z malých úlomkov s priemernou veľkosťou menšou ako milimeter, ktoré sa nahromadili za miliardy rokov v dôsledku ničenia mesačných hornín v dôsledku teplotných zmien a dopadov meteoritov. Štúdie lunárnej pôdy ukázali, že čím viac oxidov titánu v regolite, tým viac atómov hélia.
Ill. 4. Prítomnosť titánu v povrchovej vrstve sa dá pomerne ľahko zistiť diaľkovou spektroskopickou analýzou (červená farba na pravom obrázku obrázku získanom satelitom Clementine), a tak sa získa mapa héliových „nánosov“, ktorá , vo všeobecnosti sa zhoduje s umiestnením lunárnych morí.
Ill. 5. Na extrakciu jednej tony hélia-3 je potrebné spracovať povrchovú vrstvu regolitu na ploche najmenej 100 kilometrov štvorcových. Po ceste bude možné získať značné množstvo iných plynov, ktoré budú užitočné pre usporiadanie života na Mesiaci. Obrázky prevzaté zo stránky
Zloženie a štruktúra
Fyzikálne vlastnosti
Použitie
Čítače neutrónov
Na detekciu neutrónov sa používajú plynomery naplnené héliom-3. Toto je najbežnejšia metóda merania toku neutrónov. Je v nich reakcia
n+ 3 He → 3 H + 1 H + 0,764 MeV.Nabité reakčné produkty - tritón a protón - zaznamenáva plynový počítač pracujúci v režime proporcionálneho počítača alebo Geiger-Mullerovho počítača.
Príjem ultra nízkych teplôt
Rozpustením tekutého hélia-3 v héliu-4 sa dosiahnu milikelvinové teploty.
Liek
Polarizované hélium-3 (dá sa dlhodobo skladovať) sa v poslednom čase začalo používať pri zobrazovaní magnetickou rezonanciou na zobrazenie pľúc pomocou nukleárnej magnetickej rezonancie.
cena
Priemerná cena hélia-3 v roku 2009 bola 930 dolárov za liter.
Hélium-3 ako jadrové palivo
Reakcia 3 He + D → 4 He + p má množstvo výhod v porovnaní s reakciou deutérium-trícium T + D → 4 He + n, ktorá je najlepšie dosiahnuteľná v pozemských podmienkach. Tieto výhody zahŕňajú:
K nevýhodám reakcie hélium-deutérium patrí výrazne vyšší teplotný prah. Pred začiatkom musí byť dosiahnutá teplota okolo miliardy stupňov.
V súčasnosti sa hélium-3 neťaží z prírodných zdrojov, ale vzniká umelo rozpadom trícia. Ten bol vyrobený pre termonukleárne zbrane ožarovaním bóru-10 a lítia-6 v jadrových reaktoroch.
Plány ťažby hélia-3 na Mesiaci
Hélium-3 je vedľajším produktom reakcií, ktoré prebiehajú na Slnku. Na Zemi sa ťaží vo veľmi malom množstve, dosahujúcom niekoľko desiatok gramov ročne.
Nestabilný (menej ako deň): 5 On: Hélium-5, 6 On: Hélium-6, 7 On: Hélium-7, 8 On: Hélium-8, 9 On: Hélium-9, 10 On: Hélium-10
Nadácia Wikimedia. 2010.
