Що таке гелій 3. Гелій-три – енергія майбутнього

Склад та будова

Фізичні властивості

Використання

Лічильники нейтронів

Газові лічильники наповнені гелієм-3 використовуються для детектування нейтронів. Це найпоширеніший метод виміру нейтронного потоку. Вони відбувається реакція

n+ 3 He → 3 H + 1 H + 0,764 МеВ.

Заряджені продукти реакції - тритон і протон - реєструються газовим лічильником, що працює в режимі пропорційного лічильника чи лічильника Гейгера-Мюллера.

Отримання наднизьких температур

Шляхом розчинення рідкого гелію-3 в гелії-4 досягають міллікельвінових температур.

Медицина

Поляризований гелій-3 (він може довго зберігатися) нещодавно почав використовуватись у магнітно-резонансній томографії для отримання зображення легень за допомогою ядерного магнітного резонансу.

Вартість

Середня ціна гелію-3 у 2009 році склала $930 за літр.

Гелій-3 як ядерне паливо

Реакція 3 Не + D → 4 Не + p має ряд переваг у порівнянні з найбільш досяжною в земних умовах дейтерієво-тритієвою реакцією T + D → 4 Не + n. До цих переваг відносяться:

До недоліків гелій-дейтерієвої реакції слід віднести значно вищий температурний поріг. Необхідно досягти температури приблизно в мільярд градусів, щоб вона могла розпочатися.

Нині гелій-3 не видобувається із природних джерел, а створюється штучно, при розпаді тритію. Останній вироблявся для термоядерної зброї шляхом опромінення бору-10 та літію-6 у ядерних реакторах.

Плани видобутку гелію-3 на Місяці

Гелій-3 є побічним продуктом реакцій, що протікають на Сонці. На Землі його видобувають у дуже невеликих кількостях, які обчислюються кількома десятками грамів на рік.

Нестабільні (менше доби): 5 He: Гелій-5, 6 He: Гелій-6, 7 He: Гелій-7, 8 He: Гелій-8, 9 He: Гелій-9, 10 He: Гелій-10

Wikimedia Foundation. 2010 .

Дивитись що таке "Гелій-3" в інших словниках:

- (Лат. Helium) Не, хімічний елемент VIII групи періодичної системи, атомний номер 2, атомна маса 4,002602, відноситься до благородних газів; без кольору та запаху, щільність 0,178 г/л. Зріджується найважче відомих газів (при 268,93 .С);… … Великий Енциклопедичний словник

- (Греч., від helyos сонце). Елементарне тіло, відкрите в сонячному спектрі і наявне землі в деяких рідкісних мінералах; у нікчемній кількості входить до складу повітря. Словник іншомовних слів, що увійшли до складу російської мови. Чудінов А.Н. Словник іноземних слів російської мови

- (Символ Не), газоподібний неметалевий елемент, БЛАГОРОДНИЙ ГАЗ, відкритий 1868 р. Вперше отримали з мінералу клевита (різновиди ураніту) 1895 р. В даний час основним джерелом його є природний газ. Міститься також у… … Науково-технічний енциклопедичний словник

Я, чоловік. , Старий. Єлій, я.Отч.: Гелійович, Геліївна.Виробні: Геля (Гела); Еля.Походження: (Від грец. hēlios сонце.) Іменини: 27 липня Словник особистих імен. Гелій Див. Еллій. День Ангела. Довідка ... Словник особистих імен

ГЕЛІЙ- Хім. елемент, символ Не (лат. Helium), ат. н. 2, ат. м. 4,002, відноситься до інертних (шляхетних) газів; без кольору та запаху, щільність 0,178 кг/м3. У звичайних умовах Р. одноатомний газ, атом якого складається з ядра та двох електронів; утворюється … Велика політехнічна енциклопедія

Напевно мало чого в галузі термоядерної енергетики оточено міфами, як Гелій 3. У 80х-90х він був активно популяризований, як паливо, яке вирішить усі проблеми керованого термоядерного синтезу, а так само як один із приводів вибратися із Землі (т.к. землі його буквально лічені сотні кілограмів, а на місяці мільярд тонн) і зайнятися, нарешті, освоєнням сонячної системи. Все це базується на дуже дивних уявленнях про можливості, проблеми та потреби неіснуючої сьогодні термоядерної енергетики, про що ми й поговоримо.

Машина для видобутку гелію3 на місяць вже готова, справа за малим - знайти йому застосування.

Коли говорять про гелій3, то мають на увазі реакції термоядерного злиття He3 + D -> He4 + Hабо He3 + He3 -> 2He4 + 2H. У порівнянні з класичною D + T -> He4 +nу продуктах реакції немає нейтронів, а отже немає активації наденергійними нейтронами конструкції термоядерного реактора. Крім того, проблемою вважається той факт, що нейтрони з “класики” забирають з плазми 80% енергії, тому баланс самонагріву настає за більшої температури. Ще одним записуваним гелієвим варіантом перевагою є те, що електроенергію можна знімати прямо з заряджених частинок реакції, а не нагріванням нейтронами води - як у старих вугільних електростаціях.

Так ось, все це - неправда, точніше, дуже маленька частина правди.

Почнемо з того, що при однаковій щільності плазми та оптимальній температурі реакція He3 + D дасть в 40 разів меншеенерговиділення на кубометр робочої плазми При цьому температура, потрібна для хоча б 40-кратного розриву буде в 10 разів вище - 100 кЕв (або один мільярд градусів) проти 10 для D+T. Сама по собі, така температура цілком досяжна (рекорд токамаків на сьогодні - 50 кЕв, всього вдвічі гірше), але щоб зав'язати енергобаланс (швидкість охолодження VS швидкість нагрівання в т.ч. самонагріву) нам потрібно підняти в 50 разів енерговиділення з кубометра He3 +D реакції, що можна зробити тільки піднявши щільність у ті ж у 50 разів. У поєднанні з температурою, що виросла в 10 разів, це дає збільшення тиску плазми у 500 разів- з 3-5 атм до 1500-2500 атм, і таке ж збільшення протитиску, щоб цю плазму втримати.

Зате картинки надихають.

Пам'ятаєте, я писав, що магніти тороїдального поля ІТЕР, які створюють протитиск плазмі – абсолютно рекордні вироби, єдині за параметрами у світі? Так ось, шанувальники He3 пропонують зробити магніти у 500 разів потужнішими.

