Гелий-3

редактировать
Изотоп гелия с двумя протонами и одним нейтроном
Гелий-3, He
He-3 atom.png
Общие
Символ He
Названия гелий-3, He-3, тральфий (устаревший)
Протоны 2
Нейтроны 1
Данные о нуклидах
Естественное содержание 0,000137% (% He на Земле). 0,001% (% He в Солнечной системе)
Период полураспада стабильный
Исходные изотопы H (бета-распад трития)
Масса изотопа 3,0160293 u
Спин ​⁄2
Изотопы гелия. Полная таблица нуклидов

Гелий-3 (He, тральфий, см. Также гелион ) - легкий, стабильный изотоп гелий с двумя протонами и одним нейтроном (наиболее распространенный изотоп, гелий-4, имеющий, напротив, два протона и два нейтрона). За исключением протия (обычный водород ), гелий-3 является единственным стабильным изотопом любого элемента с большим количеством протонов, чем нейтронов. Гелий-3 был открыт в 1939 году.

Гелий-3 встречается в виде первичного нуклида, уходящего из земной коры в атмосфере и в космическом пространстве за миллионы лет. Гелий-3 также считается естественным нуклеогенным и космогенным нуклидом, который образуется при бомбардировке лития естественными нейтронами, которые могут высвобождаться спонтанное деление и ядерными реакциями с космическими лучами. Часть гелия-3, обнаруженного в земной атмосфере, также пережитком атмосферных и подводных испытаний ядерного оружия.

Было высказано много предположений о возможности использования гелия-3 в качестве будущего источника энергии. В отличие от радиоактивного источника ядерные деления, синтез-элементы гелия-3 высвобождает большое количество энергии, не заставляя окружающий материал становиться активным. Этот способ самовывоза может привести к тому, что этот процесс превращается в радиоактивный материал, который сам по себе приводит к тому, что окружающий материал становится радиоактивным.

Изобилие гелия -3 считается больше на Луне, чем на Земле, будучи внедренным в верхний слой реголита солнечным ветром в течение миллиардов лет, хотя по количеству все же меньше, чем в газовых гигантахечной системы .

Содержание

  • 1 История
  • 2 Физические свойства
  • 3 Естественные изобилие
    • 3.1 Земное изобилие
    • 3.2 Лунная поверхность
    • 3.3 Солнечная туманность ( исходная) численность
  • 4 Производство человека
    • 4.1 Распад трития
  • 5 Использование
    • 5.1 Обнаружение нейтронов
    • 5.2 Криогеника
    • 5.3 Медицинская визуализация
    • 5.4 Поглотитель радиоэнергии для экспериментов с плазмой токамаков
    • 5.5 Ядерное топливо
  • 6 Внеземная поверхность
    • 6.1 Лунная поверхность
    • 6.2 Другие планеты
  • 7 См.
  • 8 Примечания и ссылки
    • 8.1 Библиография
  • 9 Внешние ссылки

История

Существующее гелия-3 было впервые предложено в 1934 году австралийским физиком-ядерщиком Марком Олифант, когда он работал в Кембриджском университете Кавендишская лаборатория. Олифант проводил эксперименты, в которых быстрые дейтроны сталкивались с дейтронными мишенями (между прочим, первая демонстрация ядерного ). Выделение гелия-3 было впервые выполнено Луисом Альваресом и Робертом Корногом в 1939 году. Гелий-3 радиоактивным изотопом, пока он не был считен. в образцах природного гелия, которые в основном представляют собой гелий-4, взятые как из земной атмосферы, так и из скважин природного газа.

Физические свойства

Из-за своей низкой атомной массы, составляющей 3,02 атомных масс, гелий-3 имеет некоторые физические свойства, отличные от свойств гелия-4, с массой 4, 00 атомных единиц массы. Из-за слабого индуцированного диполь-дипольного взаимодействия между атомами гелия их физические физические свойства в основном определяются их нулевой энергией. Кроме того, микроскопические свойства гелия-3 заставляют его иметь более высокую нулевую энергию, чем гелий-4. Это означает, что гелий-3 может преодолеть диполь-дипольные взаимодействия с меньшей тепловой энергией, чем гелий-4.