Pozrite sa, čo je „Hélium-3“ v iných slovníkoch:
- (lat. Hélium) He, chemický prvok skupiny VIII periodickej tabuľky, atómové číslo 2, atómová hmotnosť 4,002602, patrí medzi vzácne plyny; bezfarebný a bez zápachu, hustota 0,178 g/l. Je ťažšie skvapalniť ako všetky známe plyny (pri 268,93 °C);... ... Veľký encyklopedický slovník
- (grécky, z helyos slnko). Elementárne telo objavené v slnečnom spektre a prítomné na Zemi v niektorých vzácnych mineráloch; sa vo vzduchu nachádza v zanedbateľných množstvách. Slovník cudzích slov zahrnutých v ruskom jazyku. Chudinov A.N ... Slovník cudzích slov ruského jazyka
- (symbol He), plynný nekovový prvok, ušľachtilý plyn, objavený v roku 1868. Prvýkrát získaný z minerálu klevita (druh uranitu) v roku 1895. V súčasnosti je jeho hlavným zdrojom zemný plyn. Tiež obsiahnuté v ...... Vedecko-technický encyklopedický slovník
Ja, manžel. , starý Eliy, I. Správa: Gelievich, Gelievna Deriváty: Gelya (Gela); Elya.Pôvod: (Z gréckeho hēlios sun.) Meniny: 27. júl Slovník osobných mien. Hélium Pozri Ellium. Denný anjel. Referenčné... Slovník osobných mien
HÉLIUM- chem. prvok, symbol He (lat. Hélium), at. n. 2, o. m, 4,002, označuje inertné (ušľachtilé) plyny; bezfarebný a bez zápachu, hustota 0,178 kg/m3. Za normálnych podmienok je plyn monatomický plyn, ktorého atóm pozostáva z jadra a dvoch elektrónov; je formovaný... Veľká polytechnická encyklopédia
Obsahuje dva protóny a dva neutróny.
Encyklopedický YouTube
1 / 5
✪ Hélium je SUPERTEKUTINY A NAJCHLADNEJŠÍ PRVOK!
✪ Supratekuté hélium. Univerzita v Stuttgarte
✪ Vyhliadky na termonukleárnu energiu (fyzik Anton Tyulusov hovorí)
✪ Operácia "Hélium"
✪ Operácia "Hélium". 3. epizóda
titulky
Chcem vám odporučiť Andreyho kanál o tom, že robí videokurz o organickej chémii pre ročník 10, teraz je na jeho kanáli dostupných viac ako 40 videí na 12 tém, prihláste sa na odber Andreyho kanála, aby ste mohli publikovať a hrať za 100 bodov, a tak dnes vám povie o najbežnejšom vzácnom plyne v pozorovateľnom vesmíre, ktorý môže nadobudnúť aj jedinečné supratekuté vlastnosti pri extrémne nízkych teplotách, stretnúť sa s héliom v periodickej tabuľke, tento prvok sa nachádza v pravom hornom rohu, je veľmi ľahké ho nájsť na číslo 2, myslím si, že tento inertný plyn dnes ľudia poznajú už od detstva pre jeho ľahkosť voči vzduchu, hélium je výborné na nafukovanie dovolenkových balónov, ktoré deti tak milujú, to všetko je spôsobené tým, že molárna hmotnosť hélium je približne sedemkrát menšie ako molárna hmotnosť vzduchu, ale napriek tomu, pokiaľ ide o prevalenciu, gély na Zemi sú vo vzduchu extrémne zriedkavé, nachádzajú sa len v jednej časti na milión, čo je väčšina výsledného hélia za rovnakú gule pochádza zo zemného plynu, v ktorom môže koncentrácia hélia dosiahnuť až sedem percent hmotnosti, a to všetko preto, že v dôsledku rádioaktívneho rozpadu uránu alebo tória v zemskej kôre sa hélium môže hromadiť v podzemných dutinách so zemným plynom a nie vyparí sa do atmosféry, ak to však vezmeme vo väčšom meradle, tak v celom pozorovateľnom vesmíre, alebo zaujme čestné druhé miesto v hojnosti medzi všetkými prvkami, hneď za vodíkom a tvorí asi štvrtinu všetkých atómov, len si predstavte, že všetky atómy ťažšie gél tvoria len dve percentá hmotnosti z celkovej hmotnosti hmoty, tu môžete cítiť, akí sme malí v meradle vesmíru; hlavná časť sa v skutočnosti nachádza vo hviezdach alebo v atmosfére plynových obrov, ktoré rovnako ako celý