Изотоп гелия 3 на луне. Гелий3 - мифическое топливо будущего
Из всех атомов гелия, которые существуют на Земле, 99,999862% атомов имеют массу, в 4 раза превышающую массу атома водорода. Это "гелий-4". Его атомные ядра – это альфа-частицы, которые образуются при радиоактивном распаде. А остальные 0,000138% атомов гелия тяжелее атома водорода лишь в 3 раза. Это и есть гелий-3.
Соотношение гелия-3 и гелия-4 в масштабах Вселенной существенно иное - там количество этих изотопов различается примерно на один порядок. В метеоритном веществе и в лунных породах содержание гелия-3 колеблется от 17 до 32% от всего количества гелия. Миллиарды лет назад на Земле соотношение гелия-4 и гелия-3 было такое же, как и во всей Вселенной. Однако за прошедшее в тех пор время гелий, образовавшийся при первичном нуклеосинтезе, полностью улетучился из земной атмосферы. И весь гелий, который сегодня есть на Земле, образовался в результате радиоактивного распада. То есть на Земле существует практически только гелий-4. А гелий-3 образуется только на Солнце в результате происходящих там термоядерных реакций (в основном на Солнце образуется гелий-4, но и гелия-3 там образуется тоже немало). С Солнца эти элементы разлетаются в пространство в виде так называемого "солнечного ветра" (особый вид космических лучей). На Землю и другие планеты "солнечный ветер" не попадает: мешает атмосфера и магнитное поле. А вот, скажем, на Луну, лишенную атмосферы, частицы "солнечного ветра" попадают и "застревают" в поверхностном слое грунта.
До некоторых пор эти факты представляли чисто теоретический интерес. В практической плоскости о гелии-3 заговорили, когда стало ясно, что нефть закончится в ближайшие десятилетия. Угля и газа хватит чуть подольше, но тоже не надолго. Очевидно, что единственный способ решения энергетической проблемы – это использование энергии атомного ядра. Однако и запасы урана тоже не бесконечны… Поэтому уже полвека неизменно популярна идея использования термоядерного синтеза.
В термоядерных реакциях, происходящих на Солнце, четыре атома легкого изотопа водорода соединяются в один атом гелия с выделением энергии. Однако для термоядерных реакций, производимых на Земле, легкий изотоп водорода (составляющий 99,985% всего водорода) не подойдет, потому что у реакции слияния легких изотопов водорода чрезвычайно малое сечение (вероятность реакции). Именно это низкое сечение реакции обеспечивает устойчивость Солнца – иначе на нем шла бы не устойчивая термоядерная реакция, а термоядерный взрыв.
Для термоядерных реакций, производимых на Земле, нужен "тяжелый водород" - дейтерий. Из водорода, который существует на Земле (в основном в виде воды) дейтерий составляет 0,015%. Добывать его можно электролизом обычной воды, в которой дейтерий составляет 0,0017% по массе. Однако, кроме дейтерия, для термоядерной реакции нужен второй компонент, атом которого должен быть в 3 раза тяжелее водорода. Это может быть либо "сверхтяжелый водород", который называется тритий, либо тот самый гелий-3. Тритий на Земле не существует, кроме того, он очень сильно радиоактивен и неустойчив. Для водородных бомб и экспериментальных установок тритий годится, а для "промышленных" реакторов – нет (в водородных бомбах тритий образуется при облучении лития нейтронами в результате реакции: 6 Li + n -> 3 H + 4 He). Термоядерная реакция, происходящая с участием трития, описывается следующим уравнением: 2 H + 3 H -> 4 He + n + 17,6 МэВ. Именно такая реакция рассматривается как основная в планируемых проектах, в частности, в создаваемом международном проекте ИТЭР.
Однако недостатком такой реакции является, во-первых, необходимость для нее сильно радиоактивного трития, а, во-вторых, то, что в ходе такой реакции возникает сильное нейтронное излучение. Поэтому в последнее время создаются проекты «безнейтронной» термоядерной реакции, топливом для которой служит гелий-3 – легкий изотоп гелия. Уравнения «безнейтронных» реакций таковы:
3 He + 3 He -> 4 He + 2p + 12,8 МэВ,
3 He + D -> 4 He + p + 8,35 МэВ.
Преимущество реакций на гелии-3 по сравнению с дейтериево-тритиевой реакцией в том, что, во-первых, для нее не требуется радиоактивных изотопов в качестве топлива, а, во-вторых, получаемая энергия уносится не с нейтронами, а с протонами, из которых извлечь энергию будет легче.
Единственная проблема – практическое отсутствие гелия-3 на Земле. Но, как сказано выше, гелий-3 есть в лунном грунте. Поэтому для того, чтобы иметь источники энергии после того, как подойдет к концу ископаемые виды топлива, космические агентства разных стран разрабатывают планы строительства базы на Луне, которая будет перерабатывать лунный грунт (который называется реголит), добывать из него гелий-3 и в сжиженном виде доставлять его на термоядерные электростанции на Земле. Одной тонны гелия-3 хватит, чтобы обеспечить энергетические потребности всего человечества на несколько лет, что окупит все затраты на создание лунной базы. Буш уже поставил задачу: создать американскую лунную базу в 2015-2020 годах.
А что же сегодня предпринимается в России? Приведем подборку сообщений информационных агентств
"Россия может возобновить лунную программу в течение нескольких лет
15 января 2004 г.
В России обсуждается вопрос о возобновлении программ исследования Луны и Марса, заявил ИТАР-ТАСС первый заместитель главы Росавиакосмоса Николай Моисеев. "До конца года будет разработана Федеральная космическая программа до 2015 года, в которую, возможно, войдут и эти проекты", - сказал он. По словам Моисеева, "со стороны ученых поступает много инициатив по организации экспедиций на Луну и Марс, однако пока неизвестно, какая из них будет включена в федеральную программу".
Лунную программу Россия может реанимировать в течение нескольких лет, считает первый заместитель генерального директора Научно-производственного объединения им.Лавочкина Роальд Кремнев.
"После свертывания советской программы исследования спутника Земли в конце 70-х годов прошлого века мы более трех десятилетий поддерживаем научно-технические разработки по этой тематике на современном уровне", - утверждает Кремнев. По его словам, в настоящее время на предприятии, где был создан легендарный "Луноход", "есть серьезный задел по лунным автоматам". Создание и запуск такого аппарата, по оценке Кремнева, обойдется в 600 млн рублей.
Лунные источники энергии могут спасти Землю от глобального энергетического кризиса, считает член бюро Совета по космосу РАН, академик Эрик Галимов. Добытый на Луне и доставленный на Землю тритий может быть использован для термоядерного синтеза, утверждает ученый.
Источник: NEWSru.com
Российский ученый предлагает бульдозерами сгребать с Луны чудо-топливо
23 января 2004 г.
Академик Российской академии наук, член бюро Совета по космосу РАН Эрик Галимов считает, что нужно немедленно начать подготовку к добыче лунного топлива, сообщает ИТАР-ТАСС. Добычу гелия-3 на Луне и вывоз его оттуда космическими кораблями, по его мнению, можно будет начать через 30-40 лет.
"Чтобы обеспечить на год все человечество энергией, необходимо лишь два-три полета космических кораблей грузоподъемностью в 10 тонн, которые доставят гелий-3 с Луны... Затраты на межпланетную доставку будут в десятки раз меньше, чем стоимость вырабатываемой сейчас электроэнергии на атомных электростанциях", - сказал Галимов.
По подсчетам ученого, доставка вещества может начаться уже через 30-40 лет, но начинать работы в этой области нужно уже сейчас. По его словам, на разработку проекта "потребуется всего 25-30 миллионов долларов". Собирать гелий-3 с лунной поверхности ученый предлагает специальными бульдозерами.
Источник: Lenta.Ru
На прошлой неделе в своей речи, посвященной новой космической программе США, президент Буш объявил, что на Луне нужно создать постоянную базу, которая станет первым шагом на пути к дальнейшему освоению космоса человеком. Он также сказал, что лунный грунт можно перерабатывать для получения ракетного топлива и пригодного для дыхания воздуха.
Буш привел в качестве примера два способа переработки лунного грунта, но, вообще-то, список лунных полезных ископаемых довольно длинный... Имеющийся в лунном грунте кремний можно использовать для изготовления солнечных панелей, железо - для разных металлических конструкций, алюминий, титан и магний - для создания корабля, который отправится в космос подальше от Земли.
Ну и, конечно же, на Луне собираются добывать изотоп гелий-3, который очень редок на Земле, а производство его в земных условиях очень дорого.
(по материалам SiliconValley.com)
В марте 2003 г. руководство китайской космической программы официально объявило о начале работ по отправке исследовательского зонда к Луне. Недавно научный руководитель этого проекта академик китайской АН Оуянг Зиюань объявил о том, что уже на этом первом этапе исследования Луны Китай рассчитывает сделать большой вклад в науку и в развитие космических технологий. Так что китайский лунный проект обещает быстро окупить себя.
