Evgeniy
Участник
Si vis pacem - para bellum!
|
| отправлено: 12-12-2005 11:17:20 | |
инфо • правка • ссылка • сообщить модератору |
Гелий-3 рассматривается как перспективный источник энергии для термоядерных реакторов, уже объявили что в будущем его собираются добывать на Луне США, Китай, Россия. Евросоюз видимо пока ждет первых результатов экспериментального реактора, собственно пока не создан хотя бы дейтерий-тритиевый реактор гелий-3 бесполезен.
Вот кое что интересное с форума "Новости космонавтики":
В последнее время резко усилился интерес к лунному гелию - 3 . Его упоминают и американцы в качестве одной из целей своей лунной программы, и представители нашего Росавиакосмоса тоже стали поговаривать (например, Севастьянов).
Реакция околокосмической общественности и просто интересующихся, как правило, скептическая. Скептическая без аргументов, "просто так". Кто говорит - нереально, кто - реально, но экономически невыгодно, кто-то (как Черток) считает лунный гелий лишь хорошим поводом для развития космонавтики. А как всё обстоит на самом деле? Давайте внесём ясность.
Возникает закономерный вопрос - "А для чего, собственно?" (с) Михаил Анчаров, "Сода-солнце".
Разобъём этот вопрос на две части: 1) Почему, собственно, гелий - 3 ? и 2) Почему, собственно, лунный гелий - 3 ?
1. Почему, собственно, гелий - 3 ?
Гелий - 3 позволит создать абсолютно безопасную энергетику, обеспеченную практически неограниченными запасами топлива.
Термоядерная энергетика, использующая реакцию дейтерий-тритий (наиболее легко осуществимую), хоть и гораздо более безопасна, чем ядерная энергетика деления, всё же имеет ряд существенных недостатков. Основной - это большое число высокоэнергетичных нейтронов (число нейтронов на единицу мощности на порядок больше, чем у реакторов деления, энергия нейтронов примерно в 7 раз выше). Такого нейтронного потока ни один из известных материалов не может выдержать в течение срока больше 3-6 лет - при том, что ресурс реактора должен быть не меньше 30 лет. Значит, первую стенку тритиевого термоядерного реактора необходимо регулярно заменять - а это очень сложная и недешёвая процедура, связанная к тому же с остановкой реактора на довольно длительный срок. Далее, от мощного нейтронного излучения необходимо экранировать магнитную систему реактора - это усложняет конструкцию и удорожает её. Многие элементы конструкции тритиевого реактора после окончания эксплуатации будут высокоактивными и потребуют захоронения на длительный срок. Источников трития в природе нет, тритий придётся нарабатывать непосредственно на реакторе => возня с радиохимией, дополнительные сложности. Кроме того, в реакции D-T 80% энерговыхода приходится на нейтроны, и лишь 18% - на заряженные частицы, что уменьшает КПД энергетического реактора.
В случае же использования в термоядерном реакторе реакции D-He3 положение существенно улучшается. Нейтронный поток падает в 30 раз (нейтроны возникают в результате побочных реакций D-D), к тому же энергия нейтронов значительно меньше, в результате повреждения первой стенки нейтронами становятся несущественными, и срок службы в 30-40 лет можно обеспечить без труда. После окончания эксплуатации гелиевого реактора высокоактивные отходы не образуются, радиоактивность элементов конструкции будет так мала, что их можно будет захоронять буквально на городской свалке, слегка присыпав землёй. На заряженные частицы в реакции D-He3 приходится 60% энергии, еще примерно 30% - на СВЧ-излучение, которое можно эффективно преобразовать в электричество. В результате КПД гелиевого реактора существенно выше, чем тритиевого - тепловые машины почти не играют роли в производстве энергии, в основном используется прямое преобразование энергии. Не исключено также, что выход нейтронов удастся свести к нулю, нагревая лишь гелиевую компоненту плазмы.
Реакцию D-He3 осуществить сложнее, чем D-T, но дело того стоит. Сложность проведения термоядерной реакции можно характеризовать тройным произведением nTt (плотность на температуру на время удержания). По этому параметру реакция D-He3 примерно в 100 раз сложнее, чем D-T. Большой разрыв? Да, немаленький. Но за полвека термоядерных исследований достигнутое nTt в среднем увеличивалось в 10 раз каждые 10 лет. Для справки: в 1990-м году на европейском токамаке JET уже жгли гелий - 3 , полученная мощность - 140 кВт. Примерно тогда же на американском токамаке TFTR была достигнута температура 35 кэВ, что уже довольно близко к температуре, необходимой для реакции D-He3 (от 50 до 100 кэВ). Да, 140 кВт - мощность небольшая, и разумеется, на зажигание потрачено значительно больше энергии, чем было получено в результате реакции - но JET не был заточен под положительный энерговыход не то что на гелии - 3 , но даже и на тритии (хотя после реконструкции установки в 1996-м на нём всё же получили на тритии положительный энерговыход, Q=1,01). Таким образом, принципиальная осуществимость реакции сомнений не вызывает, и со всех точек зрения гелиевый термоядерный реактор может быть создан в течении 20-30 лет.