vesmír obsahujú okolo 20 percent hmoty, podľa dnešných údajov sa hlavná časť gélu nachádza vo vesmíre vznikla pri veľkom tresku pred cca 14 miliardami rokov, vráťme sa teraz z r. raj na zem a zvážte vlastnosti tohto plynu v hmatateľnejšom experimente Mám malú ampulku hélia, ktorá má veľmi nízky tlak asi stotinu atmosférického tlaku, je jasné, že gél nemá okrem toho farby, stále nemá žiadnu chuť ani vôňu, to by ste mohli zistiť, ak ste sa niekedy pokúšali dýchať tento plyn, ale takéto experimenty sú extrémne nebezpečné, keďže naše bunky nedýchajú hélium, potrebujú na to kyslík, to dokonca prinútilo súčasných predajcov gélových balónov pridávajúcich do nich až 20 percent kyslíka, ktoré ste vešali na večierkoch, sa stali bezpečnejšími, ak cez okulus s gélom prejdete vysokofrekvenčným vysokonapäťovým výbojom, začne svietiť matne oranžovou farbou, jas ktoré bude závisieť od napätia a od priemeru ampulky som použil DPL generátor ako zdroj napätia o ktorom som vedel a čo mi dalo možnosť držať ampulku priamo v ruke a vzhľadom na prítomnosť elektrickej kapacity v mojom tele hélium v zásade ako každé iné, na rozdiel od neho na alebo xenón, svieti už vo vzdialenosti od drôtu generátora, keďže má menšiu ionizačnú energiu, bohužiaľ z chemického hľadiska nemá naozaj žiadne zaujímavé vlastnosti; nereaguje prakticky so žiadnou látkou, aj keď stále vo forme plazmy vyzerá ako to, čo vidíte v ampulke Gély môžu vytvárať extrémne nestabilnú zlúčeninu s vodíkom, deutériom alebo niektorými kovmi a pri vysokých tlakoch tisícok atmosfér .dokonca sa tvoria specialne latky, clart z a heliosovy dusik, ktory sa vo forme krystalov daju pestovat na diamantovych podlozkach, skoda ze vsetky tieto latky su velmi nestabilne a za normalnych podmienok ich takmer nevidiet, ale existuje netreba sa rozčuľovať, pretože gél má najzaujímavejšie a najunikátnejšie fyzikálne vlastnosti zo všetkých plynov. Je to, že po ochladení na teplotu 42 Kelvinov sa v skutočnosti stáva najľahšou a najchladnejšou kvapalinou, ktorej hustota je takmer 10-krát menšia ako hustota voda v stupňoch Celzia; tekuté hélium sa získava pri šialených mínus dvestošesťdesiatosem stupňoch, čo je veľmi chladné, také chladné, že niektoré kovy sa pri takejto teplote stávajú supravodičmi, napríklad ortuť alebo niób, aby sa udržala taká nízka teplota teploty, tekuté hélium sa nachádza v dvojitej Dewarovej nádobe, ktorá je chladená aj zvonku tekutým dusíkom.Rovnaká technológia chladenia tekutého hélia sa používa aj v moderných zariadeniach na vytváranie nukleárnej magnetickej rezonancie, v nich supravodiče, zlúčenina nióbu sa chladí s tekutým héliom, ktoré je pre svoju vysokú cenu zase chladené lacnejším tekutým dusíkom, teda tekutým gélom a slúži medicíne aj na vedecký výskum, ale to najzaujímavejšie ešte len príde. Predtým som vám hovoril o prvá forma tekutého hélia, takzvané hélium 1, ak ho začnete ochladzovať znížením tlaku v nádobe, tekuté hélium časom prejde do tzv.
Prevalencia
Otvorenie
Existenciu hélia-3 navrhol austrálsky vedec Mark Oliphant počas pôsobenia na univerzite v Cambridge v r. Tento izotop nakoniec objavili Luis Alvarez a Robert Cornog.
Fyzikálne vlastnosti
Potvrdenie
V súčasnosti sa hélium-3 nezískava z prírodných zdrojov (na Zemi sú dostupné nepatrné množstvá hélia-3, ktoré je mimoriadne ťažké získať), ale vzniká rozpadom umelo vyrobeného trícia.
cena
Priemerná cena hélia-3 v roku 2009 bola podľa niektorých odhadov asi 930 USD za liter.