В ходе первого этапа китайской программы исследования Луны планируется, помимо прочего, измерить толщину лунного грунта, оценить возраст поверхности и определить количество имеющегося там гелия-3 (очень редко встречающегося на Земле изотопа гелия, который можно использовать в качестве топлива для термоядерного реактора)
(по материалам SpaceDaily)
Интересные рассуждения о космических программах, нужных для получения запасов гелия-3, даны в статье кандидата технических наук, члена-корреспондента Академии космонавтики им. К. Э. Циолковского Юрия Еськова «За чистым топливом – на Уран, опубликованной в "Российской газете", 11 апреля 2002 года. Автор пишет, что еще эффективнее, чем на Луне, искать гелий-3 в атмосферах дальних планет гигантов, например, Урана, где гелий-3 составляет 1:3000 (что в тысячу раз больше, чем в лунном грунте). По предложению автора, «Добыча гелия-3 и доставка его к Земле должна вестись беспилотными одноразовыми космическими аппаратами (“танкерами”), электроядерный двигатель которых с мощностью 100 000 кВт работает в течение всего двустороннего полета. За 10 лет аппарат преодолеет трудно вообразимую дистанцию в 6 млрд. км. Заметим, что двигатель, способный преодолеть такое гигантское расстояние за приемлемое время (10 лет), может работать только на ядерной энергии, используя то же топливо, что и нынешние АЭС (в принципе можно лететь и на солнечных батареях, но тогда аппарат будет весить сотни тысяч тонн); более того, означенный двигатель является экологически очень “грязным”. Фокус, однако, в том, что запускается он с высокой околоземной орбиты и вся жизнь его проходит в космосе, так что никаких экологических проблем для населения Земли он не создает.
Система бесперебойного снабжения наземных ТЯЭС с суммарной мощностью 3 млрд. кВт будет состоять из периодически (четырежды в год) запускаемых с околоземной орбиты “танкеров”. Запаса топлива аппарату хватит лишь в один конец: до цели он долетит с пустыми баками. Долетев до Урана и выйдя на орбиту, находящуюся в пределах атмосферы планеты, “танкер” начнет работать в режиме завода по разделению окружающей его атмосферы на компоненты: из сжиженного газа выделит товарный гелий-3 и водород, который используется как топливо для обратного полета; большая часть водорода и весь обычный гелий сбросятся за борт. Таким образом, обратная заправка (без которой задача возвращения нереализуема) оказывается фактически даровой. В результате полета на околоземную орбиту будет доставлено 70 тонн жидкого гелия-3; в каждый момент времени на трассе Земля – Уран будет находиться около 40 “танкеров”.
Возникает естественный вопрос: в какой степени существующие на сегодня технологии могут обеспечить функционирование такой системы? Ответ: большая часть этих элементов имеется, как говорят, “в железе”, остальные – на уровне далеко продвинутых проектно-конструкторских разработок, частично доведенных до опытной стадии. Главная проблема тут – бортовая энергоустановка. К нынешнему моменту накоплен огромный положительный опыт создания и эксплуатации реакторов наземных АЭС с мощностью 4 млн. кВт при ресурсе до 30 лет; мощности реакторов атомных подводных лодок достигают 100 000 кВт при ресурсе в десятки лет, есть и отечественный опыт создания и эксплуатации уникальных малоразмерных ядерных установок для космических аппаратов с мощностями до 100 кВт; высокотемпературные реакторы для космических ядерных двигателей прошли испытания и в США, и в СССР. Что касается размеров запускаемого беспилотного аппарата (450 тонн, в том числе 200 тонн топлива), то он по порядку величины соответствует массе МКС (а в окончательном проекте масса МКС планируется еще большей); суммарный же годовой грузопоток на орбиту (1900 тонн) меньше, чем планируемый для стандартных программ (космическая связь, телевещание и т.п.). Подавляющее большинство элементов такого орбитального гелиево-водородного завода существует уже сегодня и благополучно действует в криогенной промышленности». Автор говорит, что даже при сегодняшнем уровне развития техники такой проект был бы вполне экономически рентабельным: «Отпускная цена электроэнергии в мире составляет от 5 до 10 центов за кВт. ч. Из простейшей арифметики видно, что доставка с Урана гелия-3 будет оставаться рентабельной даже при цене 1 тонны в 10 млрд. долларов. Цена же выведения на орбиту одного подобного завода составляет 10 млн. долларов за тонну (кстати, такова сегодняшняя цена золота), а в ближайшей перспективе многоразовые носители снизят эту цену до 1 млн. долларов за тонну выводимого груза.».
Стали уже привычными слова, что наукоемкие отрасли (ядерная, космическая и др.) являются локомотивом экономики. Случай с гелием-3 - тот самый случай. Этот способ, который позволит решить энергетическую проблему на достаточно длительное время, в случае, если найдутся возможности изыскать средства для его реализации, сможет стать шансом на прогресс российских наукоемких отраслей: как космонавтики (что является предметом для отдельного разговора), так и термоядерной техники.
В настоящий момент есть два магистральных направления в термоядерном синтезе: токамаки и лазерный синтез. Первый из этих вариантов сейчас реализуется в проекте международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР. Этот реактор конструируется по схеме «токамак» (что означает сокращение от фразы «ТОроидальная КАмера с МАгнитными Катушками»). Принцип действия токамака таков: в плазменном сгустке создавается электрический ток, и при этом, как у всякого тока, у него появляется собственное магнитное поле - сгусток плазмы как бы сам становится магнитом. И тогда с помощью внешнего магнитного поля определенной конфигурации подвешивали плазменное облако в центре камеры, не позволяя ему соприкасаться со стенками. В газе всегда есть свободные ионы и электроны, которые начинают двигаться в камере по кругу. Этот ток нагревает газ, количество ионизированных атомов растет, одновременно увеличивается сила тока и повышается температура плазмы. А значит, количество водородных ядер, слившихся в ядро гелия и выделивших энергию, становится все больше. Однако эксперименты, начатые почти пятьдесят лет назад в московском Институте атомной энергии, показали, что плазма, подвешенная в магнитном поле, оказалась неустойчивой – сгусток плазмы очень быстро «распадался» и вываливался на стенки камеры. Оказалось, что к неустойчивости приводит комбинация целого ряда сложных физических процессов. Кроме того, оказалось, что время устойчивого удержания плазмы возрастает с увеличением размеров установки. Крупнейшая отечественная машина ТОКАМАК-15 уже имеет тороидальную вакуумную камеру с внешним диаметром "бублика" более пяти метров. Крупные исследовательские токамаки были построены в России, Японии, США, Франции, Англии. А несколько лет назад специалисты пришли к выводу, что оставшиеся нерешенные проблемы нужно исследовать на установке, максимально приближенной к реальному энергетическому термоядерному реактору. Это понимание и привело к работам по созданию ИТэРа. От всех других установок и методов этот вариант проведения управляемой термоядерной реакции отличается прежде всего тем, что он в основном уже вышел из сферы сомнений и поисков. Благодаря накопленной за пятьдесят лет исследований обширной базе физических и инженерно-технических данных он вплотную подошел к стадии экспериментального реактора. Это, видимо, и вдохновило международное сообщество на создание ИТЭРа – ученые решили, что даже богатой стране нет никакого смысла делать термоядерный реактор в одиночку - результатом будут знания и опыт, которые все равно станут общим достоянием и в национальную экономику сразу ничего не внесут. В то же время, объединив усилия, можно резко ускорить продвижение к своему работающему термояду и снизить собственные затраты. Поэтому в 1992 году было подписано соглашение о совместном техническом конструировании реактора ИТЭР под эгидой МАГАТЭ. А его концептуальное проектирование по инициативе нашей страны началось на четыре года раньше. В команду проектировщиков ИТЭРа вошли специалисты Европейского союза, России, США и Японии.
Другое направление на пути к управляемой термоядерной реакции – это лазерный термоядерный синтез (ЛТС). Он заключается в том, что мишень из "сырья" для термоядерной реакции облучается со всех сторон лазерными лучами, и таким образом там создаются условия, достаточные для осуществления термоядерной реакции. Сложность в том, как это осуществить технически. Моя диссертационная работа состоит в проведении компьютерного моделирования явления оптического резонанса в сферичеких мишенях при лазерном облучении. Расчеты показывают, что при определенных условиях в оптической мишени происходит концентрация энергии, при которой могут возникнуть условия, необходимые для термоядерной реакции.
То государство, которое освоит технологии термоядерного синтеза эту технологию раньше других, получит огромные преимущества перед другими. Для того, чтобы Россия не осталась на задворках цивилизации и приняла участие в разработке этих проектов, нужна политическая воля руководства государства, примерно как это было с советскими ядерным и космическим проектами в середине ХХ века.
Гелий 3 - энергия будущего
Все мы знаем, что нефть у нас не бесконечная, а исследования доказали еще ее органическое происхождение – это значит нефть относится к невозобновляемым ресурсам. Нефть - горючая маслянистая жидкость, являющаяся смесью углеводородов, красно-коричневого, иногда почти чёрного цвета, хотя иногда встречается и слабо окрашенная в жёлто-зелёный цвет и даже бесцветная нефть, имеет специфический запах, распространена в осадочной оболочке Земли; одно из наиважнейших полезных ископаемых. Нефть представляет собой смесь около 1000 индивидуальных веществ, из которых большая часть - жидкие углеводороды. Нефть занимает ведущее место в мировом топливно-энергетическом балансе: доля ее в общем потреблении энергоресурсов составляет 48 %.Именно поэтому нефть как источник энергии, так важна для человечества.