Ок, забудемо про складності, може переваги цієї реакції їх окупають?

Різні термоядерні реакції, які застосовуються для УТС. He3 + D дає трохи більше енергії, ніж D + T, але на подолання кулонівського відштовхування витрачається дуже багато енергії (заряд 3 а не 2), тому реакція йде повільно.

Почнемо із нейтронів. Нейтрони в промисловому реакторі будуть серйозною проблемою, пошкоджувати матеріали корпусу, гріти всі елементи звернені до плазми настільки, що їх доведеться охолоджувати пристойною витратою води. А головне - активація матеріалів нейтронами призведуть до того, що й через 10 років після зупинки термоядерного реактора у ньому буде тисячі тонн радіоактивних конструкцій, які неможливо розбирати руками, і які вилежатимуть уже у сховищі сотні та тисячі років. Звільнення від нейтронів явно полегшило б завдання створення термоядерної електростанції.

Частка енергії, що забирається нейтронами. Якщо додати більше He3 в реактор, то можна знизити її до 1%, але це посилить умови запалювання.

Ок, ну а як щодо прямого перетворення енергії заряджених частинок на електрику? Досліди показують, що потік іонів з енергією 100 кЕв можна перетворити на електрику з 80% ккд. У нас тут немає нейтронів…. ну в сенсі вони не несуть всю енергію, яку ми можемо отримати тільки у вигляді тепла - давайте позбавимося парових турбін і поставимо іонні колектори?

Так, технології прямого перетворення енергії плазми на електроенергію є, вони активно досліджувалися в 60х-70х, і показали ккд в районі 50-60% (не 80, треба помітити). Однак ця ідея слабо застосовна як у D+T реакторах, так і в He3+D. Чому це так, допомагає зрозуміти ось ця картинка.

На ній показані втрати тепла плазмою різними каналами. Порівняйте D+T та D+He3. Transport - це те, що можна використовувати для прямого перетворення енергії плазми на електрику. Якщо в D+T варіанті у нас все забирають мерзенні нейтрони, то у випадку He3+D все забирає електромагнітне випромінювання плазми, в основному синхротронне та рентгенівське гальмівне (на картинці Bremsstrahlung). Ситуація практично симетрична, все одно треба відводити тепло від стін і все одно прямим перетворенням ми не можемо витягнути більше 10-15%енергії термоядерного горіння, а решта - по-старому, через паросилову машину.

Ілюстрація у дослідженні з прямого перетворення енергії плазми на найбільшій відкритій пастці Gamma-10 у японії.

Крім теоретичних обмежень є й інженерні - у світі (в т.ч. в СРСР) було витрачено гігантські зусилля на створення установок прямого перетворення енергії плазми на електрику для звичайних електростанцій, що дозволяло підняти ккд з 35% до 55%. Здебільшого з урахуванням МГД-генераторов. 30 років роботи великих колективів закінчилися пшиком – ресурс установки становив сотні годин, коли енергетикам потрібні тисячі та десятки тисяч. Гігантська кількість ресурсів, витрачена на цю технологію, призвела, зокрема, до того, що наша країна відстала у виробництві енергетичних газових турбін та установок парогазотурбінного циклу (які дають рівно таке ж підвищення ккд - з 35 до 55%!).

До речі, потужні надпровідні магніти потрібні для МГД-генераторів. Тут показані СП магніти для 30 мегаватного МГД-генератора.

Що має у складі два протони і два нейтрони.

Енциклопедичний YouTube

1 / 5

✪ Гелій - СВЕРХТЕКУЧИЙ І НАЙХОЛОДНІШИЙ ЕЛЕМЕНТ!

✪ Надплинний гелій. Штутгартський університет

✪ Перспективи термоядерної енергетики (розповідає фізик Антон Тюлюсов)

✪ Операція "Гелій"

✪ Операція "Гелій". 3-я серія

Субтитри

хочу порекомендувати вам канал андрея ступеня на він знімає відео курс з органічної хімії для 10 класу зараз на його каналі доступно більше 40 відео з 12 тем підписуйтесь на канал андрея видавати і грі на 100 балів і так сьогодні я розповім вам про найпоширеніший шляхетний газ у доступному для огляду всесвіту який до того ж ще може набувати унікальних надплинних властивостей при вкрай низьких температурах зустрічайте гелій у періодичній таблиці цей елемент знаходиться у верхньому правому куті його дуже легко знайти під номером 2 я думаю що з цим інертним газом сьогодні люди знайомляться самого дитинства так як через свою легкість щодо повітря гелій відмінно підходить для надування святкових кульок які так подобаються дітям це все через те, що молярна маса гелію приблизно в сім разів менша за молярні маси повітря але все ж таки за поширеністю гелі на землі вкрай рідкісний в повітрі його знаходиться всього лише одна частина на мільйон основна частка одержуваного гелію для тих же кульок припадає на природний газ у якому концентрація гелію може досягати до семи відсотків за масою все тому, що в результаті радіоактивного розпаду урану або торію в земній корі гелій може накопичуватися в підземних порожнинах з природним газом і не випаровуватися в атмосферу однак якщо брати масштабніше то у всьому осяжному всесвіті або займе почесне друге місце за поширеністю серед усіх елементів поступившись тільки водню і утворюючи при цьому приблизно чверть від усіх атомів ви тільки уявіть собі, що всі атоми важче гель утворює всього лише два відсотка від маси всієї маси матерії тут можна відчути наскільки ми малі в масштабах всесвіту основна частина справи знаходиться у складі зірок або ж в атмосфері газових гігантів у яких як і у всьому всесвіті міститься близько 20 відсотків справи по масі за сьогоднішніми даними основна частина гелю знаходиться в космосі утворилася під час великого вибуху близько 14 мільярдів років тому давайте тепер повернемося з небес на землю і розглянемо властивості цього газу в більш відчутних експеримент у мене є невелика ампул з гелію який знаходиться при дуже низькому тиску приблизно одна сота від атмосферного видно що гель і не має кольори крім цього він ще не має ні смаку ні запаху це ви могли дізнатися якщо коли-небудь пробували дихати цим газом проте такі досліди вкрай небезпечні так як наші клітини не дихає гелію їм потрібен кисень для цього це навіть змусило нинішніх продавців гелевих балонів для кульок додавати в них до 20 відсотків кисню що ви висіли на вечірках стала більш безпечним якщо через окулус гелем пропустити високочастотний розряд високої напруги то він почне світитися тьмяний помаранчевим кольором яскравість якого буде залежати від напруги і від діаметра ампули я використовував як джерело напруги генератора дпла про що дало мені можливість тримати ампулу прямо в руці і за наявність електричної ємності у мого тіла в принципі як у будь-якого іншого на відміну від неї або ксенону гелій загоряється вже на відстані від проводу генератора так як має менше енергію іонізації на жаль з хімічної В погляді справі зовсім не блищить цікавими властивостями він не реагує практично з жодною речовиною хоча все ж у вигляді плазми схоже на те що ви бачите в ампулі гелі може утворювати вкрай нестабільне з'єднання з воднем дейтерієм або деякими металами а при великому тиску що тисяч атмосфер навіть утворюються особливі речовини кларт від і геліос азоту який вигляді кристалів можна виростити на алмазні підкладки шкода тільки що всі ці речовини дуже нестабільні і їх практично неможливо побачити при звичайних умовах але не потрібно засмучуватися адже гель має найцікавіші та унікальні фізичні властивості з усіх газів справа в тому що при охолодженні до температури в 42 кельвіна справі стає найлегшою і холодною рідиною щільність якої майже в 10 разів менше щільності води в градусах цельсія рідкий гелій виходить при божевільних мінус двісті шістдесят вісім градусів що дуже холодно настільки холодно що деякі метали при такій температурі стає понад провідниками наприклад ртуть або ніобій щоб підтримувати таку низьку температуру рідкий гелій знаходиться в подвійній посудині дьюара який ще зовні охолоджують рідким азотом таку ж технологію охолодження рідкого гелію використовують і в сучасних апаратах для створення ядерно магнітного резонансу. який через високу дорожнечу в свою чергу охолоджують дешевшим рідким азотом таким чином рідкий гель і служить медицині а також для дослідження вчених але найцікавіше ще попереду до цього я розповідала вам про першу форму рідкого гелію так званий гелій 1 якщо ж її почати охолоджувати за допомогою зниження тиску в посудині то рідкий гелій врешті-решт перейде так звані