Plány ťažby hélia-3 na Mesiaci
Hélium-3 je vedľajším produktom reakcií prebiehajúcich na Slnku a nachádza sa v určitých množstvách v slnečnom vetre a medziplanetárnom prostredí. Hélium-3 vstupujúce do zemskej atmosféry z medziplanetárneho priestoru sa rýchlo rozptýli späť, jeho koncentrácia v atmosfére je extrémne nízka
Hypoteticky sa pri termonukleárnej fúzii, keď 1 tona hélia-3 zreaguje s 0,67 tonami deutéria, uvoľní energia zodpovedajúca spáleniu 15 miliónov ton ropy (technická uskutočniteľnosť tejto reakcie však nebola v súčasnosti skúmaná) . V dôsledku toho by lunárny zdroj hélia-3 (podľa maximálnych odhadov) mohol obyvateľom našej planéty vydržať asi päť tisícročí. Hlavným problémom zostáva realita získavania hélia z lunárneho regolitu. Ako už bolo spomenuté vyššie, obsah hélia-3 v regolite je ~1 g na 100 ton.Preto na extrakciu tony tohto izotopu je potrebné spracovať najmenej 100 miliónov ton pôdy in situ.
Použitie
Čítače neutrónov
Na detekciu neutrónov sa používajú plynomery naplnené héliom-3. Toto je najbežnejšia metóda merania toku neutrónov. Je v nich reakcia
n+ 3 He → 3 H + 1 H + 0,764 MeV.Nabité reakčné produkty - tritón a protón - zaznamenáva plynový počítač pracujúci v režime proporcionálneho počítača alebo Geiger-Mullerovho počítača.
Príjem ultra nízkych teplôt
Rozpustením tekutého hélia-3 v héliu-4 sa dosiahnu milikelvinové teploty.
Liek
Hélium-3 ako jadrové palivo
Reakcia 3 He + D → 4 He + p má množstvo výhod v porovnaní s reakciou deutérium-trícium T + D → 4 He + n, ktorá je najlepšie dosiahnuteľná v pozemských podmienkach. Tieto výhody zahŕňajú:
- Desaťkrát nižší tok neutrónov z reakčnej zóny, čo výrazne znižuje indukovanú rádioaktivitu a degradáciu konštrukčných materiálov reaktora;
- Výsledné protóny sa na rozdiel od neutrónov ľahko zachytávajú a môžu sa použiť na dodatočnú výrobu elektriny, napríklad v generátore MHD;
- Východiskové materiály pre syntézu sú neaktívne a ich skladovanie nevyžaduje špeciálne opatrenia;
- V prípade havárie reaktora s odtlakovaním aktívnej zóny je rádioaktivita úniku blízka nule.
K nevýhodám reakcie hélium-deutérium patrí výrazne vyšší teplotný prah. Na jej spustenie je potrebné dosiahnuť teplotu približne 10 9 K kvôli Coulombovej bariére. A pri nižšej teplote termonukleárna reakcia fúzie jadier deutéria medzi sebou prebieha oveľa ľahšie a nedochádza k reakcii medzi deutériom a héliom-3.
V umení
V sci-fi dielach (hry, filmy, anime) niekedy hélium-3 pôsobí ako hlavné palivo a ako cenný zdroj, vrátane ťažby na Mesiaci.
Dej britského sci-fi filmu Mesiac 2112 z roku 2009 je založený na prevádzke lunárneho banského komplexu. Komplex zabezpečuje produkciu izotopu hélia-3, pomocou ktorého sa podarilo zastaviť katastrofickú energetickú krízu na Zemi.
V politickej komédii Iron Sky sa lunárne hélium-3 stalo príčinou medzinárodného jadrového konfliktu o práva na ťažbu.
V anime" Planéty» hélium-3 sa používa ako palivo pre raketové motory atď.
Literatúra
- Dobbs E. R. Helium Tri. - Oxford University Press, 2000. ISBN 0-19-850640-6
- Galimov E. M. Ak máte energiu, môžete vyťažiť všetko - Vzácne zeminy. 2014. Číslo 2. S. 6-12.
- Hélium-3 Nedostatok: Ponuka, Dopyt a Možnosti pre Kongres // FAS, 22. decembra 2010 (anglicky)
Poznámky
- Audi G., Wapstra A. H., Thibault C.