квантово-механические эффекты гелий-3 и гелий-4 существенно различаются, потому что с двумя протонами, двумя нейтронами и двумя электронов, гелий-4 имеет общий спин спин, равный нулю, что делает его бозоном, но с одним нейтроном гелий-3 имеет общий спин, равную часть, что делает его фермионом .

Гелий-3 кипит при 3,19 K по сравнению с гелием-4 при 4,23 K, и его критическая точка также ниже при 3, 35 К, по сравнению с гелием-4 при 5,2 К. Плотность гелия-3 в два раза меньше плотности гелия-4, когда он находится в точке кипения: 59 г / л по сравнению с 125 г / л гелия-4 при давлении в одну атмосферу.. Его скрытая теплота парообразования также значительно ниже - 0,026 кДж / моль по сравнению с 0,0829 кДж / моль гелия-4.

Естественное изобилие

Земное изобилие

Он - изначальная субстанция в мантии Земли, которая, как считается, попала в ловушку Земли во время формирования планеты. Отношение He к He в земной коре и мантии меньше, чем для предположений о солнечном диске, полученного из метеоритов и лунных образцов, с земными материалами, обычно содержащими более низкие отношения He / He из-за врастания He в результате радиоактивного распада.

Он имеет космологическое соотношение 300 элементов на миллионах Он (ат. Частей на миллион), что позволяет предположить, что предварительное соотношение этих первичных газов в мантии составляет около 200-300 частей на миллион, когда Земля была сформирована.. Большое количество Он образовалось в результате распада урана и тории альфа-частицами, и теперь в мантии содержится около 7% первичного гелия, что снижает общее отношение Он / Он примерно до 20 промилле. Отношения He / He, превышающие атмосферные, указывают на вклад He из мантии. В коровых источниках преобладает He, который образуется в результате распада радиоактивных элементов в коре и мантии.

Отношение гелия-3 к гелию-4 в естественных земных источниковх сильно различается. Было обнаружено, что образцы литиевой руды сподумена с рудника Эдисон, Южная Дакота, содержат от 12 частей гелия-3 до миллиона частей гелия-4. Образцы из других рудников показали 2 части на миллион.

Гелий также присутствует в некоторых источниках природного газа в виде 7%, а в некоторых источниках содержится более 0,5% (более 0,2% делает его извлекаемым). Было обнаружено, что доля He в гелии, отделенном от природного газа в США, составляет от 70 до 242 частей на миллиард. Следовательно, запасы гелия-3 в США на 2002 год в объеме 1 миллиард нормальных кубических метров могли бы содержать от 12 до 43 килограммов. По данным американского физика Ричарда Гарвина, около 26 м3 или почти 5 кг Он ежегодно доступно для выделения из природного газа США. Если в процессе отделения он может быть использовать в качестве сырья сжиженный гелий, обычно используется для транспортировки и хранения больших количеств, оценки затрат на различные варианты от 34 до 300 долларов США за литр NTP, без учета стоимости инфраструктуры и оборудования. Предполагается, что ежегодная добыча газа Алжиром составляет 100 миллионов нормальных кубических метров, и это будет содержать от 7 до 24 м гелия-3 (примерно от 1 до 4 килограммов), если принять аналогичную долю гелия.