Поширеність

Відкриття

Існування гелію-3 було припущено австралійським ученим Марком Оліфантом під час роботи в Кембриджському університеті. Остаточно відкрили цей ізотоп Луїс Альварес і Роберт Корног в .

Фізичні властивості

Отримання

Нині гелій-3 не видобувається з природних джерел (Землі доступні незначні кількості гелію-3, надзвичайно важкі для видобутку), а створюється при розпаді штучно отриманого тритію.

Вартість

Середня ціна гелію-3 у 2009 році становила, за деякими оцінками, близько 930 USD за літр.

Плани видобутку гелію-3 на Місяці

Гелій-3 є побічним продуктом реакцій, що протікають на Сонці, і в деякій кількості міститься в сонячному вітрі та міжпланетному середовищі. гелій-3, що потрапляє в атмосферу Землі з міжпланетного простору, швидко дисипує, зворотно, його концентрація в атмосфері надзвичайно низька.

Гіпотетично, при термоядерному синтезі, коли в реакцію вступає 1 тонна гелію-3 з 0,67 тоннами дейтерію, вивільняється енергія, еквівалентна згорянню 15 млн тонн нафти (проте на даний момент не вивчена технічна можливість здійснення цієї реакції). Отже, населенню нашої планети місячного ресурсу гелію-3 (за максимальними оцінками) могло б вистачити приблизно п'ять тисячоліть. Основною проблемою залишається реальність видобутку гелію з місячного реголіту. Як згадано вище, вміст гелію-3 у реголіті становить ~1 г на 100 т. Тому для видобутку тонни цього ізотопу слід переробити на місці не менше 100 млн тонн ґрунту.

Використання

Лічильники нейтронів

Газові лічильники, наповнені гелієм-3, використовуються для детектування нейтронів. Це найпоширеніший метод виміру нейтронного потоку. Вони відбувається реакція

n+ 3 He → 3 H + 1 H + 0,764 МеВ.

Отримання наднизьких температур

Шляхом розчинення рідкого гелію-3 в гелії-4 досягають міллікельвінових температур.

Медицина

Гелій-3 як ядерне паливо

У десятки разів нижчий потік нейтронів із зони реакції, що різко зменшує наведену радіоактивність та деградацію конструкційних матеріалів реактора;
Отримані протони, на відміну від нейтронів, легко вловлюються і можуть бути використані для додаткової генерації електроенергії, наприклад, МГД-генераторі ;
Вихідні матеріали для синтезу неактивні та їх зберігання не потребує особливих запобіжних заходів;
При аварії реактора з розгерметизацією активної зони радіоактивність викиду близька до нуля.

До недоліків гелій-дейтерієвої реакції слід віднести значно вищий температурний поріг. Необхідно досягти температури приблизно в 10 9 К через Кулонівський бар'єр, щоб вона могла початися. А за меншої температури термоядерна реакція злиття ядер дейтерію між собою протікає набагато охочіше, і реакції між дейтерієм і гелієм-3 не відбувається.

У мистецтві

У фантастичних творах (іграх, фільмах, аніме) гелій-3 іноді виступає як основне паливо і як цінний ресурс, що видобувається в тому числі на Місяці.

Основою сюжету британського науково-фантастичного фільму 2009 року «Луна-2112» є робота гірничодобувного комплексу компанії «Лунар». Комплекс забезпечує видобуток ізотопу гелій-3, за допомогою якого вдалося зупинити катастрофічну енергетичну кризу на Землі.

У політичній комедії «Залізне-небо» місячний гелій-3 став причиною міжнародного ядерного конфлікту за право видобутку.

В анімі « Planetesгелій-3 використовується як паливо для двигунів ракет і т.д.

Література

Dobbs E. R. Helium Three. - Oxford University press, 2000. ISBN 0-19-850640-6
Галімов Е. М. Якщо в тебі є енергія, ти можеш витягти все - Рідкісні землі. 2014. № 2. С. 6-12.
The Helium-3 Shortage: Supply, Demand, and Options forCongress // FAS, December 22, 2010

Примітки

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

Цей ізотоп планується видобувати на Місяці потреб термоядерної енергетики. Однак це справа далекого майбутнього. Проте гелій-3 надзвичайно затребуваний вже сьогодні, зокрема, в медицині.