На текущий момент основными источниками энергии являются: ТЭЦ, ТЭС, АЭС.
На графике четко видно что лидирующем положением может похвастаться только ТЭЦ, которые в качестве топлива используют невозобновляемые ресурсы такие как: нефть (все виды топлива получаемые из нефти), уголь, газ.
На долю ГЭС приходится лишь 20%, при этом даже если в мире начнуть использовать максимальное количество рек под ГЭС, суммарная выделяемая энергия всеми гидроэлектростанциями не способна будет удовлетворить потребности человества.
Атомные электростанции занимают лишь 17% мирового энергопроизводства, использование реакции деления атома влечет за собой серьезные последствия в виде радиации.
Сейчас активно в качестве альтернативных сырьевых ресурсов используются газ, уголь, торф, энергия деления атома (атомная энергетика).Но мы прекрасно понимаем что они не способны заменить полностью нефть как сырья для получения энергии. Да и запасы того же природного газа не бесконечны, используя данные альтернативные сырьевые ресурсы мы лишь отсрочим энергетический кризис.
Ученые прекрасно осознают наступающую на пятки проблему, и создают и изучают альтернативные источники энергии. На текущий момент ученые работают над проектами подразумевающие использование:
Биогаза
Биодизельного топливо
Биоэтанола
Ветроэнергетики
Водородная энергетики
Геотермальная энергии
Солнечных элементов
Атомной энергетики
Термоядерная энергетика (на основе использования Гелия 3)
Основная часть
Итак, рассмотрим каждую альтернативу в отдельности.
2.1.Биогаз
Биометан – газ, полученный при брожении органических отходов (биогаз). Наиболее целесообразной сферой применения биогаза является отопление животноводческих ферм, жилых помещений и технологических участков. Также биогаз можно использовать в качестве моторного топлива. Излишки полученного топлива можно перерабатывать в электроэнергию с помощью дизельных генераторов.
Биометан имеет низкую объемную концентрацию энергии. При нормальных условиях теплота сгорания 1 л. биометана составляет 33 - 36 кДж.
Биометан имеет высокую детонационную стойкость, что позволяет снижать концентрацию вредных веществ в отработанных газах и уменьшать количество отложений в двигателе.
Биометан как моторное топливо должен применяться в транспортных двигателях либо в сжатом, либо в сжиженном состоянии. Однако основным сдерживающим фактором широко применения сжатого биометана в качестве моторного топлива, как и в случае со сжатым природным газом, является транспортировка значительной массы топливных баллонов.
За рубежом проблеме получения и использования биогаза уделяют большое внимание. За короткий срок во многих странах мира возникла целая индустрия по производству биогаза: если в 1980 г. в мире насчитывалось около 8 млн. установок для получения биогаза суммарной мощностью 1,7-2 млрд. куб. м в год, то в настоящее время данные показатели соответствуют производительности по биогазу только одной страны - Китая.
К примуществам биогаза можно отнести:
Получение энергии без дополнительной эмиссии CO 2 .
Закрытые системы не пропускают или незначительно пропускают запахи.
Улучшение торговой ситуации и снижение зависимости от импортёров энергии.
Электричество на биогазе можно вырабатывать 24 часа в сутки.
Отсутствие зависимости от ветра/воды/электричества.
Улучшение удобряемости почвы.
2.2 Биодизельное топливо
Биодизель - топливо на основе растительных или животных жиров (масел), а также продуктов их этерификации. Применяется на автотранспорте в виде различных смесей с дизельным топливом.
Экологические аспекты применения:
Биодизель, как показали опыты, при попадании в воду не причиняет вреда растениям и животным. Кроме того, он подвергается практически полному биологическому распаду: в почве или в воде микроорганизмы за 28 дней перерабатывают 99% биодизеля, что позволяет говорить о минимизации загрязнения рек и озёр.
К преимуществам биодизеля можно отнести:
увеличение цетанового числа и смазывающей способности, что продлевает жизнь двигателя;
значительное снижение вредных выбросов (включая СО, СО2, SO2, мелкие частицы и летучие органические соединения);
способствование очистке инжекторов, топливных насосов и каналов подачи горючего.
Недостатки
В холодное время года необходимо подогревать топливо идущее из топливного бака в топливный насос или применять смеси 20% БИОДИЗЕЛЯ 80% солярки.
2.3.Биоэтанол
Биоэтанол – это жидкое спиртовое топливо, пары которого тяжелее воздуха. Он вырабатывается из сельскохозяйственной продукции, содержащей крахмал или сахар, например, из кукурузы, зерновых или сахарного тростника. В отличие от спирта, из которого производятся алкогольные напитки, топливный этанол не содержит воды и производится укороченной дистилляцией (две ректификационные колонны вместо пяти) поэтому содержит метанол и сивушные масла, а также бензин, что делает его непригодным для питья.
Топливный биоэтанол производится почти так же, как и обычный пищевой спирт для производства алкогольных напитков, но есть несколько существенных отличий.
Этанол можно производить из любого сахаро- и крахмало-содержащего сырья: сахарного тростника и свеклы, картофеля, топинамбура, кукурузы, пшеницы, ячменя, ржи и тд.
К примуществам биоэтанола можно отнести:
Этанол имеет высокое октановое число
Биоэтанол разлагаем и не загрязняет природные
водные системы
10% этанола в бензине снижает токсичность выхлопа
снизить выбросы СО на 26%, выбросы оксидов азота
на 5%, аэрозольных частиц на 40%.
Этанол является единственным возобновляемым
жидким топливом, использование которого в
качестве добавки к бензину не требует изменение
конструкции двигателей
Особо ярко выраженных недостатков не имеет.
2.4. Ветроэнергетика
Ветроэнергетика является нерегулируемым источником энергии. Выработка ветроэлектростанции зависит от силы ветра, фактора, отличающегося большим непостоянством. Соответственно, выдача электроэнергии с ветрогененератора в энергосистему отличается большой неравномерностью как в суточном, так и в недельном, месячном, годовом и многолетнем разрезе. Учитывая, что энергосистема сама имеет неоднородности энергонагрузки (пики и провалы энергопотребления), регулировать которые ветроэнергетика, естественно, не может, введение значительной доли ветроэнергетики в энергосистему способствует ее дестабилизации. Понятно, что ветроэнергетика требует резерва мощности в энергосистеме (например, в виде газотурбинных электростанций), а также механизмов сглаживания неоднородности их выработки (в виде ГЭС или ГАЭС). Данная особенность ветроэнергетики существенно удорожает получаемую от них электроэнергию. Энергосистемы с большой неохотой подключают ветрогенераторы к энергосетям, что привело к появлению законодательных актов, обязующих их это делать.
Небольшие единичные ветроустановки могут иметь проблемы с сетевой инфраструктурой, поскольку стоимость линии электропередач и распределительного устройства для подключения к энергосистеме могут оказаться слишком большими.
Крупные ветроустановки испытывают значительные проблемы с ремонтом, поскольку замена крупной детали (лопасти, ротора и т.п.) на высоте более 100 м является сложным и дорогостоящим мероприятием.
Преимущества:
Экологически чисто.
Безопасно для человека (нет радиации, отходов).
Основные недостатки:
Низкая плотность энергии, приходящейся на единицy площади ветрового колеса; непредсказуемые изменения скорости ветра в течение суток и сезона, требующие резервирования ветровой станции или аккумулирования произведенной энергии; отрицательное влияние на среду обитания человека и животных, на телевизионную связь и пути сезонной миграции птиц.
2.5. Водородная энергетика
Водородная энергетика - направление выработки и потребления энергии человечеством, основанное на использования водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки и потребления энергии людьми, транспортной инфраструктурой и различными производственными направлениями. Водород выбран как наиболее распространенный элемент на поверхности земли и в космосе, теплота сгорания водорода наиболее высока, а продуктом сгорания в кислороде является вода (которая вновь вводится в кругооборот водородной энергетики). Существует несколько способов производства водорода:
Из природного газа
Газификация угля:
Электролиз воды (*обратная реакция)
Водород из биомассы
Преимущества:
экологическая чистота водородного топлива.
возобновляемость.
чрезвычайно высокий КПД - 75%, что почти в 2,5 раза выше, чем у самых современных установок, работающих на нефти и газе.
Есть у водорода и более серьезные недостатки. Во-первых, в свободном газообразном состоянии он в природе не существует, то есть его нужно добывать. Во-вторых, водород, как газ, довольно опасен. Его смесь с воздухом сначала незримо "горит", то есть выделяет тепло, а потом легко детонирует от малейшей искры. Классический пример водородного взрыва - чернобыльская авария, когда в результате перегрева циркония и попадания на него воды образовался водород, который потом и сдетонировал. В-третьих, водород нужно где-то хранить, причем в больших емкостях, поскольку он имеет низкую плотность. А сжимать его можно только под очень высоким давлением, приблизительно в 300 атмосфер.