2. Почему, собственно, лунный гелий - 3 ?
Потому что на Земле гелия - 3 по не вполне ясным причинам очень мало – суммарные запасы оцениваются в 4000 тонн (содержание гелия - 3 в атмосферном гелии очень низко, и в гелии , получаемом из природного газа, не превосходит 2*10^-6 от He4). В принципе не исключено, что значительные количества He3 содержатся в мантии, однако доступ на глубины в десятки и сотни километров как сейчас, так и в обозримом будущем, представляется практически невозможным. Искусственное получение He3 (например, в ходе распада трития) также представляет собой сложную и дорогую задачу.
4000 тонн земных запасов - это, казалось бы, много. Однако эти 4000 тонн рассеяны в атмосфере и земной коре, так что заполучить их "в руки" просто невозможно. Более-менее доступные запасы составляют 500 кг (300 кг, образующиеся за счёт распада трития в ядерных боеголовках и тяжёлой воде реакторов CANDU и 200 кг, содержащиеся в природном газе), причём из этих пятисот реально доступны лишь первые 300 кг - He3, содержащийся в подземных запасах природного газа, извлечь весьма непросто.
Но всё же в пределах досягаемости находится богатый источник гелия - 3 - как нетрудно догадаться, Луна.
Высокое содержание гелия - 3 в лунном реголите еще в 1970-м году обнаружил Пепин, изучая образцы грунта, доставленные "Аполлонами", однако это обстоятельство не привлекало внимания вплоть до 1985-го года, когда термоядерщики из Висконсинского университета во главе с Дж.Кульчински "переоткрыли" лунные запасы гелия .
Анализ шести образцов грунта, привезенных экспедициями “Аполлонов” и двух образцов, доставленных “Лунами”, показал, что в реголите, покрывающем все моря и плоскогорья Луны, содержится до 10^6 тонн гелия - 3 , что обеспечило бы земную энергетику, даже увеличенную по сравнению с современной в несколько раз (до 6000 ГВт), на 1000 лет. По новейшим оценкам, запасы гелия - 3 на Луне еще на три порядка больше – до 10^9 тонн. Гелий - 3 также содержится в атмосферах планет-гигантов, и, по оценкам, запасы его только на Юпитере составляют 10^20 тонн, чего хватило бы для энергетики Земли навсегда.
Реголит покрывает Луну слоем толщиной в несколько метров (5-15 м). Реголит лунных морей богаче гелием , чем реголит плоскогорий. 1 килограмм гелия - 3 содержится приблизительно в 100 000 тонн реголита.
Технология добычи гелия - 3 на Луне.
Промышленность по добыче гелия - 3 должна включать следующие процессы:
1. Добыча реголита.
Специальные “комбайны” должны собирать реголит с поверхностного слоя толщиною около двух метро и доставлять его на пункты переработки или же перерабатывать непосредственно в процессе добычи. Для получения 1 кг гелия - 3 с энергетическим эквивалентом 6*10^5 ГДж необходимо собрать 100 000 тонн реголита, для чего требуются, по оценкам, энергозатраты порядка 2,2*10^3 ГДж.
2. Десорбция гелия из реголита.
При нагреве до 600 С десорбируется 75% содержащегося в реголите гелия , при нагреве до 800 С - почти весь гелий . Нагрев пыли предлагается вести, фокусируя солнечный свет либо пластмассовыми линзами, либо зеркалами. Доставка и оборудование печей на Луне требует энергозатрат примерно 180 ГДж/кг.
3. Разделение изотопов He3 и He4.
Разделение изотопов He3 и He4 предлагается вести в две ступени. На первой производится криогенная дистилляция, использующая разницу в температурах ожижения изотопов. На второй ступени используется сверхтекучесть He4 при охлаждении ниже 2,1 К. Разделение изотопов рекомендуется вести лунной ночью, когда температура поверхности падает до 120 К. Затраты энергии на него оцениваются в 180 МДж/кг.
4. Доставка на Землю.
Доставка на Землю космическими кораблями многоразового использования. Энергозатраты оценочно 1 ГДж/кг.