Володимир Тесленко

Загальна кількість гелію-3 в атмосфері Землі оцінюється лише в 35 000 т. Його надходження з мантії в атмосферу (через вулкани та розломи в корі) становить кілька кілограмів на рік. У місячному реголіті гелій-3 поступово накопичувався протягом сотень мільйонів років опромінення сонячним вітром. В результаті тонна місячного ґрунту містить 0,01 г гелію-3 та 28 г гелію-4; це ізотопне співвідношення (~0,04%) значно вище, ніж у земній атмосфері.

Амбіційні плани видобутку гелію-3 на Місяці, що на повному серйозі розглядаються не лише космічними лідерами (Росія та США), а й новачками (Китай та Індія), пов'язані з надіями, які покладають на цей ізотоп енергетики. Ядерна реакція 3Не+D→4Не+p має ряд переваг у порівнянні з найбільш досяжною в земних умовах дейтерієво-тритієвою реакцією T+D→4Не+n.

До цих переваг належить у десятки разів нижчий потік нейтронів із зони реакції, що різко зменшує наведену радіоактивність та деградацію конструкційних матеріалів реактора. Крім того, один із продуктів реакції - протони - на відміну від нейтронів, легко уловлюються і можуть бути використані для додаткової генерації електроенергії. При цьому і гелій-3, і дейтерій неактивні, їх зберігання не вимагає особливих запобіжних заходів, а при аварії реактора з розгерметизацією активної зони радіоактивність викиду близька до нуля. Є гелій-дейтерієва реакція і серйозна вада — значно вищий температурний поріг (для початку реакції потрібна температура близько мільярда градусів).

Хоча вся ця справа майбутнього, гелій-3 надзвичайно затребувана і зараз. Щоправда, не для енергетики, а для ядерної фізики, кріогенної промисловості та медицини.

Магнітно-резонансна томографія

З моменту появи в медицині магнітно-резонансна томографія (МРТ) стала одним з основних діагностичних методів, що дозволяють без будь-якої шкоди заглянути «всередину» різних органів.

Приблизно 70% маси людського тіла припадає на водень, ядро якого, протон, має певний спин і пов'язаний з ним магнітний момент. Якщо помістити протон у зовнішнє постійне магнітне поле, спин і магнітний момент орієнтуються або вздовж поля, або назустріч, причому енергія протона в першому випадку буде меншою, ніж у другому. Протон можна перевести з першого стану до другого, передавши йому строго певну енергію, рівну різниці між цими енергетичними рівнями, наприклад, опромінюючи його квантами електромагнітного поля з певною частотою.

Як намагнітити гелій-3

Найпростішим і найпрямішим способом намагнітити гелій-3 є його охолодження сильному магнітному полі. Однак ефективність цього методу дуже низька, до того ж він потребує сильних магнітних полів та низьких температур. Тому практично застосовують метод оптичної накачування — передачі атомам гелію спина від поляризованих фотонів накачування. У випадку з гелієм-3 це відбувається у два етапи — оптичне накачування у метастабільному стані та спіновий обмін між атомами гелію в основному та метастабільному стані. Технічно це реалізується шляхом опромінення лазерним випромінюванням з круговою поляризацією осередку з гелієм-3, переведеного в метастабільний стан слабким високочастотним електричним розрядом, у присутності слабкого магнітного поля. Поляризований гелій можна зберігати в посудині з внутрішнім покриттям з цезію при тиску 10 атмосфер протягом 100 годин.

Саме так і влаштований МР-томограф, тільки виявляє не окремі протони. Якщо помістити зразок, що містить велику кількість протонів у потужне магнітне поле, то кількості протонів з магнітним моментом, спрямованим вздовж і назустріч полю, будуть приблизно рівними. Якщо почати опромінювати цей зразок електромагнітним випромінюванням строго певної частоти, всі протони з магнітним моментом (і спином) «вздовж поля» перекинуться, зайнявши положення «назустріч полю». При цьому відбувається резонансне поглинання енергії, а під час повернення до вихідного стану, званого релаксацією, — перевипромінювання отриманої енергії, яке можна виявити. Це і називається ядерним магнітним резонансом, ЯМР. Середня поляризація речовини, від якої залежить корисний сигнал при ЯМР, прямо пропорційна напруженості зовнішнього магнітного поля. Щоб отримати сигнал, який можна виявити і відокремити від шумів, потрібно надпровідний магніт - тільки йому під силу створити магнітне поле з індукцією близько 1-3 Тл.

Магнітний газ

МР-томограф «бачить» скупчення протонів, тому відмінно підходить для вивчення та діагностики м'яких тканин та органів, що містять велику кількість водню (в основному у вигляді води), а також дає можливість розрізняти магнітні властивості молекул. У такий спосіб можна, скажімо, відрізнити артеріальну кров, що містить гемоглобін (основний переносник кисню в крові), від венозної, що містить парамагнітний дезоксигемоглобін, - саме на цьому заснована фМРТ (функціональна МРТ), що дозволяє відстежувати активність нейронів головного мозку.

Але, на жаль, така чудова методика, як МРТ, зовсім не пристосована для вивчення наповнених повітрям легень (навіть якщо наповнити їх воднем, сигнал від газоподібного середовища з низькою щільністю буде надто слабким на тлі шумів). Та й м'які тканини легень не надто добре видно за допомогою МРТ, оскільки вони пористі і містять мало водню.

Чи можна оминути це обмеження? Можна, якщо використовувати «намагнічений» газ — у цьому випадку середня поляризація визначатиметься не зовнішнім полем, бо всі (або майже всі) магнітні моменти будуть орієнтовані в одному напрямку. І це зовсім не фантастика: 1966 року французький фізик Альфред Кастлер отримав Нобелівську премію з формулюванням «За відкриття та розробку оптичних методів дослідження резонансів Герца в атомах». Він опікувався оптичною поляризацією спінових систем — тобто саме «намагнічуванням» газів (зокрема, гелію-3) за допомогою оптичного накачування при резонансному поглинанні фотонів з круговою поляризацією.