2.6. Геотермальная энергия
Извержение вулканов наглядно свидетельствует об огромном жаре внутри планеты. Ученые оценивают температуру ядра Земли в тысячи градусов Цельсия. Эта температура постепенно снижается от горячего внутреннего ядра, где, как полагают учёные, металлы и породы могут существовать только в расплавленном состоянии, до поверхности Земли. Геотермальная энергия может
быть использована двумя основными способами - для выработки электроэнергии и для обогрева домов, учреждений и промышленных предприятий. Для какой из этих целей она будет использоваться, зависит от формы, в которой она поступает в наше распоряжение. Иногда вода вырывается из-под земли в виде чистого “сухого пара”, т.е. пара без примеси водяных капелек. Этот сухой пар может быть непосредственно использован для вращения турбины и выработки электроэнергии. Конденсационную воду можно возвращать в землю и при ее достаточно хорошем качестве - сбрасывать в ближний водоем.
Преобразование термальной энергии океана.
Идея использования разности температур океанских вод для производства электроэнергии возникла около 100 лет назад, а именно в 1981 году. Французский физик Жак Д, Арсонваль опубликовал работу о солнечной энергии морей. В то время было уже известно многое о способности океана принимать и аккумулировать тепловую энергию. Был известен и механизм рождения океанских течений и основные закономерности образования температурных перепадов между поверхностными и глубинными слоями воды.
Использование перепада температур возможно по трём основным направлениям: непосредственное преобразование на основе термоэлементов, преобразование теплоты в механическую энергию в тепловых машинах и превращение в механическую энергию в гидромашинах с использованием разности плотностей тёплой и холодной воды.
Преимущества:
они практически не нуждаются в техническом обслуживании.
Одно из преимуществ геотермальной электростанции состоит в том, что по сравнению с электростанцией, сжигающей органическое топливо, она выделяет примерно в двадцать раз меньше углекислого газа при производстве такого же объёма электричества, что снижает её влияние на глобальную окружающую среду.
Главным достоинством геотермальной энергии является ее практическая неиссякаемость и полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года.
Какие проблемы возникают при использовании подземных термальных вод? Главная из них заключается в необходимости обратной закачки отработанной воды в подземный водоносный горизонт. В термальных водах содержится большое количество солей различных токсичных металлов (например, бора, свинца, цинка, кадмия, мышьяка) и химических соединений (аммиака, фенолов), что исключает сброс этих вод в природные водные системы, расположенные на поверхности.
2.7. Солнечные элементы
Принципы работы солнечных элементов:
Солнечные 
элементы (СЭ) изготавливаются из материалов, которые напрямую преобразуют солнечный свет в электричество. Большая часть из коммерчески выпускаемых в настоящее время СЭ изготавливается из кремния.
В последние годы разработаны новые типы материалов для СЭ. Например, тонкопленочные СЭ из медь-индий-диселенида и из CdTe (теллурид кадмия). Эти СЭ в последнее время также коммерчески используются.
Преимущества:
Энергия солнца почти бесконечна
Экологически чисто
Безопасно для человека и природы
Недостатки: Солнечная электростанция не работает ночью и недостаточно эффективно работает в утренних и вечерних сумерках. При этом пик электропотребления приходится именно на вечерние часы. Кроме того, мощность электростанции может резко и неожиданно колебаться из-за смены погоды. Из-за относительно небольшой величины солнечной постоянной для солнечной энергетики требуется использование больших площадей земли под электростанции (например, для электростанции мощностью 1 ГВт это может быть несколько десятков квадратных километров). Несмотря на экологическую чистоту получаемой энергии, сами фотоэлементы содержат ядовитые вещества, например, свинец, кадмий, галлий, мышьяк и т. д., а их производство потребляет массу других опасных веществ. Современные фотоэлементы имеют ограниченный срок службы (30-50 лет), и массовое применение поставит в ближайшее же время сложный вопрос их утилизации, который тоже не имеет пока приемлемого с экологической точки зрения решения.
2.8.Атомная энергетика
Ядерная энергия (атомная энергия), внутренняя энергия атомных ядер, выделяющаяся при ядерных превращениях (ядерных реакциях). Использование ядерной энергии основано на осуществлении цепных реакций деления тяжелых ядер и реакций термоядерного синтеза - слияния легких ядер; и те, и другие реакции сопровождаются выделением энергии.К примеру при делении одного ядра выделяется около 200 МэВ. При полном же делении ядер, находящихся в 1 г урана, выделяется энергия 2,3*104 кВтч. Это эквивалентно энергии, получаемой при сгорании 3 т угля или 2,5 т нефти. Управляемая реакция деления ядер используется в ядерных реакторах.
Преимущества:
низкие и устойчивые (по отношению к стоимости топлива) цены на электроэнергию;
среднее воздействие на экологическую среду.
Недостатки атомных станций:
Облучённое топливо опасно, требует сложных и дорогих мер по переработке и хранению;
Нежелателен режим работы с переменной мощностью для реакторов, работающих на тепловых нейтронах;
При низкой вероятности инцидентов, последствия их крайне тяжелы
Большие капитальные вложения, как удельные, на 1 МВт установленной мощности для блоков мощностью менее 700-800 МВт, так и общие, необходимые для постройки станции, её инфраструктуры, а также в случае возможной ликвидации.
Все выше перечисленные альтернативы нефти имеют один, но очень существенный недостаток, они НЕ способны ПОЛНОСТЬЮ заменить нефть как источник энергии. Лишь применением термоядерной энергии может помочь в данной ситуации.
2.9.Термоядерная энергетика
Термоядерная энергия с участием гелия 3 – это безопасная и качественная энергия.
Термоядерные реакции. Выделение энергии при слиянии ядер легких атомов дейтерия, трития или лития с образованием гелия происходит в ходе термоядерных реакций. Эти реакции называются термоядерными, так как могут протекать лишь при очень высоких температурах. В противном случае, силы электрического отталкивания не позволяют ядрам сблизиться настолько, чтобы начали действовать ядерные силы притяжения. Реакции ядерного синтеза являются источником звездной энергии. Эти же реакции протекают при взрыве водородной бомбы. Осуществление управляемого термоядерного синтеза на Земле сулит человечеству новый, практически неисчерпаемый источник энергии. Наиболее перспективна в этом отношении реакция слияния дейтерия и трития.
Если использовать в термоядерном реакторе дейтерия с изотопом гелия-3 вместо применяемых материалов в ядерной энергетике. Интенсивность нейтронного потока падает в 30 раз - соответственно, можно без труда обеспечить срок службы реактора в 30-40 лет (соответственно уменьшается количество выделяемой радиации). После окончания эксплуатации гелиевого реактора высокоактивные отходы не образуются, а радиоактивность элементов конструкции будет так мала, что их можно захоронить буквально на городской свалке, слегка присыпав землей.
Так в чем же проблема? Почему мы до сих пор не используем такое выгодное термоядерное топливо?
Прежде всего, потому, что на нашей планете этого изотопа чрезвычайно мало. Рождается он на Солнце, отчего иногда называется «солнечным изотопом». Его общая масса там превышает вес нашей планеты. В окружающее пространство гелий-3 разносится солнечным ветром. Магнитное поле Земли отклоняет значительную часть этого ветра, а потому гелий-3 составляет лишь одну триллионную часть земной атмосферы - примерно 4000 т. На самой Земле его еще меньше - около 500 кг.
На Луне этого изотопа значительно больше. Там он вкрапляется в лунный грунт «реголит», по составу напоминающий обычный шлак. Речь идет об огромных - практически неисчерпаемых запасах!
Анализ шести образцов грунта, привезенных экспедициями «Аполлон», и двух образцов, доставленных советскими автоматическими станциями «Луна», показал, что в реголите, покрывающем все моря и плоскогорья Луны, содержится до 106 т гелия-3, что обеспечило бы потребности земной энергетики, даже увеличенной по сравнению с современной в несколько раз, на тысячелетие! По современным прикидкам, запасы гелия-3 на Луне на три порядка больше - 109 т.
Кроме Луны, гелий-3 можно найти в плотных атмосферах планет-гигантов, и, по теоретическим оценкам, запасы его только на Юпитере составляют 1020 т, чего хватило бы для энергетики Земли до скончания времен.
Проекты добычи гелия-3
Реголит покрывает Луну слоем толщиной в несколько метров. Реголит лунных морей богаче гелием, чем реголит плоскогорий. 1 кг гелия-3 содержится приблизительно в 100 000 т реголита.
Следовательно, для того, чтобы добыть драгоценный изотоп, необходимо переработать огромное количество рассыпчатого лунного грунта.
С учетом всех особенностей технология добычи гелия-3 должна включать следующие процессы:
1. Добыча реголита.
Специальные «комбайны» будут собирать реголит с поверхностного слоя толщиною около 2 м и доставлять его на пункты переработки или перерабатывать непосредственно в процессе добычи.
2. Выделение гелия из реголита.
При нагреве реголита до 600?С выделяется (десорбируется) 75% содержащегося в реголите гелия, при нагреве до 800?С - почти весь гелий. Нагрев пыли предлагается вести в специальных печах, фокусируя солнечный свет либо пластмассовыми линзами, либо зеркалами.
3. Доставка на Землю космическими кораблями многоразового использования.
При добыче гелия-3 из реголита извлекаются также многочисленные вещества: водород, вода, азот, углекислый газ, азот, метан, угарный газ, - которые могут быть полезны для поддержания лунного промышленного комплекса.