Таким образом, суммарные энергозатраты на доставку гелия - 3 на Землю составляют 2,4*10^3 ГДж/кг. При сжигании гелия - 3 в термоядерном реакторе выделяется 6*10^5 ГДж/кг, т.е. получаем 250-кратный выигрыш в энергии. Для сравнения: выигрыш энергии при сжигании ископаемых топлив не выше 30-ти (16 для угля, 20 для урана).
При добыче гелия - 3 из реголита извлекаются также многочисленные спутные вещества (водород, вода, азот, углекислый газ, азот, метан, угарный газ), которые могут быть полезны для поддержания лунного промышленного комплекса.
Экономические оценки.
В 1991 году И.Н.Головин приводил следующие грубые оценки: при топливной составляющей в 1 коп./кВт*ч цена тонны гелия - 3 была бы 1 млрд. рублей. Энергетика СССР (300 ГВт в 1991 г.) потребляла бы примерно 40 тонн гелия - 3 в год. В каждом полёте на Луну целесообразным было бы привозить 1/3 годовой потребности, т.е. 13-15 тонн. Если бы мы хотели иметь топливную составляющую в 1/3 коп./кВт*ч, то можно было бы допустить, чтобы каждый полёт стоил 5 млрд. рублей. Таким образом, добыча лунного гелия - 3 выглядела вполне экономически окупающейся, даже с учетом стоимости разработки лунной космической системы, создания и амортизации лунной промышленности. Как ни парадоксально, по энергетическому эквиваленту лунный гелий - 3 может оказаться дешевле земного каменного угля.
По современным оценкам, затраты на организацию системы транспортировки стоит 3,5-4 млрд. $ + 750 млн. $ через каждые 10 рейсов к Луне. Доставка 7 тонн гелия - 3 на околоземную орбиту – порядка 30 млн. $.
Некоторые цифры: в 1990-м году США потратили 50 млрд. $ на топливо для производства электроэнергии. Такое же количество энергии можно получить из 25 тонн гелия - 3 . Таким образом, цена в 2 млрд. $ за тонну гелия - 3 была бы вполне приемлимой. Цена даже в 1 млрд. $ за тонну гелия - 3 эквивалентна цене 7$ за баррель нефти или 15$ за тонну угля, что заметно ниже современных рыночных цен - 20$ за баррель и 20 $ за тонну. Значит, цена за 1 тонну гелия - 3 в 1 млрд. $ и даже выше более чем приемлима.
Видим, что добыча гелия - 3 на Луне выглядит вполне выгодной, как с чисто энергетической, так и с экономической точки зрения – разумеется, при условии, что на Земле эксплуатируется значительное число термоядерных реакторов, сжигающих гелий - 3 . Создание таких реакторов представляется в принципе вполне осуществимым, хотя и требует значительных усилий и времени – вряд ли меньшего, чем 20-30 лет. Большой срок? Немалый. Но такое же, если не большее, время займет и создание лунной инфраструктуры для добычи гелия - 3 . Значит, начинать уже сейчас - вполне разумно.
На что можно опереться при создании лунной базы и лунной промышленности?
В первую очередь - на спутные газы.
На 1 кг добытого гелия - 3 приходится:
6000 кг H2
3000 кг Н2О
3000 кг He4
2000 кг СО2
2000 кг СО
2000 кг СН4
500 кг N2
Кроме того, на Луне в больших количествах присутствует минерал ильменит, состоящий из оксидов железа и титана. Из ильменита можно получить кислород либо путём нагрева до температур выше 700 С, либо электролизом (при этом на одном электроде выделяется кислород, на другом - чистое железо).
Из реголита также можно производить цемент. Таким образом, на Луне есть всё для изготовления бетона.
Растения на реголите неплохо растут - есть основа для лунного с/х.
Не исключено наличие льда в приполярных кратерах.
Весьма интересны отдельные районы Луны (кратеры Аристарх, Платон, Тихо, море Кризисов), в которых периодически наблюдаются т.н. кратковременные лунные явления (КЛЯ). КЛЯ представляют как чисто научный, так и практический интерес - по-видимому, некоторые из них связаны с газовыми выбросами из недр Луны.
Видим, что потенциально лунная база имеет обширные "подножные" запасы для своего развития и самообеспечения.
Ссылки:
1. И.Н.Головин, "Малорадиоактивная энергетика на основе реакции D-He3", препринт Института Атомной Энергии им. Курчатова, 1991 (сейчас на руках у меня этого препринта нет, поэтому название цитирую не совсем точно).
2. Еще один препринт Головина на ту же тему, 1992.