Ядерний магнітний резонанс використовує магнітні властивості ядер водню - протонів. Без зовнішнього магнітного поля магнітні моменти протонів орієнтовані довільно (як першому зображенні). При накладенні потужного магнітного поля магнітні моменти протонів орієнтуються паралельно полю - або "вздовж", або "назустріч". Два цих становища мають різну енергію (2). Радіочастотний імпульс з резонансною частотою, що відповідає різниці енергій, "перевертає" магнітні моменти протонів "назустріч" полю (3). Після закінчення радіочастотного імпульсу відбувається зворотний переворот, і протони випромінюють на резонансній частоті. Цей сигнал приймається радіочастотною системою томографа та використовуються комп'ютером для побудови зображення (4).

Дихайте глибше

Піонерами використання поляризованих газів у медицині стала група дослідників з Прінстона та Нью-Йоркського університету в Стоні-Брук. 1994 року вчені опублікували в журналі Nature статтю, в якій вперше було продемонстровано зображення легких миші, отримане за допомогою МРТ.

Щоправда, МРТ не зовсім стандартна — методика була заснована на відгуку не ядер водню (протонів), а ядер ксенону-129. До того ж, газ був не зовсім звичайним, а гіперполяризованим, тобто заздалегідь «намагніченим». Так народився новий метод діагностики, який почали застосовувати і в людській медицині.

Гіперполяризований газ (зазвичай у суміші з киснем) потрапляє в найдальші закутки легень, що дає можливість отримати МРТ-знімок з дозволом на порядок вище за кращі рентгенівські знімки. Можна навіть побудувати детальну карту парціального тиску кисню в кожній ділянці легень і потім зробити висновок якість кров'яного потоку і дифузії кисню в капілярах. Ця методика дозволяє вивчити характер вентиляції легень у астматиків та контролювати процес дихання критичних пацієнтів на рівні альвеол.

Як працює МРТ? МР-томограф виявляє скупчення протонів - ядер атомів водню. Тому МР-томографія показує відмінності у вмісті водню (переважно води) у різних тканинах. Існують інші способи відрізняти одну тканину від іншої (скажімо, відмінності в магнітних властивостях), які застосовуються в спеціалізованих дослідженнях.

Переваги МРТ із застосуванням гіперполяризованих газів цим не обмежуються. Оскільки газ гіперполяризований, рівень корисного сигналу виявляється значно вищим (приблизно в 10000 разів). Це означає, що відпадає необхідність у надсильних магнітних полях, і призводить до конструкції так званих слабопольних МР-томографів - вони дешевші, мобільніші і набагато просторіші. У таких установках використовуються електромагніти, що створюють поле порядку 0,005 Тл, що в сотні разів слабше за стандартні МР-томографи.

Маленька перешкода

Хоча перші експерименти у цій галузі проводилися з гіперполяризованим ксеноном-129, незабаром його замінив гелій-3. Він нешкідливий, дозволяє отримувати більш чіткі зображення, ніж ксенон-129, має втричі більший магнітний момент, що зумовлює сильніший сигнал ЯМР. Крім того, збагачення ксенону-129 через близькість маси з іншими ізотопами ксенону — дорогий процес, та й досяжна поляризація газу значно нижча, ніж у гелію-3. До того ж ксенон-129 має седативний ефект.

Але якщо слабопольні томографи прості і дешеві, чому метод МРТ з гіперполяризованим гелієм не використовується зараз у кожній поліклініці? Є одна перешкода. Але яке!

Спадщина холодної війни

Єдиний спосіб отримання гелію-3 – розпад тритію. Більшість запасів 3He зобов'язана своїм походженням розпаду тритію, виробленого під час ядерної гонки озброєнь під час холодної війни. У США до 2003 року було накопичено приблизно 260 000 л «сирого» (неочищеного) гелію-3, а до 2010 залишилося лише 12000 л незадіяного газу. У зв'язку із зростанням попиту на цей дефіцитний газ у 2007 році навіть було відновлено виробництво обмежених кількостей тритію, і до 2015 року планується додатково отримувати по 8000 л гелію-3 щорічно. При цьому річний попит на нього вже зараз становить не менше 40 000 л (з них лише 5% використовують у медицині). У квітні 2010 року американський Комітет з науки та технології США зробив висновок, що нестача гелію-3 призведе до реальних негативних наслідків для багатьох областей. Навіть вчені, які працюють у ядерній галузі США, мають труднощі з придбанням гелію-3 із запасів держави.

Охолодження змішуванням

Ще одна галузь, яка не може обійтися без гелію-3, — це кріогенна промисловість. Для досягнення наднизьких температур застосовується т.зв. рефрижератор розчинення, який використовує ефект розчинення гелію-3 у гелії-4. При температурі нижче 0.87 До суміш поділяється на дві фази - багату гелієм-3 та гелієм-4. Перехід між цими фазами вимагає енергії, і це дає можливість охолодження до дуже низьких температур - до 0,02 К. Найпростіший такий пристрій має достатній запас гелію-3, який поступово переміщується через межу розділу фаз у фазу, багату на гелій-4 з поглинанням енергії . Коли запас гелію-3 закінчиться, пристрій не зможе працювати далі - він одноразовий.
Саме такий спосіб охолодження зокрема використовувався в орбітальній обсерваторії Planck Європейського космічного агентства. У завдання «Планка» входила реєстрація анізотропії реліктового випромінювання (з температурою близько 2,7 К) з високою роздільною здатністю за допомогою 48 болометричних детекторів HFI (High Frequency Instrument), що охолоджуються до 0,1 К. До того, як запас гелію-3 в Система охолодження була вичерпана, «Планк» встиг зробити 5 знімків неба в мікрохвильовому діапазоні.

Аукціонна ціна гелію-3 коливається близько $2000 за літр, причому ніяких тенденцій до зниження не спостерігається. Дефіцит цього газу обумовлений тим, що основна частина гелію-3 використовується для виготовлення нейтронних детекторів, що застосовуються у пристроях виявлення ядерних матеріалів. Такі детектори реєструють нейтрони по реакції (n, p) - захоплення нейтрону та випромінювання протону. А щоб засікти спроби завезення ядерних матеріалів, таких детекторів потрібно дуже багато сотні тисяч штук. Саме з цієї причини гелій-3 став фантастично дорогим і малодоступним для масової медицини.

Втім, сподівання є. Щоправда, покладаються вони не на місячний гелій-3 (його видобуток залишається віддаленою перспективою), а на тритій, що утворюється у важководних реакторах типу CANDU, які експлуатуються в Канаді, Аргентині, Румунії, Китаї та Південній Кореї.