Проект первого лунного комбайна, предназначенного для переработки реголита и выделения из него изотопа гелия-3, был предложен еще группой Дж.Кульчински. В настоящее время частные американские компании разрабатывают несколько прототипов, которые, видимо, будут представлены на конкурс после того, как НАСА определится с чертами будущей экспедиции на Луну.
Понятно, что, кроме доставки комбайнов на Луну, там придется возвести хранилища, обитаемую базу (для обслуживания всего комплекса оборудования), космодром и многое другое. Считается, тем не менее, что высокие затраты на создание развитой инфраструктуры на Луне окупятся сторицей в плане того, что грядет глобальный энергетический кризис, когда от традиционных видов энергоносителей (уголь, нефть, природный газ) придется отказаться.
Если учесть, что нефть кончится через 35-40 лет, то у нас достаточно времени, чтобы реализовать подобный проект. И именно та страна, которая сможет его реализовать, в будущем будет лидером, а если объединить усилия можно добиться большего результата и в более быстрые сроки.
И так, почему термоядерная энергия? Потому что это:
Крупномасштабный источник энергии с избыточным и доступным всюду топливом.
Очень низкое глобальное воздействие на окружающую среду – Нет эмиссии СО2.
- "Повседневное действие" электростанции не требует транспортировки радиоактивных материалов.
Электростанция безопасна, без возможности “расплавления” или “неуправляемой реакции”.
Нет радиоактивных отходов, что не создает проблему для будущих поколений.
Это Выгодно: Для производства 1 Гвт энергии требуется приблизительно 100 кг дейтерия и 3 тонны природного лития, чтобы использовать в течение целого года, производя приблизительно 7 миллиардов Квт час
3.Заключение
И так, энергия – это важный ресурс необходимый для комфортного существования человечества. А добыча энергии – одна из главных проблем человечества. Сейчас активно используется нефть –как источник электрической и топливной энергии.Но она не бесконечна, и запасы ее с каждым годом только уменьшаются. А текущие разработанные альтернативы – не позволяют полностью заменить нефть или же обладают серьезными недостатками.
Единственным на сегодняшний день источником энергии, способным давать необходимое количество энергии для всего человечества и при этом не иметь серьезные недостатков – является термоядерная энергия на основе использования гелия 3. Технология получения энергии из данной реакции трудоемка и требует больших вложений, но получаемая таким образом энергия – экологически чистая и исчисляется в миллиардах киловатт.
Если получать дешевую и экологически чистую энергию, можно максимально заменить нефть, к примеру отказаться от бензиновых двигателей в пользу электрических, производить тепло с использование электричества и пр.Тем самым нефти – как сырьевого ресурса для химического производства, хватит человечеству еще на долгие столетия.
Поэтому на луне (которая является основным источников гелия 3) необходимо создать промышленность. Чтобы создать промышленность, нужно иметь план развития, а это дело нескольких лет и чем раньше начать – тем лучше. Потому что, если придется делать это уже в безвыходной ситуации (во время энергетического криза – к примеру), срочно, это обернется совсем другими расходами.
А та страна, которая быстрее будет развиваться в этом направлении – в будущем станет лидером. Т.к за энергией – будущее.
4.Список использованной литературы
1. http://ru.wikipedia.org/ - всемирная энциклопедия
2. http://www.zlev.ru/61_59.htm - Журнал «Золотой Лев» № 61-62 - издание русской консервативной мысли, Когда кончится нефть?
3. http://www.vz.ru/society/2007/11/25/127214.html -ВЗГЛЯД / Когда кончится нефть
4. http://vz.ru/economy/2007/11/1/121681.html - ВЗГЛЯД / В мире кончается нефть
5. http://bio.fizteh.ru/departments/physchemplasm/topl_element.html ->Альтернатива нефти?. Факультет молекулярной и биологической физики МФТИ. "Физтех- Портал", "Физтех-центр"
6. http://encycl.accoona.ru/?id=74848 - ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ - Интернет-энциклопедия, толковый словарь.
7. http://www.vepr.ru/show.html?id=7 -Откуда берется электричество (история возникновения)
8. http://www.bioenergy.by/mejdu_1.htm -Энергия биомассы. Проект ПРООН/ГЭФ BYE/03/G31 в Беларуси
9. http://bibliotekar.ru/alterEnergy/37.htm - Достоинства и недостатки ветроэнергетики. Принципы преобразования ветровой энергии. Ветроэнергетика
10. http://www.smenergo.ru/hydrogen_enegry/ - Водородная энергетика. Энергия и энергетика.
11. http://works.tarefer.ru/89/100323/index.html Первичные источники питания и термоядерная энергия
12. http://tw.org.ua/board/index.php?showtopic=162 -Термоядерная энергия
13. http://www.helium3.ru/main.php?video=yes - Гелий -3, Helium-3
14. http://razrabotka.ucoz.ru/publ/4-1-0-16 - ГЕЛИЙ-ТРИ - ЭНЕРГИЯ БУДУЩЕГО - лунная программа - Каталог статей - Разработка
15. http://www.fp7-bio.ru/presentations/fisheries/bioetanol.pdf/at_download/file - энергия будущего
16. http://www.scienmet.net/ - Ветрогенератор, ветроэнергетика
17. http://oil-resources.info - топливные ресурсы
18.http://ru.wikipedia.org/wiki/Водородная_энергетика.
19.http://www.ruscourier.ru/archive/2593 -недостатки водорода
20. http://www.intersolar.ru/geothermal/pressa/rbsgeo.html - Энергия из глубин - www.intersolar.ru
21.http://web-japan.org/nipponia/nipponia28/ru/feature/feature09.html - НИППОНИЯ No.28 15 марта 2004г.
22. http://www.kti.ru/forum/img/usersf/pic_41.doc - альтернативные источники энергии
23. http://www.rosnpp.org.ru/aes_preimush.shtml - атомные электростанции
24. http://www.atomstroyexport.ru/nuclear_market/advantage/ - атомная энергия
25. http://solar-battery.narod.ru/termoyad.htm - термоядерная энергия в действии
26.http://business.km.ru/magazin/view.asp?id=7B07CB0288D54DC0AC68C60AF246D693 - Бизнес KM.RU. Будущее российской энергетики - за биотопливом и термоядерной энергией
Гелий - инертный газ 18-й группы периодической таблицы. Это второй самый легкий элемент после водорода. Гелий - газ без цвета, запаха и вкуса, который становится жидким при температуре -268.9 °C. Точки кипения и замерзания его ниже, чем у любого другого известного вещества. Это единственный элемент, который не затвердевает при охлаждении при нормальном атмосферном давлении. Чтобы гелий перешел в твердое состояние, необходимо 25 атмосфер при температуре 1 К.
История открытия
Гелий был найден в газовой атмосфере, окружающей Солнце, французским астрономом Пьером Жансеном, который в 1868 году во время затмения обнаружил яркую желтую линию в спектре солнечной хромосферы. Первоначально предполагалось, что эта линия представляла элемент натрий. В том же году английский астроном Джозеф Норман Локьер наблюдал желтую линию в солнечном спектре, которая не соответствовала известным линиям натрия D 1 и D 2 , и поэтому он назвал ее линией D 3 . Локьер пришел к выводу, что она была вызвана веществом на Солнце, неизвестном на Земле. Он и химик Эдуард Франкленд в названии элемента использовали греческое название Солнца «гелиос».
В 1895 году британский химик сэр Уильям Рамзай доказал существование гелия на Земле. Он получил образец ураноносного минерала клевеита, и после исследования газов, образовавшихся при его нагреве, он обнаружил, что ярко-желтая линия в спектре совпадает с линией D 3 , наблюдаемой в спектре Солнца. Таким образом, новый элемент был окончательно установлен. В 1903 году Рамзи и Фредерик Содду определили, что гелий является продуктом спонтанного распада радиоактивных веществ.
Распространение в природе
Масса гелия составляет около 23% всей массы Вселенной, и элемент является вторым по распространенности в космосе. Он сосредоточен в звездах, где образуется из водорода в результате термоядерного синтеза. Хотя в земной атмосфере гелий находится в концентрации 1 часть на 200 тыс. (5 промилле) и в небольших количествах содержится в радиоактивных минералах, метеоритном железе, а также в минеральных источниках, большие объемы элемента встречаются в Соединенных Штатах (особенно в Техасе, Нью-Мексико, Канзасе, Оклахоме, Аризоне и Юте) в качестве компонента (до 7,6%) природного газа. Небольшие его запасы были обнаружены в Австралии, Алжире, Польше, Катаре и России. В земной коре концентрация гелия равна лишь около 8 частей на миллиард.
Изотопы
Ядро каждого атома гелия содержит два протона, но, как и у других элементов, у него есть изотопы. Они содержат от одного до шести нейтронов, поэтому их массовые числа находятся в диапазоне от трех до восьми. Стабильными из них являются элементы, у которых масса гелия определяется атомными числами 3 (3 He) и 4 (4 He). Все остальные радиоактивны и очень быстро распадаются на другие вещества. Земной гелий не является изначальной составляющей планеты, он образовался в результате радиоактивного распада. Альфа-частицы, испускаемые ядрами тяжелых радиоактивных веществ, представляют собой ядра изотопа 4 He. Гелий не накапливается в больших количествах в атмосфере, потому что гравитации Земли недостаточно, чтобы предотвратить его постепенную утечку в космос. Следы 3 He на Земле объясняются отрицательным бета-распадом редкого элемента водорода-3 (трития). 4 He является наиболее распространенным из стабильных изотопов: соотношение числа атомов 4 He к 3 He составляет около 700 тыс. к 1 в атмосфере и около 7 млн к 1 в некоторых гелийсодержащих минералах.