Он также присутствует в атмосфере Земли. Природное содержание He в природном газообразном гелии составляет 1,38 × 10 (1,38 частей на миллион). Парциальное давление гелия в атмосфере Земли составляет около 0,52 Па, и, таким образом, гелий составляет 5,2 частей на миллион от общего давления (101325 Па) в атмосфере Земли, и, таким образом, Он составляет 7,2 частей на триллион атмосферы. Масса атмосферы Земли составляет около 5,14 × 10 тонн, масса He в атмосфере Земли является произведением этих чисел, или около 37000 тонн He. (На самом деле эффективная цифра на десять раз меньше, так как выше ppm - это ppmv, а не ppmw. Нужно умножить на 3 (молекулярная масса гелия-3) и разделить на 29 (средняя молекулярная масса атмосферы), в результате чего в 3828 тоннах гелия-3 в земной атмосфере.)

Он создал на Земле из трех источников: лития расщепления, космических лучей и бета-распада тритий (H). Вклад космических лучей пренебрежимо мал во всех материалов реголита, кроме самых старых, и реакции расщепления лития вносит меньший вклад, чем образование He за счет выбросов альфа-частиц.

Общее количество гелия-3 в мантии может находиться в диапазоне 0,1–1 миллиона тонн. Однако большая часть мантии недоступна напрямую. Некоторое количество гелия-3 просачивается через глубоководные горячие точки вулканы, такие как вулканы Гавайских островов, но в атмосфере выбрасывается только 300 граммов в год. Срединно-океанические хребты выбрасывают еще 3 килограмма в год. Около зон субдукции источники производства гелий-3 в месторождения природного газа, которые возможно, содержат тысячу тонн гелия-3 (хотя их может быть 25 тысяч, если все древние зоны субдукции) имеют такие отложения). Виттенберг подсчитал, что в коровых источниках природного газа США может быть всего полтонны. Виттенберг процитировал оценку Андерсона еще 1200 метрических тонн частиц межпланетной пыли на дне океана. В исследовании 1994 года для извлечения гелия-3 из этих источников требуется больше энергии, чем при синтезе.

Поверхность Луны

См. #Extraterrestrial mining

Изобилие солнечной туманности (изначальной)

Одной из первых оценок исходного отношения He к He в солнечной туманности было измерение их отношений в атмосфере Юпитера, измеренное масс-спектрометром зонда входа в атмосферу Galileo. Это соотношение составляет примерно 1: 10 000, или 100 частей He на миллион частей He. Это примерно такое же соотношение изотопов, как и в лунном реголите, которое содержит 28 частей на миллион гелия-4 и 2,8 частей на миллиард гелия-3 (что находится в нижней части фактических измерений образца, которые изменяются от 1,4 до 15). частей на миллиард). Однако земные отношения изотопов ниже в 100 раз, в основном из-за обогащения запасов гелия-4 в мантии за миллиарды лет альфа-распадом из урана и торий.

Производство человека

Распад трития

Практически весь гелий-3, используемый сегодня в промышленности, образует в результате радиоактивного распада трития, учитывая его очень низкий уровень природное изобилие и его очень высокая стоимость.

Производство, продажа и распределение гелия-3 в США контролируется Министерством энергетики США (DOE).

Хотя тритий имеет несколько различных экспериментально Значения его периода полураспада, NIST перечисляют 4500 ± 8 дней (12,32 ± 0,02 года). Он распадается на гелий-3 в результате бета-распада, как в этом ядерном уравнении:

. 1H.. 2He.+. e. +. ν. e

Среди общей выделенной энергии 18,6 кэВ, доля кинетической энергии электрона меняется, со средним соответствует 5,7 кэВ, в то время как оставшаяся энергия уносится почти необнаружимым электронным антинейтрино. Бета-частицы из трития могут проникать только около 6,0 мм воздуха, и они неспособны проходить через внешний слой кожи человека. Необычно низкая энергия, выделяющаяся при бета-распаде трития, делает этот распад (вместе с рением-187 ) подходящим для измерения абсолютной массы нейтрино в лаборатории (последний эксперимент - КАТРИН ).

Низкая энергия излучения трития затрудняет обнаружение меченых соединений, за исключением использования жидкостного сцинтилляционного счета.