Кандидат фізико-математичних наук О. ПЕТРУКОВИЧ.

З легкої руки американського президента наприкінці 2003 року на порядок денний постало питання про нові цілі людства в космосі. Висловлене серед інших пропозицій завдання створення населеної станції на Місяці частково ґрунтується на привабливій ідеї використовувати унікальні місячні запаси гелію-3 для отримання енергії на Землі. Стане в нагоді місячний гелій чи ні, покаже майбутнє, але розповідь про нього досить цікава і дозволяє порівняти наші знання про будову атомного ядра та Сонячної системи з практичними аспектами енергетики та гірничої справи.

Наука та життя // Ілюстрації

НАВІЩО? АБО ЯДЕРНИЙ СИНТЕЗ - АЛХІМІЯ НАЯВУ

Перетворити свинець на золото було мрією середньовічних алхіміків. Як завжди, природа виявилася багатшою за людські фантазії. Реакції ядерного синтезу створили всю різноманітність хімічних елементів, заклавши матеріальні засади нашого світу. Однак синтез може дати і щось набагато цінніше, ніж золото, – енергію. Ядерні реакції в цьому сенсі подібні до хімічних (тобто реакцій перетворення молекул): кожна складова речовина, будь то молекула або атомне ядро, характеризується енергією зв'язку, який необхідно витратити, щоб зруйнувати з'єднання, і яка вивільняється при його утворенні. Коли енергія зв'язку продуктів реакції вища, ніж вихідних матеріалів, - реакція йде із виділенням енергії, і, якщо навчитися її забирати у тому чи іншому вигляді, вихідні речовини можна як паливо. З хімічних процесів найбільш ефективна в цьому сенсі, як відомо, реакція взаємодії з киснем - горіння, яка сьогодні служить основним і незамінним джерелом енергії на електростанціях, на транспорті та в побуті (ще більше енергії виділяється в ході реакції фтору, особливо молекулярного, з воднем) ; Однак і сам фтор, і фтористий водень - речовини надзвичайно агресивні).

Енергія зв'язку протонів і нейтронів у ядрі значно більша, ніж та, що пов'язує атоми в молекули, і її можна в прямому розумінні зважити, користуючись великою формулою Ейнштейна E = mc 2: маса атомного ядра помітно менша за маси окремих протонів і нейтронів, його складових. Тому тонна ядерного палива замінює багато мільйонів тонн нафти. Однак синтез не дарма називається термоядерним: щоб подолати електростатичне відштовхування при зближенні двох позитивно заряджених атомних ядер, потрібно як слід розігнати їх, тобто нагріти ядерне паливо до сотень мільйонів градусів (згадаймо, що температура є мірою кінетичної енергії частинок). По суті, за таких температур ми маємо справу вже не з газами чи рідинами, а з четвертим станом речовини – плазмою, в якій немає нейтральних атомів, а є лише електрони та іони.

У природі подібні умови, придатні для синтезу, існують лише у надрах зірок. Сонце своєю енергією завдячує так званому гелієвому циклу реакцій: синтезу ядра гелію-4 із протонів. У зірках-гігантах і під час вибухів наднових народжуються й важчі елементи, формуючи, таким чином, все розмаїття елементів у Всесвіті. (Правда, вважається, що частина гелію могла утворитися і безпосередньо при народженні Всесвіту, під час Великого вибуху.) Сонце в цьому сенсі не найефективніший генератор, тому що воно горить довго і повільно: процес гальмує перша і найповільніша реакція синтезу дейтерію з двох протонів. Всі наступні реакції йдуть набагато швидше і негайно пожирають доступний дейтерій, кілька етапів переробляючи його в ядра гелію. В результаті, навіть якщо припустити, що в синтезі бере участь лише одна сота сонячної речовини, що знаходиться в його ядрі, енерговиділення становить лише 0,02 Вт на кілограм. Втім, саме цієї повільності, що пояснюється в першу чергу невеликою, за зоряними мірками, масою світила (Сонце відноситься до категорії субкарликів) і забезпечує постійність потоку сонячної енергії на багато мільярдів років, ми завдячуємо самим існуванням життя на Землі. У зірках-гігантах перетворення матерії в енергію йде значно швидше, але в результаті вони спалюють себе повністю за десятки мільйонів років, не встигнувши навіть до ладу обзавестися планетними системами.

Задумавши провести термоядерний синтез у лабораторії, людина збирається таким чином перехитрити природу, створивши ефективніший і компактніший генератор енергії, ніж Сонце. Однак ми можемо вибрати набагато більш здійсненну реакцію - синтез гелію з дейтерій-тритієвої суміші. Планується, що проектований міжнародний термоядерний реактор - токамак "ІТЕР" зможе досягти порогу запалювання, від чого, втім, ще дуже і дуже далеко до комерційного використання термоядерної енергії (див. "Наука і життя", 2001 р.). Основна проблема, як відомо, у тому, щоб утримати плазму, нагріту до потрібної температури. Так як ніяка стінка за такої температури не уникне руйнування, то утримувати плазмову хмару намагаються магнітним полем. У водневій бомбі завдання вирішується вибухом невеликого атомного заряду, що стискає та нагріває суміш до необхідної кондиції, але для мирного отримання енергії цей спосіб мало підходить. (Про перспективи так званої вибухової енергетики див. "Наука та життя" № 7, 2002 р.)

Головний недолік дейтерій-тритієвої реакції – висока радіоактивність тритію, період напіврозпаду якого становить лише 12,5 років. Це радіаційно-брудна з доступних реакцій, причому настільки, що в промисловому реакторі внутрішні стінки камери згоряння необхідно буде змінювати через кожні кілька років через радіаційне руйнування матеріалу. Щоправда, найбільш шкідливі радіоактивні відходи, які вимагають безстрокового поховання глибоко під землею через велику розпаду, при синтезі не утворюються зовсім. Інша проблема полягає в тому, що енергію, що виділяється, виносять в основному нейтрони. Ці частинки, що не мають електричного заряду, не помічають електромагнітного поля і взагалі погано взаємодіють з речовиною, так що відібрати у них енергію непросто.