3. Proceedings of the Workshop on D-He3 Based Reactor Studies, Moscow, 1991 (материалы как по реакторам, так и по лунному гелию ).
4.В.М.Кулыгин, доклад на семинаре Института Космических Исследований (2003)
5. И др. |
|
| IP |
|
Evgeniy
Участник
Si vis pacem - para bellum!
|
| отправлено: 12-12-2005 11:21:38 | |
инфо • правка • ссылка • сообщить модератору |
Статья приведенная выше только выглядит неподъемной, читается на самом деле быстро и легко усваивается, проверено. 
Собственно интересно мнение околонаучной общественности на этот счет: стоит ли игра свеч, стоит ли начинать R&D по теме сейчас, какой у нее должен быть приоритет? Вообще может ли Россия самостоятельно решить данную проблему, по силам ли она даже Соединенным Штатам?
Сообщение изменено Evgeniy от Mon Dec 12 11:22:13 2005 |
|
| IP |
|
Evgeniy
Участник
Si vis pacem - para bellum!
|
| отправлено: 12-12-2005 11:30:11 | |
инфо • правка • ссылка • сообщить модератору |
| Кроме D-T и D-He3 реакторов есть еще идея - реактор с использованием бора вместо трития или гелия-3, как я понимаю он требует повышения температуры в два раза по сравнению с реактором на гелии-3, который сам по себе требует повышения температуры относительно реактора на тритии, зато бора на самой Земле много и при решении этой проблемы нет необходимости строить базы на Луне. |
|
| IP |
|
Evgeniy
Участник
Si vis pacem - para bellum!
|
| отправлено: 12-12-2005 11:36:10 | |
инфо • правка • ссылка • сообщить модератору |
С того же форума, возражения относительно реактора с бором:
К сожалению, с бором всё далеко не так просто. Во-первых, температуру желательно бы увеличить не в два раза, а сильнее. При этом в разы возрастёт и механическая нагрузка на катушки магнитной системы - и не факт, что достаточно просто удастся предотвратить их разрушение под такой нагрузкой. Во-вторых, температурой дело не ограничивается - нужно еще, чтобы nt (произведение концентрации на время удержания) превосходило некую величину, т.н. критерий Лоусона. Критерий Лоусона имеет разные величины для разных реакций. Для p-B его даже нет в "широком обороте", но очевидно, что он заметно больше, чем для D-He3. Дело в том, что реакцию p-B гораздо труднее замкнуть по энергии - при высоких температурах (а для p-B желательно всё же иметь температуру, близкую к 1 МэВ) растут потери на циклотронное излучение, и уже одни эти потери приближаются к полному энерговыходы в результате реакций синтеза. Далее, значительно растут по сравнению с D-He3 и потери на тормозное излучение (рентгеновского спектра, для реакции p-B, кстати, не такого уж мягкого) - тормозные потери пропорциональны Z^2, Z - заряд ядра. В плазме у нас полно бора с Z=5, значит, потери растут очень неслабо (для сравнения: в "лёгкой" плазме изотопов водорода и гелия наличие даже малой примеси тяжёлых элементов очень сильно портит жизнь). Если еще вспомнить, что всегда будут еще и энергетические потери за счёт частиц - диффузионные, "неустойчивостные" и т.д. - оптимизм в отношении водорода-бора заметно уменьшается.
Наглядной иллюстрацией служит то, что работ по гелиевой энергетике за последние 20 лет опубликована куча, и число их растёт, а по бор-водороду - считанные единицы, очень немногие воспринимают это направление всерьёз - слишком много сложностей. |
|
| IP |
|
Evgeniy
Участник
Si vis pacem - para bellum!
|
| отправлено: 12-12-2005 11:52:53 | |
инфо • правка • ссылка • сообщить модератору |
Еще оттуда же:
1. Реакция дейтерий-тритий явно будет получена раньше, чем D-He3.
2. Еще неизвестно, что будет разработано раньше: стационарные установки для D-He3 или ракетные двигатели на базе D-T.
3. Использование термояда для транспортировки радикально изменит ситуацию и сделает неактуальными наши сегодняшние рассуждения.
обсуждение добычи He3 должно происходить в контексте наличия реакции D-Т. Потому, что если D-Т нет, то и He3 нам нахрен не сдался. А если D-Т есть, то и He3 нам достать будет с полпинка
И опять же, если будет D-Т, то на какое-то время этого хватит. Проще будет подождать появления D-Т двигателей и возить He3 хоть вагонами, чем вбухивать кучу денег и таскать его химическими ракетами. |
|
| IP |
|
|