Тритий радиоактивным изотопом водорода и обычно образует при бомбардировке лития-6 нейтроны в ядерном реакторе. Ядро лития поглощает нейтрон и распадается на гелий-4 и тритий. Тритий распадается на гелий-3 с периодом полураспада 12,3 года, поэтому гелий-3 можно получить, просто храня тритий, пока он не подвергнется радиоактивному распаду.

Тритийным важнейшим компонентом ядерного оружия, и исторически он производился и складировался в основном для этого применения. Распад трития на гелий-3 снижает взрывную мощность термоядерной боеголовки, поэтому периодически накопленный гелий-3 должен удаляться из резервуаров боеголовки и тритий в хранилище. Гелий-3, удаленный во время этого процесса, продается для других целей.

На протяжении десятилетий он был и остается основным источником гелия-3 в мире. Однако после подписания в 1991 г. Договора СНВ-1 количество ядерных боеголовок, которые хранятся в готовности к использованию, уменьшилось. Это привело к сокращению количества гелия-3, доступного из этого источника. Запасы гелия-3 еще больше уменьшились из-за возникшего спроса, в первую очередь для использования в детекторах нейтронного излучения и медицинских диагностических процедур. Промышленный спрос на гелий-3 в США достиг пика в 70 000 литров (примерно 8 кг) в год в 2008 году. Цена на аукционе, составлявшая исторически около 100 долларов за литр, достигла 2000 долларов за литр. С тех пор спрос на гелий-3 снизился примерно до 6000 литров в год из-за высокой стоимости и энергии энергетики по его переработке и поиску заменителей.

Министерство энергетики признало растущую нехватку как трития, так и начало производства тритии путем облучения на атомной электростанции Управление долины Теннесси Уоттс-Бар в 2010 году. В этом процессе стержни выгорающего поглотителя (TPBAR), производящие тритий, содержащих литий в керамической, вставляются в реактор вместо обычных регулирующих стержней из бора. Периодически TPBAR заменяются и извлекается тритий.

В настоящее время используется только один реактор, но при необходимости этот процесс можно было бы расширить для любых потребностей мыслимых потребностей просто за счет использования большего количества национальных энергетических реакторов. Значительные количества трития и гелия-3 также могут быть извлечены из тяжеловодного замедлителя в ядерных реакторах CANDU.

Использует

Обнаружение нейтронов

гелий -3 является важным изотопом в приборах для обнаружения нейтронов. Он имеет высокое сечение пучков тепловых нейтронов и используется в качестве конвертирующего газа в детекторах нейтронов. Нейтрон превращается в ядерной реакции

n + He → H + H + 0,764 МэВ

в заряженные частицы ионы трития (T, H) и ионы водорода, или протоны ( p, H), которые устанавливаются путем создания облака заряда в соответствующем газе пропорционального счетчика или трубки Гейгера - Мюллера.

Кроме того, процесс сильно спин -зависимый, который позволяет поляризованному по спину объему гелия-3 передаваемых нейтроны с одной спиновой компонентой, поглощенной другой. Этот эффект используется в методе исследования магнитных свойств вещества.

Министерство внутренней безопасности США надеялось развернуть детекторы, чтобы обнаружить контрабандный плутоний в транспортных контейнерах по их нейтронам. выбросов, но нехватка гелия-3 во всем мире после ядерного производства оружия после холодной войны в некоторой степени предотвращратила это. По состоянию на 2012 год DHS определило, что коммерческие поставки бора-10 поддержат преобразование обнаружения нейтронов на этой технологии.

Cryogenics

A использует гелиевый холодильник гелий-3 для достижения температуры от 0,2 до 0,3 кельвина. холодильник для разбавления использует смесь гелия-3 и гелия-4 для достижения криогенных температур до нескольких тысячных кельвина.