Реакції синтезу без тритію, наприклад за участю дейтерію та гелію-3, практично радіаційно безпечні, тому що в них використовуються тільки стабільні ядра і не виробляються незручні нейтрони. Однак, щоб "запалити" таку реакцію, потрібно, компенсуючи нижчу швидкість синтезу, нагріти плазму вдесятеро сильніше - до мільярда градусів (одночасно вирішивши завдання її утримання)! Тому сьогодні такі варіанти розглядають як основу майбутніх термоядерних реакторів другого, наступного за дейтерій-тритієвим, покоління. Однак ідея цієї альтернативної термоядерної енергетики набула і несподіваних союзників. Прихильники колонізації космосу вважають гелій-3 однією з основних економічних цілей місячної експансії, яка має забезпечити потреби людства у чистій термоядерній енергії.

ДЕ? АБО СОНЯЧНИЙ ГІСТ

На перший погляд проблем з тим, де взяти гелій, не повинно бути: він другий за поширеністю у Всесвіті елемент, а відносний вміст у ньому легкого ізотопу становить трохи менше однієї тисячної частки. Однак для Землі гелій – екзотика. Це дуже леткий газ. Земля не може утримати його своїм тяжінням, і майже весь первинний гелій, що потрапив на неї з протопланетної хмари при утворенні Сонячної системи, повернувся з атмосфери назад у космос. Навіть виявлено гелій спочатку на Сонці, чому і отримав назву на честь давньогрецького бога Геліоса. Пізніше його знайшли в мінералах, що містять радіоактивні елементи, і нарешті виловили в атмосфері серед інших шляхетних газів. Земний гелій має переважно не космічне, а вторинне, радіаційне, походження: при розпаді радіоактивних хімічних елементів вилітають альфа-частинки - ядра гелію-4. Гелій-3 так не утворюється, і тому його кількість на Землі мізерна і обчислюється буквально кілограмами.

Запастись гелієм космічного походження (з відносно великим вмістом гелію-3) можна в атмосферах Урану чи Нептуна – планет досить великих, щоб утримати цей легкий газ, або Сонце. Виявилося, що до сонячного гелію підібратися простіше: весь міжпланетний простір заповнений сонячним вітром, у якому на 70 тисяч протонів припадає 3000 альфа-часток - ядер гелію-4 та одне ядро гелію-3. Вітер цей надзвичайно розріджений, за земними мірками він є справжнісіньким вакуумом, і "сачком" його зловити неможливо (див. Наука і життя" № 7, 2001 р.) Зате сонячна плазма осідає на поверхні небесних тіл, що не мають магнітосфери і атмосфери, наприклад на Місяці, і, отже, можна спустошити якусь природну пастку, яка справно поповнювалася останні чотири мільярди років. поверхні Місяця, крім 5 грамів гелію-3 на кожному квадратному метрі поверхні виявилося б у середньому ще 100 кілограмів водню і 16 - гелію-4. океан рідкого газу двометрової глибини!

Однак нічого подібного на Місяці немає, і лише дуже мала частка іонів сонячного вітру назавжди залишається у верхньому шарі місячного ґрунту – реголіті. Дослідження місячного ґрунту, привезеного на Землю радянськими станціями "Місяць" та американськими "Аполлонами", показали, що гелію-3 у ньому приблизно 1/100-мільйонна частина, або 0,01 грама на 1 тонну. А всього на Місяці близько мільйона тонн цього ізотопу, за земними мірками, дуже багато. За сучасного рівня світового енергоспоживання місячного палива вистачило б на 10 тисяч років, що приблизно в десять разів більше, ніж енергетичний потенціал всього видобутого хімічного палива (газу, нафти, вугілля) на Землі.

ЯК? АБО "У ГРАМ ВИДОБУТУВАННЯ, У РІК ПРАЦІ"

На жаль, ніяких "озер" гелію на Місяці немає, він більш менш рівномірно розсіяний по всьому приповерхневому шару. Проте з технічного погляду процес видобутку досить простий і в деталях розроблений ентузіастами колонізації Місяця (див., наприклад, www.asi.org).

Щоб забезпечити сучасну річну потребу Землі в енергії, необхідно завезти з Місяця лише близько 100 тонн гелію-3. Саме ця кількість, що відповідає трьом-чотирьом рейсам космічних човників - шатлів, і заворожує своєю доступністю. Однак спочатку треба перекопати близько мільярда тонн місячного ґрунту - не така вже велика кількість за мірками гірничої промисловості: наприклад, вугілля за рік у світі видобувають два мільярди тонн (у Росії - близько 300 мільйонів тонн). Звичайно, вміст гелію-3 у породі не надто великий: наприклад, розробка родовищ вважається економічно ефективною, якщо золота в них міститься не менше кількох грамів, а алмазів – не менше двох каратів (0,4 г) на тонну. У цьому сенсі гелій-3 можна порівняти хіба що з радієм, якого з початку ХХ століття було отримано лише кілька кілограмів: після обробки тонни чистого урану виходить лише 0,4 грама радію, не кажучи вже про проблеми видобутку самого урану. На початку минулого століття, в період романтичного ставлення до радіоактивності, радій був досить популярний і відомий не тільки фізикам, а й лірикам: згадаємо фразу В. В. Маяковського: "Поезія - той самий видобуток радію. У грам видобуток, у рік праці" . Натомість гелій-3 дорожчий за будь-яку речовину, яка використовується людиною, - одна тонна коштувала б як мінімум мільярд доларів, якщо перерахувати енергетичний потенціал гелію в нафтовий еквівалент за незначною ціною 7 доларів за барель.

Газ легко виділяється з реголіту, нагрітого до кількох сотень градусів, скажімо за допомогою дзеркала-концентратора сонячних променів. Не забудемо, що ще треба відокремити гелій-3 від значно більшої кількості інших газів, переважно від гелію-4. Це роблять, охолоджуючи гази до рідкого стану і користуючись незначною різницею температур кипіння ізотопів (4,22 для гелію-4 або 3,19 для гелію-3). Інший витончений спосіб поділу заснований на використанні властивості надплинності рідкого гелію-4, який може самостійно перетекти через вертикальну стінку в сусідню ємність, залишивши після себе лише ненаплинний гелій-3 (див. "Наука і життя" № 2, 2004).