Физические свойства гелия
Температура кипения и плавления у этого элемента самые низкие. По этой причине гелий существует в за исключением экстремальных условий. Газообразный He в воде растворяется меньше, чем какой-либо другой газ, а скорость диффузии через твердые тела в три раза больше, чем у воздуха. Его показатель преломления ближе всего приближается к 1.
Теплопроводность гелия уступает лишь теплопроводности водорода, а его удельная теплоемкость необычайно высокая. При обычных температурах при расширении он нагревается, а ниже 40 K - охлаждается. Поэтому при Т<40 K гелий можно превратить в жидкость путем расширения.
Элемент является диэлектриком, если не находится в ионизированном состоянии. Как и у других благородных газов, у гелия есть метастабильные энергетические уровни, которые позволяют ему оставаться ионизированным в электрическом разряде, когда напряжение остается ниже потенциала ионизации.
Гелий-4 уникален тем, что обладает двумя жидкими формами. Обычная называется гелий I и существует при температурах от точки кипения 4,21 К (-268,9 °C) до около 2,18 К (-271 °C). Ниже 2,18 K теплопроводность 4 He становится в 1000 раз больше, чем у меди. Эта форма называется гелий II, чтобы отличить ее от обычной. Она обладает сверхтекучестью: вязкость настолько низкая, что не может быть измерена. Гелий II растекается в тонкую пленку на поверхности любого вещества, которого касается, и эта пленка течет без трения даже против силы тяжести.
Менее обильный гелий-3 образует три различные жидкие фазы, две из которых сверхтекучи. Сверхтекучесть в 4 He была обнаружена советским физиком в середине 1930-х годов, и такое же явление в 3 He было впервые замечено Дугласом Д. Ошеровым, Дэвидом М. Ли, и Робертом С. Ричардсоном из США в 1972 году.
Жидкая смесь двух изотопов гелия-3 и -4 при температурах ниже 0,8 К (-272.4 °C) разделяется на два слоя - практически чистого 3 He и смеси 4 He с 6% гелия-3. Растворение 3 He в 4 He сопровождается охлаждающим эффектом, который используется в конструкции криостатов, в которых температура гелия опускается ниже 0,01 К (-273,14 °C) и поддерживается такой в течение нескольких дней.
Соединения
В нормальных условиях гелий химически инертен. В экстремальных можно создать соединения элемента, которые при нормальных показателях температуры и давления не являются стабильными. Например, гелий может образовывать соединения с йодом, вольфрамом, фтором, фосфором и серой, когда он подвергается действию электрического тлеющего разряда при бомбардировке электронами или в состоянии плазмы. Таким образом, были созданы HeNe, HgHe 10 , WHe 2 и молекулярные ионы Не 2 + , Не 2 ++ , HeH + и HeD + . Эта техника также позволила получить нейтральные молекулы Не 2 и HgHe.
Плазма
Во Вселенной преимущественно распространен ионизированный гелий, свойства которого существенно отличаются от молекулярного. Электроны и протоны его не связаны, и он обладает очень высокой электропроводностью даже в частично ионизированном состоянии. На заряженные частицы сильное воздействие оказывают магнитные и электрические поля. Например, в солнечном ветре ионы гелия вместе с ионизированным водородом взаимодействуют с магнитосферой Земли, вызывая северные сияния.
Открытие месторождений в США
После бурения скважины в 1903 году в Декстере, штат Канзас, был получен негорючий газ. Первоначально не было известно, что в нем содержится гелий. Какой газ был найден, определил геолог штата Эразмус Хаворт, который собрал его образцы и в университете Канзаса с помощью химиков Кэди Гамильтона и Дэвида Макфарланда обнаружил, что тот содержит 72% азота, 15% метана, 1% водорода и 12% не было идентифицировано. Проведя последующие анализы, ученые обнаружили, что 1,84% пробы составляет гелий. Так узнали о том, что данный химический элемент присутствует в огромных количествах в недрах Великих равнин, откуда его можно извлечь из природного газа.
Промышленное производство
Это сделало Соединенные Штаты лидером мирового производства гелия. По предложению сэра Ричарда Трельфалла, ВМС США профинансировали три небольших экспериментальных завода для получения этого вещества во время Первой мировой войны с целью обеспечить заградительные аэростаты легким негорючим подъемным газом. По данной программе были произведены в общей сложности 5700 м 3 92-процентного He, хотя до этого были получены лишь менее 100 л газа. Часть этого объема была использована в первом в мире гелиевом дирижабле С-7, который совершил свой первый рейс из Хэмптон-Роудс в Боллинг-Филд 7 декабря 1921 года.
Хотя процесс низкотемпературного сжижения газа в то время не был достаточно разработан, чтобы оказаться существенным во время Первой мировой войны, производство продолжалось. Гелий в основном использовался в качестве подъемного газа в летательных аппаратах. Спрос на него вырос во время Второй мировой войны, когда его стали применять при экранированной дуговой сварке. Элемент также имел важное значение в проекте создания атомной бомбы «Манхэттен».
Национальный запас США
В 1925 году правительство Соединенных Штатов создало Национальный запас гелия в Амарилло, штат Техас, с целью обеспечения военных дирижаблей во время войны и коммерческих воздушных кораблей в мирное время. Использование газа после Второй мировой сократилось, но запас был увеличен в 1950-х годах для обеспечения, среди прочего, его поставок в качестве теплоносителя, применяемого в производстве кислородно-водородного ракетного топлива в период космической гонки и холодной войны. Использование гелия в США в 1965 году в восемь раз превысило пиковое потребление военного времени.
После принятия закона о гелии 1960 года Горное бюро подрядило 5 частных предприятий для извлечения элемента из природного газа. Для этой программы был построен 425-км газопровод, соединивший эти заводы с правительственным частично истощенным газовым месторождением неподалеку от Амарилло в Техасе. Гелий-азотная смесь закачивалась в подземное хранилище и оставалась там, пока в ней не возникала необходимость.
К 1995 году был собран запас объемом миллиард кубометров, а задолженность Национального резерва составила 1,4 млрд долларов, что побудило Конгресс США в 1996 г. поэтапно отказаться от него. После принятия в 1996 г. закона о приватизации гелия Министерство природных ресурсов приступило к ликвидации хранилища в 2005 году.
Чистота и объемы производства
Гелий, произведенный до 1945 года, имел чистоту около 98%, остальные 2% приходились на азот, что было достаточным для дирижаблей. В 1945 г. было произведено небольшое количество 99,9-процентного газа для использования в дуговой сварке. К 1949 г. чистота получаемого элемента достигла 99,995%.
На протяжении многих лет Соединенные Штаты производили более 90% мирового объема коммерческого гелия. Начиная с 2004 года, ежегодно его вырабатывалось 140 млн м 3 , 85% из которых приходится на США, 10% производилось в Алжире, а остальное - в России и Польше. Основными источниками гелия в мире являются газовые месторождения Техаса, Оклахомы и Канзаса.
Процесс получения
Гелий (чистотой 98,2%) выделяют из природного газа путем сжижения других компонентов при низких температурах и при высоких давлениях. Адсорбция других газов охлажденным активированным углем позволяет добиться чистоты 99,995%. Небольшой объем гелия производится при сжижении воздуха в больших масштабах. Из 900 т воздуха можно получить около 3,17 куб. м газа.
Сферы применения
Благородный газ нашел применение в разных областях.
- Гелий, свойства которого позволяют получать сверхнизкие температуры, используется как охлаждающий агент в Большом адронном коллайдере, сверхпроводящих магнитах аппаратов МРТ и спектрометров ядерного магнитного резонанса, спутниковой аппаратуры, а также для сжижения кислорода и водорода в ракетах «Аполлон».
- В качестве инертного газа для сварки алюминия и др. металлов, при производстве оптоволокна и полупроводников.
- Для создания давления в топливных баках ракетных двигателей, особенно тех, которые работают на жидком водороде, т. к. только гелий газообразный сохраняет свое агрегатное состояние, когда водород остается жидким);
- He-Ne используются для сканирования штрих-кодов на кассах в супермаркетах.
- Гелий-ионный микроскоп позволяет получить лучшие изображения, чем электронный.
- Благодаря высокой проницаемости благородный газ используется для проверки утечек, например, в системах кондиционирования воздуха автомобилей, а также для быстрого наполнения подушек безопасности при столкновении.
- Низкая плотность позволяет наполнять декоративные шары с гелием. Инертный газ заменил взрывоопасный водород в дирижаблях и воздушных шарах. Например, в метеорологии, шары с гелием используются для подъема измерительных приборов.
- В криогенной технике служит теплоносителем, поскольку температура этого химического элемента в жидком состоянии минимально возможная.