Важное свойство гелия. -3, что отличает его от более распространенного гелия-4, состоит в том, что его ядром является фермион, поскольку он содержит нечетное количество частиц со спином ⁄ 2. Ядра гелия-4 - это бозоны, содержащие четное число частиц со спином ⁄ 2. Это прямой результат правил сложения для квантованного углового момента. При низких температурах (около 2,17 К) гелий-4 претерпевает фазовый переход : часть его переходит в сверхтекучую фазу, которую можно понять как тип конденсата Бозе - Эйнштейна. Такой механизм недоступен для элементов гелия-3, которые являются фермионами. Однако было широко распространено предположение, что гелий-3 может стать также сверхтекучим при более низких температурах, если атомы сформируются в пары, аналогичные куперовским парам в теории BCS из сверхпроводимость. Каждую куперовскую пару с целым спином можно рассматривать как бозон. В течение 1970-х годов Дэвид Ли, Дуглас Ошерофф и Роберт Колман Ричардсон появились два фазовых перехода вдоль кривой плавления, которые вскоре были обнаружены как две сверхтекучие фазы. гелия-3. Переход в сверхтекучую среду происходит при 2,491 милликельвине на кривой плавления. За свое открытие они были удостоены Нобелевской премии по физике 1996 года. Алексей Абрикосов, Виталий Гинзбург и Тони Леггетт получили Нобелевскую премию по физике 2003 года за работу по уточнению понимания сверхтекучей фазы гелия-3.

В нулевом магнитном поле есть две различные сверхтекучие фазы He: A-фаза и B-фаза. B-фаза - это фаза с низкой температурой и низким давлением, которая имеет изотропную запрещенную зону. A-фаза - это фаза с более высокой температурой и более высоким давлением, которая дополнительно стабилизируется магнитным полем и имеет два точечных узла в своем зазоре. Наличие двух фаз является явным признаком того, что He является нетрадиционной сверхтекучей жидкостью (сверхпроводником), поскольку наличие двух фаз требует нарушения дополнительной симметрии, отличной от калибровочной. Фактически, это p-волновая сверхтекучая жидкость со спином, равным S = 1, и единичным угловым моментом, L = 1. Основное состояние соответствует нулю полного углового момента, J=S+L= 0 (сложение векторов). Возможны возбужденные состояния с ненулевым полным угловым моментом, J>0, которые являются возбужденными парными коллективными модами. Из-за исключительной чистоты сверхтекучего He (поскольку все материалы, кроме He, затвердели и опустились на дно жидкого He, и любой He полностью разделил фазы, это наиболее чистое состояние конденсированной материи), эти коллективные режимы были изучены с помощью гораздо более высокая точность, чем в любой другой нетрадиционной системе сопряжения.

Медицинская визуализация

Ядра гелия-3 имеют собственный ядерный спин, равный ⁄ 2, и относительно высокое магнитогирическое отношение. Гелий-3 может быть гиперполяризован с использованием неравновесных средств, таких как спин-обменная оптическая накачка. Во время этого процесса циркулярно поляризованный инфракрасный лазерный свет, настроенный на соответствующую длину волны, используется для возбуждения электронов в щелочном металле, таком как цезий или рубидий в закрытом стеклянном сосуде. Угловой момент передается от электронов щелочного металла к ядрам благородного газа посредством столкновений. По сути, этот процесс эффективно выравнивает ядерные спины с магнитным полем, чтобы усилить сигнал ЯМР. Затем гиперполяризованный газ можно хранить при давлении 10 атм до 100 часов. После ингаляции газовые смеси, содержащие гиперполяризованный газ гелий-3, могут быть визуализированы с помощью МРТ-сканерадля получения анатомических и функциональных изображений вентиляции легких. Этот метод также позволяет получать изображения дерева дыхательных путей, обнаруживать невентилируемые дефекты, измерять альвеолярное парциальное давление кислорода и измерять соотношение вентиляции / перфузия. Этот метод может иметь решающее значение для диагностики и лечения хронических респираторных заболеваний, таких как хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ), эмфизема, кистозный фиброз и астма.