На жаль, займатися всім цим доведеться у безповітряному просторі, не "в тепличних" умовах Землі, а на Місяці. Доведеться переселити туди кілька шахтарських міст, що означає колонізацію Місяця. Зараз за безпекою кількох космонавтів на навколоземній орбіті стежать сотні фахівців і будь-якої миті екіпаж може повернутися на Землю. Якщо в космосі виявляться десятки тисяч людей, їм доведеться жити в умовах вакууму самостійно, без детального нагляду із Землі, та забезпечувати себе водою, повітрям, паливом, основними будівельними матеріалами. Втім, водню, кисню та металів на Місяці достатньо. Багато хто з них може бути отриманий як побічний продукт видобутку гелію. Тоді, мабуть, гелій-3 зможе стати вигідним товаром для торгівлі із Землею. Але оскільки люди, що перебувають у таких складних умовах, потребуватимуть набагато більшої кількості енергії, ніж земляни, місячні запаси гелію-3 можуть здатися нашим нащадкам не такими вже безмежними та привабливими.

До речі, на цей випадок є альтернативне рішення. Якщо вже інженери та фізики знайдуть спосіб впоратися з утриманням у десять разів гарячішою, ніж потрібно для сучасного токамака, гелієвої плазми (завдання, що здається зараз абсолютно фантастичною), то, збільшивши температуру ще всього вдвічі, ми "запалимо" і реакцію синтезу за участю протонів та бору. Тоді всі проблеми з паливом будуть вирішені, причому за набагато меншу ціну: бору в земній корі більше, ніж, наприклад, срібла чи золота, він широко використовується як добавка до металургії, електроніки, хімії. Різних боровмісних солей гірничозбагачувальні комбінати випускають сотні тисяч тонн на рік, а якщо нам не вистачить запасів на суші, то в кожній тонні морської води міститься кілька грамів бору. І той, у кого в домашній аптечці припасений пляшечку борної кислоти, може вважати, що у нього є власний енергетичний резерв на майбутнє.

Література

Бронштейн М. П. Сонячна речовина. – Терра-книжковий клуб, 2002.

Місячний ґрунт із моря достатку. - М: Наука, 1974.

Підписи до ілюстрацій

Ілл. 1. Гелієвий цикл реакцій ядерного синтезу починається зі злиття двох протонів у ядро дейтерію. На наступних етапах утворюються складніші ядра. Випишемо кілька перших найпростіших реакцій, які знадобляться нам надалі.
p + p → D + e - + n
D + D → T + p або
D + D → 3 He + n
D + T → 4 He + n
D + 3 He → 4 He +2p
p + 11 Be → 3 4 He
Швидкість реакції визначається ймовірністю подолання електростатичного бар'єру при зближенні двох позитивно заряджених іонів та ймовірністю власне злиття ядер (так званим перерізом взаємодії). Зокрема, що вища кінетична енергія ядра і що менше його електричний заряд, то більше вписувалося шансів пройти електростатичний бар'єр і тим вище швидкість реакції (див. графік). Ключовий параметр теорії термоядерної енергетики - критерій запалювання реакції - визначає, при якій щільності та температурі плазмового палива енергія, що виділяється при синтезі (пропорційна швидкості реакції, помноженої на щільність плазми та час горіння), перевищить витрати на нагрівання плазми з урахуванням втрат та коефіцієнта . Найбільша швидкість реакції дейтерію і тритію, і, щоб досягти запалення, плазму з концентрацією близько 10 14 см -3 необхідно нагріти до півтори сотні мільйонів градусів і утримувати 1-2 секунди. Щоб досягти позитивного балансу енергії в реакціях на інших компонентах - гелії-3 або борі, меншу швидкість треба компенсувати, збільшуючи в десятки разів температуру і щільність плазми. Зате при успішному зіткненні двох ядер виділяється енергія, що в тисячу разів перевершує енергію, витрачену на їхнє нагрівання. Початкові реакції гелієвого циклу, що утворюють дейтерій та тритій у сонячному ядрі, йдуть настільки повільно, що відповідні криві у поле цього графіка не потрапили.

Ілл. 2. Сонячний вітер - це потік розрідженої плазми, що витікає з сонячної поверхні в міжпланетний простір. Вітер забирає лише близько 3х10 -14 сонячної маси на рік, але саме він виявляється основним компонентом міжпланетного середовища, що витісняє міжзоряну плазму з околиць Сонця. Так створюється геліосфера - своєрідна бульбашка радіусом приблизно сто астрономічних одиниць, що рухається разом із Сонцем через міжзоряний газ. До її кордону сьогодні, як сподіваються астрономи, підлітають американські супутники "Вояджер-1" і "Вояджер-2", які незабаром стануть першими космічними апаратами, що залишили межі Сонячної системи. Вперше сонячний вітер виявила радянська міжпланетна станція "Луна-2" у 1959 році, проте непрямі свідчення про наявність корпускулярного потоку від Сонця були відомі і раніше. Саме сонячному вітру жителі Землі завдячують магнітним бурям (див. "Наука і життя" № 7, 2001 р.). У орбіти Землі вітер містить у середньому лише шість іонів на один кубічний сантиметр, що рухаються з дивовижною швидкістю 450 км/с, що, втім, за масштабами Сонячної системи не так вже й швидко: на подорож до Землі йде три доби. Сонячний вітер на 96% складається з протонів та на 4% з ядер гелію. Домішка інших елементів незначна.

Ілл. 3. Місячний реголіт - це досить пухкий шар на поверхні Місяця завтовшки кілька метрів. В основному він складається з дрібних уламків із середнім розміром менше міліметра, що накопичилися протягом мільярдів років внаслідок руйнування місячних порід при перепадах температури та ударах метеоритів. Дослідження місячного ґрунту показали, що чим більше в реголіті оксидів титану, тим більше і атомів гелію.

Ілл. 4. Наявність титану в приповерхневому шарі досить легко виявляється при дистанційному спектроскопічному аналізі (червоний колір на правому зображенні малюнка, отриманому супутником "Клементину"), і, таким чином, виходить карта "родовищ" гелію, які загалом збігаються з розташуванням місячних морів.

Ілл. 5. Щоб видобути одну тонну гелію-3, потрібно переробити поверхневий шар реголіту на площі щонайменше 100 квадратних кілометрів. Принагідно вдасться отримати і значну кількість інших газів, які стануть у пригоді для облаштування життя на Місяці. Малюнки взяті із сайту