Среда, 29 июня, 2022

Мы считаем, что мир 2051 — это мир без войны.

Сказочный изотоп: станет ли гелий-3 топливом будущего?

Время на чтение 6 мин.

В контексте лунной гонки XXI века, в которую активно включились США, Китай и Россия, довольно часто упоминается гелий-3. Оно и понятно: огромным тратам на космические программы нужно придать хотя бы видимость какой-то осязаемой практической пользы. Гелий-3 называют элементом, который способен решить все энергетические проблемы человечества на тысячелетия вперед, а Луну — самым перспективным местом, где его можно добывать. Именно этим порой обуславливают пробудившийся интерес ведущих держав к освоению спутника. Но на сегодняшний день рассматривать гелий-3 как топливо будущего следует с большими оговорками. И вот почему.

Три-четыре

Итак, что такое гелий-3 и почему он, собственно, три? Здесь нужно вспомнить школьный курс химии. Все химические элементы в этой Вселенной существуют в виде изотопов. Изотопы — это варианты одного элемента, у которых одинаковый заряд ядра (а следовательно, одинаковое количество протонов), но разное массовое число (из-за того, что в ядре разное количество нейтронов). Свойства изотопов могут различаться — самое известное неспециалистам различие в том, что изотопы могут быть стабильными и радиоактивными.

У интересующего нас гелия есть девять изотопов, но только два из них стабильны: это гелий-4 (его ядро состоит из двух протонов и двух нейтронов) и гелий-3 (в его ядре два протона и один нейтрон). Из этих двух изотопов и состоит природный гелий. Почему же его нужно искать на Луне?

Дело в том, что из всего гелия, который есть на нашей планете, 99,999863 % составляет гелий-4.

Оба изотопа из-за своей легкости постоянно улетают из нашей планеты в космос. Но запасы гелия-4 пополняются в результате альфа-распада природных радиоактивных элементов вроде урана или тория (альфа-частица и есть по сути ядро гелия-4). А вот гелий-3 так не образуется, и весь его запас на нашей планете появился миллиарды лет назад, когда Земля только формировалась. С тех пор он постепенно улетучивается из мантии в атмосферу, а оттуда в космос.

А вот на других объектах Солнечной системы дела обстоят иначе. К ним гелий-3 заносится с солнечным ветром — поток частиц от нашей звезды. Земля защищена атмосферой и магнитным полем, так что сюда гелий-3 не поступает. А вот в лунном реголите (поверхностный слой лунного грунта) изотоп прекрасно накапливается. В результате за те миллиарды лет, которые существует наш спутник, там накопились значительные (по сравнению с земными) запасы гелия-3. Они оцениваются от 0,5 до 2,5 миллиона тонн. Кажется, что это не очень много, но на всей Земле его только 35 тысяч тонн.

Но зачем он вообще нам нужен?

Синтезируй и побеждай

То, что гелий-3 образуется на Солнце, в котором происходят термоядерные реакции, намекает на возможность использования изотопа в перспективном термоядерном реакторе. Теоретически возможна реакция термоядерного синтеза между гелием-3 и дейтерием (тяжелым изотопом водорода). Использование такого топлива имеет ряд преимуществ перед традиционно рассматриваемой реакций слияния дейтерия и трития.

Во-первых, снижается проблема нейтронной радиации. При слиянии ядер дейтерия и трития высвобождается большой поток нейтронов, который не только опасен для всего живого и требует установки защиты вокруг реактора, но и разрушает само устройство. Поток нейтронов от слияния гелия-3 и дейтерия в десятки раз ниже.

Во-вторых, продуктом реакции гелия-3 и дейтерия является изотоп гелий-4 и протон. Вот этот протон можно поймать электромагнитным полем и использовать для получения электричества в специальном генераторе.

В-третьих, такой реактор абсолютно безопасен. Топливо не радиоактивно, а если произойдет авария, то выбросов не происходит.

В-четвертых, в результате такой реакции выделяется огромное количество энергии. По расчетам, слияние 1 тонны гелия-3 и 0,67 тонн дейтерия эквивалентно сжиганию 15 миллионов тонн нефти. Если оценки содержания изотопа в лунном грунте верны, то при текущем потреблении гелий-3 сможет обеспечивать потребности человечества в течение 5 тысяч лет.

Разумеется, не все так гладко. Температура в активной зоне должна быть выше 109 градусов, иначе ядра дейтерия будут сливаться друг с другом, игнорируя гелия-3. При этом из-за излучения плазма будет остывать быстрее, чем подогреваться за счет реакции. А это значит, что придется искусственно поддавать жару, а сделать это в таких температурах довольно сложно. Иными словами, управляемый термоядерный синтез в принципе пока что не реализован в масштабах, предполагающих коммерческое использование.

Синтез гелия-3 и дейтерия — это даже для такой сложной проблемы задача со звездочкой.

С другой стороны, добыча гелия-3 — это тоже технологическая проблема. Пока что человечество смогло покататься на Луне на автомобиле и установить там флаг США. Для добычи гелия-3 нужно будет переработать прямо на спутнике миллионы тонн лунного грунта (даже при условии, что на Луне изотопа сильно больше, чем на Земле, его содержание все равно не больше 0,01 г на тонну). Пока что технологии находятся на стадии написанных научных статей (например, этим занималось NASA: pdf и pdf). В 2006 году тогдашний глава РКК «Энергии» Николай Севастьянов прогнозировал, что уже через 10 лет (то есть в 2016-м) Россия создаст базу на Луне, а вскоре после этого начнет добычу гелия-3. Прогноз оказался слишком оптимистичным.

Разумеется, кроме добычи есть еще и вопросики с транспортировкой. У нас пока нет флота космических танкеров, которые могли бы регулярно совершать рейсы между Землей и спутником.

В общем, все выглядит так, что использования гелия-3 в качестве топлива — перспектива не ближайших десятилетий. А там, возможно, нам и не понадобится ничего добывать на спутнике. Как полагает доктор физико-математических наук, академик Лев Зеленый, если мы освоим промышленно пригодную технологию термоядерного синтеза, то в качестве топлива сможем использовать бор, которого на Земле завались. И тогда гелий-3 станет нам попросту ненужным.