Поглотитель радиоэнергии для экспериментов с плазмой токамака

Токамак Alcator C-Mod MIT и Joint European Torus (JET) экспериментировали с добавлением небольшого количества He-3 в плазма HD для увеличения радиочастотной (RF) энергии для новой H и D, «трехионный» эффект.

Ядерное топливо

Сравнение нейтронности для различных факторов
РеагентыПродуктыQn / МэВ
Термоядерное топливо первого поколения
D + D He +. 0n.3,268 МэВ 0,306
D + D T +. 1p.4,032 МэВ 0
D + T He +. 0n.17,571 МэВ 0,057
термоядерное топливо второго поколения
D + He He +. 1p.18,354 МэВ 0
термоядерное топливо третьего поколения
He + He He + 2. 1p.12,86 МэВ 0
B
+. 1p.
3 He 8,68 МэВ 0
Чистый результат сжигания D (сумма первых 4 строк)
6 D2(He + n + p)43,225 МэВ 0,046
Текущее ядерное топливо
U + n2 FP + 2,5n~ 200 МэВ 0,0075

He может быть произведено низкий температурный синтез (Dp) H + p → He + γ + 4.98 МэВ. Если температура слияния ниже температуры слияния ядер гелия, в результате реакции образуется высокоэнергетическая альфа-частица, которая быстро приобретает электрон, производящий стабильный легкий ион гелия, который можно использовать непосредственно в качестве источника электричества без образования нейтронов.

Скорость реакции быстро увеличивается с температурой до максимума, а затем постепенно снижается. Скорость DT достигает пика при более низкой температуре (около 70 кэВ, или 800 миллионов кельвинов) и при более высоком значении, чем другие реакции, обычно рассматриваемые для энергии синтеза.

He может установить в реакторном режиме посредством любого из использования H + HeHe + p + 18,3 МэВ или He + HeHe + 2 p + 12,86 МэВ.

Обычный процесс синтеза дейтерия + трития («DT») производит энергичные нейтроны, которые делают компоненты реактора радиоактивными с продуктами активации. Привлекательный синтез гелия-3 проистекает из анейтронной природы его продуктов. Сам гелий-3 нерадиоактивен. Единственный побочный продукт с высокой энергией, протон , можно удерживать с помощью электрических и магнитных полей. Энергия импульса этого протона (созданного в процессе термоядерного синтеза) будет взаимодействовать с содержащим его электромагнитным полем, что вызвать к непосредственной выработке электроэнергии.

Из-за более высокого кулоновского барьера требуемые температуры для слияния H + He намного выше, чем у обычных слияния DT. Более того, поскольку оба реагента необходимо смешать вместе для слияния, происходят процессы реакции между ядрами одного и того же реагента, и реакция D-D (H + H ) действительно дает нейтрон. Скорости реакции меняются в зависимости от температуры, но скорость реакции D- He никогда не превышает 3,56-кратную скорость реакции D-D (см. График). Следовательно, термоядерный синтез с использованием топлива D- Он при нужной температуре и топливной смеси, обедненной D, может быть намного более низким потоком нейтронов, чем синтез DT, но он не является чистым. его главное преимущество.

Вторая возможность, слияние He с самим собой (He + He ), требует еще более высоких температур (так как теперь оба реагента имеют заряд +2) и, следовательно, даже труднее, чем D- He реакция. Однако он предлагает возможную реакцию, которая не производит нейтронов; произведенные заряженные протоны могут удерживаться с помощью электрических и магнитных полей, что, в свою очередь, приводит к прямому производству электроэнергии. He + He термоядерный синтез возможен, как в лаборатории, и имеет огромные преимущества, но его коммерческая жизнеспособность будет на много лет в будущем.