- Гелий, свойства которого обеспечивают ему низкую реактивность и растворимость в воде (и крови), в смеси с кислородом нашел применение в дыхательных составах для подводного плавания с аквалангом и проведения кессонных работ.
- Метеориты и горные породы анализируются на содержание данного элемента для определения их возраста.
Гелий: свойства элемента
Основные физические свойства He следующие:
- Атомный номер: 2.
- Относительная масса атома гелия: 4,0026.
- Точка плавления: нет.
- Точка кипения: -268,9 °C.
- Плотность (1 атм, 0 °C): 0,1785 г/п.
- Состояния окисления: 0.
Имеющего в составе два протона и два нейтрона.
Энциклопедичный YouTube
1 / 5
✪ Гелий - СВЕРХТЕКУЧИЙ И САМЫЙ ХОЛОДНЫЙ ЭЛЕМЕНТ!
✪ Сверхтекучий гелий. Штутгартский университет
✪ Перспективы термоядерной энергетики (рассказывает физик Антон Тюлюсов)
✪ Операция "Гелий"
✪ Операция "Гелий". 3-я серия
Субтитры
хочу порекомендовать вам канал андрея сте пени на он снимает видео курс по органической химии для 10 класса сейчас на его канале доступно более 40 видео по 12 темам подписывайтесь на канал андрея издавать и игре на 100 баллов и так сегодня я расскажу вам о самом распространенном благородному газе в обозримой вселенной который к тому же ещё может приобретать уникальные сверхтекучие свойства при крайне низких температурах встречайте гелий в периодической таблице этот элемент находится в верхнем правом углу его очень легко найти под номером 2 я думаю что с этим инертным газом сегодня люди знакомятся самого детства так как из-за своей легкости относительно воздуха гелий отлично подходит для надувания праздничных шариков которые так нравятся детям это все из за того что молярная масса гелия примерно в семь раз меньше молярные массы воздуха но все же по распространенности гели на земле крайне редок в воздухе его находится всего лишь одна часть на миллион основная доля получаемого гелия для тех же шариков приходится на природный газ в котором концентрация гелия может достигать до семи процентов по массе все потому что в результате радиоактивного распада урана или тория в земной коре гелий может накапливаться в подземных пустотах с природным газом и не улетучиваться в атмосферу однако если брать более масштабно то во всей обозримой вселенной или займет почетное второе место по распространенности среди всех элементов уступив только водороду и образуя при этом примерно четверть от всех атомов вы только представьте себе что все атомы тяжелее гель образует всего лишь два процента от массы всей массы материи здесь можно почувствовать насколько мы малы в масштабах вселенной основная часть деле находится в составе звезд или же в атмосфере газовых гигантов в которых как и во всей вселенной содержится около 20 процентов деле по массе по сегодняшним данным основная часть геля находящаяся в космосе образовалась во время большого взрыва около 14 миллиардов лет назад давайте теперь вернемся с небес на землю и рассмотрим свойства этого газа в более осязаемых эксперимент у меня есть небольшая ампул с гелия который находится при очень низком давлении примерно одна сотая от атмосферного видно что гель и не имеет цвета кроме этого он еще не имеет ни вкуса ни запаха это вы могли узнать если когда-нибудь пробовали дышать этим газом однако такие опыты крайне опасны так как наши клетки не дышит гелия им нужен кислород для этого это даже заставила нынешних продавцов гелевых баллонов для шариков добавлять в них до 20 процентов кислорода что вы висели на вечеринках стала более безопасным если через окулус гелем пропустить высокочастотный разряд высокого напряжения то он начнет светиться тусклый оранжевым цветом яркость которого будет зависеть от напряжения и от диаметра ампулы я использовал в качестве источника напряжения генератора дпла знал об и что дало мне возможность держать ампулу прямо в руке и за наличие электрической емкости у моего тела в принципе как у любого другого в отличие от неё на или ксенона гелий загорается уже на расстоянии от провода генератора так как имеет меньше энергию ионизации к сожалению с химической точки зрения деле совсем не блещет интересными свойствами он не реагирует практически ни с одним веществом хотя все же в виде плазмы похоже на то что вы видите в ампуле гели может образовывать крайне нестабильное соединение с водородом дейтерием или же некоторыми металлами а при большом давлении что тысяч атмосфер даже образуются особые вещества кларт от и гелиос азота который виде кристаллов можно вырастить на алмазные подложки жаль только что все эти вещества очень нестабильны и их практически невозможно увидеть при обычных условиях но не нужно расстраиваться ведь гель обладает самыми интересными и уникальными физическими свойствами из всех газов дело в том что при охлаждении до температуры в 42 кельвина деле становится самой легкой а также холодной жидкостью плотность которой почти в 10 раз меньше плотности воды в градусах цельсия жидкий гелий получается при сумасшедших минус двести шестьдесят восемь градусов что очень холодно настолько холодно что некоторые металла при такой температуре становится сверх проводниками например ртуть или ниобий чтобы поддерживать такую низкую температуру жидкий гелий находится в двойном сосуде дьюара который ещё снаружи охлаждают жидким азотом такую же технологию охлаждения жидкого гелия используют и в современных аппаратах для создания ядерно магнитного резонанса в них сверхпроводники соединение ниобия охлаждают жидким гелием который из-за высокой дороговизны в свою очередь охлаждают более дешевом жидким азотом таким образом жидкий гель и служит медицине а также для исследования ученых но самое интересное еще впереди до этого я рассказывала вам о первой форме жидкого гелия так называемый гелий 1 если же ее начать охлаждать с помощью понижения давления в сосуде то жидкий гелий в конце концов перейдет так называемую линда. а именно остынет ниже температуры вдвое семнадцать сотых кельвинов и станет второй формы жидкого гелия после этого кипения жидкости мгновенно прекращается и жидкий гелий кардинально меняет свои свойства при такой температуре теплопроводной жидкого гелия увеличиваться в миллионы раз и становимся выше чем у меди или серебра поэтому жидкость и не кипит так как тепло передается мгновенно и равномерно по всему объему кроме этого при достижении лямбда точки гелий становимся сверхтекучий жидкостью то есть теряет абсолютно все вязкость а именно сопротивление одной части жидкости движению относительно другой есть отличный эксперимент который это доказывает если налить в небольшую подвешенную чашечку сверх текущего гелия то сможет подниматься по стенки емкости в виде тонкой пленки и вытекать из чашки кроме того он с легкостью проходит через слой керамики с величиной пор около одного микрона и чем ниже температура жидкого гелия тем проще эта жидкость проходит через барьер удивительно еще то что у жидкого гелия в таком охлажденном виде все же есть вязкость которую видно на 2 пути превращение цилиндра слои жидкости все же передают вращение на лопасти сверху так как это может быть а здесь уже играют роль другие квантовые механизмы чье поведение и на да кардинально отличается от законов классической механики вязкость она как бы есть но я и одновременно нет вот как это можно в принципе охарактеризовать и кстати впервые явления сверхтекучести жидкого гелия открыл советский ученый петр капица 1938 году а уже в 1962 году лев ландау разработал теорию этого эффекта думайте это все а вот и нет нас вновь ждет тема звезд и космических полетов до этого я рассказывал вам о самом распространенном изотопе гели и гелий 4 у которого есть два протона и два нейтрона однако есть еще крайне редки изотопа гелий-3 у которого два протона и один нейтрон дело в том что этот изотоп отлично подходит для проведения реакций термоядерного синтеза с дейтерием и в теории этот процесс может помочь человечеству отказаться от ископаемого топлива но вот проблема в том что на земле этот изотоп невероятно редок так как сразу же улетучивается из атмосферы а вот на луне у которой атмосфера нет этот изотоп гораздо лучше сохраняется гипотетически люди могли бы добывать гелий-3 из лунной пыли реголита и использовать как источник энергии на земле но пока что это всего лишь кажется фантастикой на эту тему сняли даже отличный фильм луна 2112 рекомендую к просмотру и в итоге можно сказать что такое обычность виду газ гелий обладает удивительными свойствами при низких температурах его свойства сейчас используется повсеместно например в медицине или для научных исследований в которой например газообразный гелий используется как газ носитель в хроматографии ну а если вам понравилось это видео не забудьте подписаться на канал и нажать на колокольчик и поставить лайк чтобы в будущем узнать ещё много нового и интересного
Распространённость
Открытие
Существование гелия-3 было предположено австралийским ученым Марком Олифантом во время работы в Кембриджском университете в . Окончательно открыли этот изотоп Луис Альварес и Роберт Корног в .
Физические свойства
Получение
В настоящее время гелий-3 не добывается из природных источников (на Земле доступны незначительные количества гелия-3, чрезвычайно трудные для добычи), а создаётся при распаде искусственно полученного трития .
Стоимость
Средняя цена гелия-3 в 2009 году составляла, по некоторым оценкам, порядка 930 USD за литр .
Планы добычи гелия-3 на Луне
Гелий-3 является побочным продуктом реакций, протекающих на Солнце , и в некотором количестве содержится в солнечном ветре и межпланетной среде. Попадающий в атмосферу Земли из межпланетного пространства гелий-3 быстро диссипирует обратно , его концентрация в атмосфере чрезвычайно низка
Гипотетически, при термоядерном синтезе, когда в реакцию вступает 1 тонна гелия-3 с 0,67 тоннами дейтерия , высвобождается энергия, эквивалентная сгоранию 15 млн тонн нефти (однако на настоящий момент не изучена техническая возможность осуществления данной реакции). Следовательно, населению нашей планеты лунного ресурса гелия-3 (по максимальным оценкам) могло бы хватить примерно на пять тысячелетий . Основной проблемой остаётся реальность добычи гелия из лунного реголита . Как упомянуто выше, содержание гелия-3 в реголите составляет ~1 г на 100 т. Поэтому для добычи тонны этого изотопа следует переработать на месте не менее 100 млн тонн грунта.
Использование
Счётчики нейтронов
Газовые счётчики, наполненные гелием-3, используются для детектирования нейтронов . Это наиболее распространённый метод измерения нейтронного потока. В них происходит реакция
n + 3 He → 3 H + 1 H + 0,764 МэВ.Заряженные продукты реакции - тритон и протон - регистрируются газовым счётчиком, работающим в режиме пропорционального счётчика или счётчика Гейгера-Мюллера.
Получение сверхнизких температур
Путём растворения жидкого гелия-3 в гелии-4 достигают милликельвиновых температур .
Медицина
Гелий-3 как ядерное топливо
Реакция 3 Не + D → 4 Не + p имеет ряд преимуществ по сравнению с наиболее достижимой в земных условиях дейтериево-тритиевой реакцией T + D → 4 Не + n. К этим преимуществам относятся:
- В десятки раз более низкий поток нейтронов из зоны реакции, что резко уменьшает наведённую радиоактивность и деградацию конструкционных материалов реактора;
- Получаемые протоны, в отличие от нейтронов, легко улавливаются и могут быть использованы для дополнительной генерации электроэнергии, например, в МГД-генераторе ;
- Исходные материалы для синтеза неактивны и их хранение не требует особых мер предосторожности;
- При аварии реактора с разгерметизацией активной зоны радиоактивность выброса близка к нулю.
К недостаткам гелий-дейтериевой реакции следует отнести значительно более высокий температурный порог. Необходимо достигнуть температуры приблизительно в 10 9 К из-за Кулоновского барьера , чтобы она могла начаться. А при меньшей температуре термоядерная реакция слияния ядер дейтерия между собой протекает гораздо охотнее, и реакции между дейтерием и гелием-3 не происходит.
В искусстве
В фантастических произведениях (играх, фильмах, аниме) гелий-3 иногда выступает в качестве основного топлива и как ценный ресурс, добываемый в том числе на Луне.
Основой сюжета британского научно-фантастического фильма 2009 года «Луна 2112 », является работа горнодобывающего комплекса компании «Лунар». Комплекс обеспечивает добычу изотопа гелий-3, с помощью которого удалось остановить катастрофический энергетический кризис на Земле.
В политической комедии «Железное небо », лунный гелий-3 стал причиной международного ядерного конфликта за право добычи.
В аниме «Planetes » гелий-3 используется как топливо для двигателей ракет и т. д.
Литература
- Dobbs E. R. Helium Three. - Oxford University press, 2000. ISBN 0-19-850640-6
- Галимов Э. М. Если у тебя есть энергия, ты можешь извлечь всё - Редкие земли. 2014. № 2. С. 6-12.
- The Helium-3 Shortage: Supply, Demand, and Options for Congress // FAS, December 22, 2010 (англ.)
Примечания
- Audi G. , Wapstra A. H. , Thibault C.
Наверное мало чего в области термоядерной энергетики окружено мифами, как Гелий 3. В 80х-90х он был активно популяризирован, как топливо, которое решит все проблемы управляемого термоядерного синтеза, а так же как один из поводов выбраться с Земли (т.к. на земле его буквально считанные сотни килограмм, а на луне миллиард тонн) и заняться, наконец, освоением солнечной системы. Все это базируется на очень странных представлениях о возможностях, проблемах и потребностях несуществующей сегодня термоядерной энергетики, о чем мы и поговорим.
Машина для добычи гелия3 на луне уже готова, дело за малым - найти ему применение.
Когда говорят про гелий3, то имеют в виду реакции термоядерного слияния He3 + D -> He4 + H или He3 + He3 -> 2He4 + 2H . По сравнению с классической D + T -> He4 +n в продуктах реакции нет нейтронов, а значит нет активации сверхэнергичными нейтронами конструкции термоядерного реактора. Кроме того, проблемой считается тот факт, что нейтроны из “классики” уносят из плазмы 80% энергии, поэтому баланс самонагрева наступает при бОльшей температуре. Еще одним записываемым гелиевому варианту преимуществом является то, что электроэнергию можно снимать прямо с заряженных частиц реакции, а не нагревом нейтронами воды - как в старых угольных электростациях.
Так вот, все это - неправда, точнее очень маленькая часть правды.
Начнем с того, что при одинаковой плотности плазмы и оптимальной температуре реакция He3 + D даст в 40 раз меньше энерговыделение на кубометр рабочей плазмы. При этом температура, нужная для хотя бы 40 кратного разрыва будет в 10 раз выше - 100 кЭв (или один миллиард градусов ) против 10 для D +T. Сама по себе, такая температура вполне достижима (рекорд токамаков на сегодня - 50 кЭв, всего в два раза хуже), но что бы завязать энергобаланс (скорость остывания VS скорость нагрева в т.ч. самонагрева) нам нужно поднять в 50 раз энерговыделение с кубометра He3 +D реакции, что можно сделать только подняв плотность в те же в 50 раз. В сочетании с выросшей в 10 раз температурой это дает увеличение давления плазмы в 500 раз - с 3-5 атм до 1500-2500 атм, и такое же увеличение противодавления, что бы эту плазму удержать.
Зато картинки вдохновляющие.
Помните, я писал, что магниты тороидального поля ИТЭР, которые создают противодавление плазме - абсолютно рекордные изделия, единственные по параметрам в мире? Так вот, поклонники He3 предлагают сделать магниты в 500 раз мощнее.
Ок, забудем про сложности, может преимущества этой реакции их окупают?
Разные термоядерные реакции, которые применимы для УТС. He3 + D дает слегка больше энергии, чем D + T, но на преодалевание кулоновского отталкивания тратится очень много энергии (заряд 3 а не 2), поэтому реакция идет медленно.
Начнем с нейтронов. Нейтроны в промышленном реакторе будут представлять собой серьезную проблему, повреждать материалы корпуса, греть все элементы обращенные к плазме настолько, что их придется охлаждать приличным расходом воды. А главное - активация материалов нейтронами приведут к тому, что и через 10 лет после остановки термоядерного реактора у нем будет тысячи тонн радиоактивных конструкций, которые невозможно разбирать руками, и которые будут вылеживаться уже в хранилище сотни и тысячи лет. Избавление от нейтронов очевидно бы облегчило задачу создания термоядерной электростанции.
Доля энергии, уносимая нейтронами. Если добавить побольше He3 в реактор, то можно снизить ее до 1%, но это еще ужесточит условия зажигания.
Ок, ну а как насчет прямого преобразования энергии заряженных частиц в электричество? Опыты показывают, что поток ионов с энергией 100 кЭв можно преобразовать в электричество с 80% кпд. У нас же тут нет нейтронов…. ну в смысле они не уносят всю энергию, которую мы можем получить только в виде тепла - давайте избавимся от паровых турбин и поставим ионные коллекторы?
Да, технологии прямого преобразования энергии плазмы в электроэнергию есть, они активно исследовались в 60х-70х, и показали кпд в районе 50-60% (не 80, надо заметить). Однако эта идея слабо применима как в D +T реакторах, так и в He3 +D. Почему это так, помогает понять вот эта картинка.
На ней показаны потери тепла плазмой по разным каналам. Сравните D+T и D + He3. Transport - это то, что можно использовать для прямого преобразования энергии плазмы в электричество. Если в D + T варианте у нас все забирают мерзкие нейтроны, то в случае He3 + D все забирает электромагнитное излучение плазмы, в основном синхротронное и рентгеновское тормозное (на картинке Bremsstrahlung). Ситуация практически симметричная, все равно надо отводить тепло от стенок и все равно прямым преобразованием мы не может вытащить больше 10-15% энергии термоядерного горения, а остальное - по старинке, через паросиловую машину.
Иллюстрация в исследовании по прямому преобразованию энергии плазмы на крупнейшей открытой ловушке Gamma-10 в японии.
Кроме теоретических ограничений есть и инженерные - в мире (в т.ч. в СССР) были потрачены гигантские усилия на создание установок прямого преобразования энергии плазмы в электричество для обычных электростанций, что позволяло поднять кпд с 35% до 55%. В основном на базе МГД-генераторов. 30 лет работы больших коллективов закончились пшиком - ресурс установки составлял сотни часов, когда энергетикам нужны тысячи и десятки тысяч. Гигантское количество ресурсов, потраченное на эту технологию привело, в частности, к тому, что наша страна отстала в производстве энергетических газовых турбин и установок парогазотурбинного цикла (которые дают ровно такое же повышение кпд - с 35 до 55%!).
Кстати, мощные сверхпроводящие магниты нужны и для МГД-генераторов. Здесь показаны СП магниты для 30 мегаваттного МГД-генератора.