Количество гелия-3, необходимое для замены обычного топлива являются значительными по сравнению с имеющимися в настоящее время суммами. Общее количество энергии, произведенной в реакции D + He, составляет 18,4 M эВ, что соответствует примерно 493 мегаватт-часам (4,93 × 10 Вт · ч) на три граммов (один моль ) He Если бы общее количество энергии могло быть преобразовано в электрическую энергию со 100% -ным КПД (физическая невозможность), это соответствовало бы примерно 30 минут выработки гигаваттной электростанции на моль He. Таким образом, для годового производства (при 6 граммах на каждый час работы) потребуется 52,5 кг гелия-3. Количество топлива, необходимое для крупномасштабных приложений, также можно выразить в терминах общего потребления: потребление электроэнергии 107 миллионов домохозяйств в США в 2001 году составило 1,140 миллиардов кВт · ч (1,14 × 10 Вт · ч). Снова предполагая 100% эффективность преобразования, 6,7 тонн гелия-3 в год потребуется для этого сегмента потребляемой энергии в Штатах, от 15 до 20 тонн в год с учетом более реалистичного конечного показателя потребления. конечного преобразования.

Подход второго поколения к управляемой термоядерной мощности включает объединение гелия-3 (2 He) и дейтерия (1H ). Эта дает ион гелия-4 (2He ) (реакция альфа-частице, но другого происхождения) и высокоэнергетический протон (положительно заряженный ион водорода) ( 1 п). Наиболее возможное использование преимущества этой технологии для производства энергии, а также других применений заключается в ее совместимости с электростатических полей для управления топливными ионами и протонами синтеза. Кинетическая энергия протонов с высокой скоростью, как положительно заряженных частиц, может быть преобразована в электричество посредством использования твердотельных материалов преобразования, а также других методов. Возможна потенциальная эффективность преобразования 70%, так как нет необходимости преобразовывать энергию протонов в тепло для привода турбины с питанием от электрического генератора.

Было много заявлений о возможности гелиевых электростанций. По мнению сторонников, термоядерные электростанции, работающие на дейтерии и гелии-3, будут предлагать более низкие капитальные и эксплуатационные расходы, чем их конкуренты из-за меньшей технической сложности, более высокой эффективности преобразования, меньшего размера, отсутствие радиоактивного топлива, отсутствие загрязнения воздуха или воды загрязнение и только требования к удалению низкоактивных радиоактивных отходов. По последним оценкам, для разработки и строительства первой термоядерной электростанции потребуется около 6 миллиардов инвестиций капитала. Финансовая безубыточность при сегодняшних оптовых ценах на электроэнергию (5 центов США за киловатт-час ) наступит после того, как пять станций мощностью 1- гигаватт будут подключены к сети, заменив старые традиционные заводов или удовлетворения нового спроса.

Реальность не так очевидна. Самыми продвинутыми программами термоядерного синтеза в мире являются термоядерный синтез с инерционным удержанием (например, National Ignition Facility ) и термоядерный синтез с магнитным удержанием (например, ИТЭР и Wendelstein 7-X ). В первом случае нет твердой дорожной карты для выработки электроэнергии. В случае последнего коммерческого производства электроэнергии ожидается не ранее 2050 года. Самый простой из предлагаемых примеров термоядерного синтеза: термоядерный синтез. Этого - очень низкий кулоновский барьер для этой реакции; для D + He барьер намного выше, а для He - He еще выше. Огромная стоимость таких реакторов, как ITER и National Ignition Facility, во многом объясняется их огромнымиерами, но для масштабирования до более высоких температурных плазмы потребовались бы реакторы еще большего размера. Протон с энергией 14,7 МэВ и альфа-частица с энергией 3,6 МэВ от синтеза D-He плюс более высокая эффективность преобразования означает, что на килограммы получается больше электричества, чем при синтезе DT (17,6 МэВ), но не намного больше. В качестве еще одного недостатка, скорости реакции для использование синтеза гелия-3 не особенно высоки, что требует реактора большего размера или большего количества реакторов для производства того же количества электричества.

Чтобы попытаться обойти эту проблему очень больших электростанций, которые могут быть даже не экономичными с DT-синтезом, не говоря уже о гораздо более сложном синтезе D-He, был предложен ряд других реакторов - Fusor, Polywell, Focus fusion и многие другие, хотя многие из этих концепций имеют фундаментальные проблемы с достижением чистого прироста энергии и обычно достигают слияния в тепловое неравновесие, что может оказаться невозможным, и, следовательно, долгосрочные долгосрочные программы, как правило, проблемы с получением финансирования, несмотря на их небольшие бюджеты. Однако, в отличие от «больших», «горячих» систем термоядерного синтеза, если бы такие системы работали, они могли бы масштабироваться до более высокого барьерного «аневтронного » топлива, и поэтому их сторонники склонны продвигать pB термоядерный, не требующий экзотических видов топлива, таких как гелий-3.

Внеземная добыча

поверхность Луны

Материалы на поверхности Луны содержат гелий-3 в составх от 1,4 до 15 частей на миллиард в освещенных солнцем областях и может содержать концентрацию до 50 ppb в постоянно затененных областях. Ряд людей, начиная с Джеральда Кульцински в 1986 году, предложили исследовать Луну, добыть лунный реголит и использовать гелий-3 для термоядерного синтеза. Из-за концентраций гелия-3 любое горнодобывающее оборудование должно быть обработано большое количество реголита (более 150 тонн реголита для использования одного грамма гелия-3), и в некоторых предложениях предлагалось совмещать извлечение гелия-3.

Основная цель первого лунного зонда Индийская организация космических исследований под названием Chandrayaan-1, запущенного 22 октября 2008 г. В некоторых источниках сообщалось, что он составляет карту поверхности Луны на предмет наличия гелий-3-минералов. Однако такая цель не упоминается в официальном списке целей проекта, хотя многие из его научных приложений отмечают приложения, связанные с гелием-3.

Космохимик и геохимик Оуян Цзыюань из Китайской академии наук, который в настоящее время отвечает за китайскую программу исследования Луны, уже неоднократно заявляет, что одна из основных целей программы будет добывать гелия-3, в результате которой «каждый год три космических челнока будет доставить достаточно топлива для всех людей во всем мире».

С января 2006 года Российская космическая компания РКК Энергия объявил, что считает лунный гелий-3 потенциальным экономическим ресурсом, который будет добыт к 2020 году, если удастся найти финансирование.

Не все авторы считают, что добыча лунного гелия-3 возможна, и даже будет спрос на это для синтеза. Дуэйн Дэй в статье The Space Review в 2015 году характеризует извлечение гелия-3 с Луны для использования в термоядерном синтезе как магическое / религиозное мышление и ставит под сомнение возможность извлечения из Луны, когда по сравнению с производством на Земле.

Planetoid Mines Corporation, компания, занимающаяся раскопками, объявила 7 мая 2020 года о лунной миссии по добыче гелия-3 с использованием запатентованного оборудования ISRU, запуск которой начнется в 2023 году.

Другие планеты

Добыча газовых гигантов для гелия-3 также была предложена. Гипотетический проект межзвездного зонда Британского межпланетного общества Project Daedalus был основан, например, на гелиевых минах-3 в атмосфере Юпитера. Однако высокая гравитация Юпитера делает эту операцию менее энергетически выгодной, чем извлечение гелия-3 из других газовых гигантов Солнечной системы.

См. Также

Примечания и ссылки

Библиография

Внешние ссылки

.

Зажигалка:. дипротон Гелий-3 - это. изотоп гелия Тяжелее:. гелий- 4
Продукт распада :. лития-4 (p ). водород-3 (β− )Цепь распада. гелия-3Распадается на:. Стабильный
Последняя правка сделана 2021-05-23 05:45:32
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте