Energie hélia. Helium3 - mýtické palivo budoucnosti

Je nutné pochopit, že dnes je studium sluneční soustavy, studium mimozemské hmoty, chemická struktura měsíce a planet, hledání mimozemských forem života a porozumění fyzice vesmíru v popředí základní vědy . Moderní vesmírný výzkum by neměl být považován za jeden ze směrů nebo oborů vědy, ale za etapu vývoje vědy. Bez výsledků získaných v kosmickém výzkumu není ani fyzika, ani biologie, ani chemie, ani geologické vědy úplná.

Ústup do pozadí země s bohatými zkušenostmi a tradicemi průzkumu vesmíru nemůže způsobit úzkost a touhu porozumět důvodům.

E. M. Galimov

Helium 3 - mýtické palivo budoucnosti

Pravděpodobně málo v oblasti termonukleární energie je obklopeno mýty, jako je Helium 3. V 80.-90. letech bylo aktivně propagováno jako palivo, které by vyřešilo všechny problémy řízené termonukleární fúze, a také jako jeden z důvodů, proč získat ven ze Země (protože doslova na několika stovkách kilogramů na Zemi a miliardě tun na Měsíci) a konečně začít zkoumat sluneční soustavu. To vše je založeno na velmi podivných představách o možnostech, problémech a potřebách dnes neexistující termonukleární energie, o kterých si budeme povídat.

Pamatujte, napsal jsem, že magnety toroidního pole ITER, které vytvářejí protitlak plazmě, jsou naprosto rekordní produkty, jedinečné z hlediska parametrů ve světě? Fanoušci He3 tedy navrhují, aby byly magnety 500krát silnější.

Extrakce helia-3 na Měsíci poskytne pozemšťanům energii na 5 tisíc let

Zásoby helia-3 na Měsíci mohou pozemšťanům poskytnout energii na pět tisíc let dopředu, uvedlo ve středu na multimediální přednášce RIA Novosti, doktor fyziky a matematiky, vedoucí katedry výzkumu Měsíce a planet z Státní astronomický ústav Moskevské státní univerzity. Lomonosov Vladislav Ševčenko.

Možnosti poskytnout obyvatelům Země nosiče energie nejsou neomezené, jejich zásoby na naší planetě se v příštích stoletích vyčerpají. Spojené státy již zároveň vypočítaly, že zásoby helia-3 na Měsíci mohou pozemšťanům poskytnout energii minimálně na pět tisíc let dopředu, uvedl Ševčenko.

Ano, náklady na jednu tunu helia-3 budou asi miliardu dolarů, vzhledem k tomu, že bude vytvořena potřebná infrastruktura pro výrobu a dodávky z Měsíce. Ale zároveň 25 tun - a to je jen 25 miliard dolarů, což není tolik na úrovni států naší planety - stačí na to, aby pozemšťanům poskytli energii na rok. V současné době jen Spojené státy utrácejí za energii zhruba 40 miliard dolarů ročně. Výhody jsou zřejmé, - řekl Shevchenko.

Podle něj by se v blízké budoucnosti partneři Mezinárodní vesmírné stanice (ISS) měli postupně přesunout od jejího provozu k vytvoření Mezinárodní lunární stanice (ISS). Naše cesta nyní vede od ISS k ISS. Získáme velké praktické výhody, - uzavřel vědec.

V současné době se izotop helia-3 těží na Zemi ve velmi malém množství, které činí několik desítek gramů za rok.

Na Měsíci jsou zásoby tohoto cenného izotopu podle minimálních odhadů asi 500 tisíc tun. Při termonukleární fúzi, kdy reaguje 1 tuna helia-3 s 0,67 tuny deuteria, se uvolní energie ekvivalentní spalování asi 15 milionů tun ropy.

V rozhovoru pro noviny Trud akademik Roald Zinnurovich Sagdeev nazval senzaci vyvolanou kolem produkce helia-3 na Měsíci. nestojí za to.

Akademik Sagdeev uvedl, že na nedávných 30. Koroljovských čteních udávali tón příznivci lunárních projektů, kteří tvrdili, že těžba helia-3 na Měsíci je výnosný a slibný úkol. Předpokládá se, že jde o fúzní reaktory. práce na heliu-3, poskytne lidstvu energii na tisíciletí.

Plány na vytvoření základny na Měsíci do roku 2015 a výroba a přeprava helia-3, které byly představeny na odečtech, jsou zcela nerealistické. A helium-3 bude potřeba nejdříve za 80–100 let.

Akademik Sagdeev řekl, že deuteriové a tritiové reaktory stále neexistují. Zásoby deuteria v mořské vodě jsou však prakticky neomezené. Vytvoření fúzního reaktoru helium-3 bude trvat dalších 100 let. "Stručně řečeno, stavba heliového reaktoru není ani úkolem 21., ale 21. století," říká Sagdeev.

Proto plány na vytvoření základny na Měsíci a produkce helia-3 vyvolávají iluzi: „Ve skutečnosti celý ten humbuk spojený s návrhem na těžbu helia-3 na Měsíci nestojí za nic.“

Sagdeevova slova z rozhovoru: „Když například vedoucí RSC Energia Nikolaj Sevastyanov hovoří o výrobě helia-3 na Měsíci, vnitřně se usmívám a dokonce někde soucítím s tak nadšeným člověkem, který překvapivě je chycen v iluzích “...

Helium-3 objevil australský vědec Mark Oliphant při práci na univerzitě v Cambridgi.

Aplikace 3 He

Helium-3 se používá při výzkumu termojaderné fúze. Je to vedlejší produkt reakcí probíhajících na slunci. Na Zemi se těží ve velmi malých množstvích, které dosahují několika desítek gramů ročně. Důvodem je naše atmosféra. přispívá k procesům reakce helium-3 s jinými látkami. Termonukleární fúze 1 tuny helia-3 uvolní energii rovnající se 15 milionům tun ropy.

3 Rezervuje na Zemi

Na Zemi se její zásoby odhadují přibližně na 500–1 000 kilogramů a jsou extrémně rozptýleny v atmosféře a skalách.

Zásoby 3 He on the Moon

Měsíční zdroje helium-3 jsou velmi velké a měly by být dostatečné minimálně pro příští tisíciletí. Hlavním problémem zůstává, že řízená termonukleární fúze dosud nebyla implementována a podle nejoptimističtějších předpovědí přijde možnost komerčního využití až v roce 2050.

Zdroje: znaniya-sila.narod.ru, hodar.ru, ria.ru, ru.wikinews.org, traditio-ru.org

Projekt Phobos-Grunt

Projekt Orion

Kosmická loď Dragon

Opakovaně použitelná vesmírná raketa Ruska

Etapy výstavby Kremlu

Moskevská architektura konce 15. - počátku 16. století Fáze výstavby moskevského Kremlu jako obranné struktury. Obecná charakteristika umění malování ikon XVI ...

Tajemství Španělska - Mount Montserrat

Historie Španělska je nejčastěji spojována s dobyvateli, inkvizicí, intrikami královského dvora a různých tajných společností. V historické vědě však existuje ...

Řecko - země starověkých památek

Každý, kdo alespoň jednou navštívil Řecko, se sem bude chtít vrátit znovu. Koneckonců, Řecko je plné historických budov, kultury minulých století. Hlavní turistický ...

Komplex méněcennosti

Jedním z nejzajímavějších pojmů v psychologii je komplex méněcennosti. Pochopení psychologie tohoto komplexu je důležitým krokem při řešení tohoto ...

Obrovská oliheň

V roce 2002 byla na pobřeží ostrova Tasmánie objevena obří chobotnice o hmotnosti až 250 kg. Samozřejmě, to stvoření už bylo mrtvé, ale všechno pro vědce ...

Hélium je inertní plyn 18. skupiny periodické tabulky. Po vodíku je to druhý nejlehčí prvek. Helium je bezbarvý plyn bez chuti a zápachu, který se při teplotě -268,9 ° C stává kapalným. Jeho body varu a tuhnutí jsou nižší než u jakékoli jiné známé látky. Je to jediný prvek, který při normálním atmosférickém tlaku neztuhne. Aby hélium ztuhlo, potřebujete 25 atmosfér při teplotě 1 K.

Historie objevů

Helium našel v plynné atmosféře obklopující slunce francouzský astronom Pierre Janssen, který v roce 1868 během zatmění objevil jasně žlutou čáru ve spektru sluneční chromosféry. Původně se předpokládalo, že tato linie představuje prvek sodík. V témže roce pozoroval anglický astronom Joseph Norman Lockyer ve slunečním spektru žlutou čáru, která neodpovídala známým sodíkovým liniím D 1 a D 2, a proto ji nazval linií D 3. Lockyer dospěl k závěru, že to bylo způsobeno látkou ve Slunci neznámou na Zemi. On a chemik Edward Frankland používali pro prvek řecké jméno pro slunce „helios“.

V roce 1895 britský chemik Sir William Ramsay prokázal existenci helia na Zemi. Získal vzorek minerálního cleveitu nesoucího uran a po prozkoumání plynů produkovaných při jeho zahřívání zjistil, že jasně žlutá čára ve spektru se shoduje s linií D 3 pozorovanou ve slunečním spektru. Nový prvek byl tedy nakonec nainstalován. V roce 1903 Ramsay a Frederick Soddu zjistili, že helium je produkt spontánního rozpadu radioaktivních látek.

Distribuce v přírodě

Hmotnost helia je asi 23% z celkové hmotnosti vesmíru a prvek je druhým nejhojnějším v prostoru. Je koncentrován ve hvězdách, kde je vytvořen z vodíku v důsledku termonukleární fúze. Přestože se v zemské atmosféře nachází helium v koncentraci 1 díl na 200 tisíc (5 ppm) a v malém množství se nachází v radioaktivních minerálech, meteorickém železe a také v minerálních pramenech, velké množství prvku se nachází v Spojené státy (zejména v Texasu, Novém Mexiku, Kansasu, Oklahomě, Arizoně a Utahu) jako složka (až 7,6%) zemního plynu. Malé rezervy byly nalezeny v Austrálii, Alžírsku, Polsku, Kataru a Rusku. V zemské kůře je koncentrace helia jen asi 8 dílů na miliardu.

Izotopy

Jádro každého atomu helia obsahuje dva protony, ale stejně jako ostatní prvky má izotopy. Obsahují od jednoho do šesti neutronů, takže jejich hmotnostní čísla se pohybují od tří do osmi. Stabilní z nich jsou prvky, ve kterých je hmotnost helia určena atomovými čísly 3 (3 He) a 4 (4 He). Všechny ostatní jsou radioaktivní a velmi rychle se rozpadají na jiné látky. Zemské hélium není původní složkou planety, vzniklo v důsledku radioaktivního rozpadu. Částice alfa emitované jádry těžkých radioaktivních látek jsou jádry izotopu 4 He. Hélium se v atmosféře neakumuluje ve velkém množství, protože gravitace Země je nedostatečná na to, aby nemohla postupně unikat do vesmíru. Stopy 3 He na Zemi jsou vysvětleny negativním beta rozpadem vzácného prvku vodíku-3 (tritium). 4 Je nejběžnějším ze stabilních izotopů: poměr počtu atomů 4 He k 3 He je asi 700 tisíc ku 1 v atmosféře a asi 7 milionů ku 1 v některých minerálech obsahujících helium.

Fyzikální vlastnosti helia

Teploty varu a tání tohoto prvku jsou nejnižší. Z tohoto důvodu helium existuje s výjimkou extrémních podmínek. Plyn se ve vodě rozpouští méně než kterýkoli jiný plyn a rychlost difúze přes pevné látky je třikrát vyšší než u vzduchu. Jeho index lomu je nejblíže 1.

Tepelná vodivost helia je na druhém místě za tepelnou vodivostí vodíku a jeho specifické teplo je neobvykle vysoké. Za normálních teplot se při expanzi zahřívá a pod 40 K chladí. Proto na T<40 K гелий можно превратить в жидкость путем расширения.

Prvek je dielektrikum, pokud není v ionizovaném stavu. Stejně jako ostatní vzácné plyny má helium metastabilní energetické hladiny, které mu umožňují zůstat ionizované v elektrickém výboje, když napětí zůstává pod ionizačním potenciálem.

Helium-4 je jedinečné v tom, že má dvě kapalné formy. Společný se nazývá helium I a existuje při teplotách od bodu varu 4,21 K (-268,9 ° C) do asi 2,18 K (-271 ° C). Pod 2,18 K se tepelná vodivost 4 He stane 1000krát větší než měď. Tato forma se nazývá Helium II, aby se odlišila od normální formy. Je nadbytečný: viskozita je tak nízká, že ji nelze měřit. Helium II se šíří do tenkého filmu na povrchu jakékoli látky, které se dotkne, a tento film proudí bez tření i proti gravitaci.

Méně hojné helium-3 tvoří tři různé kapalné fáze, z nichž dvě jsou superfluidní. Superfluidita ve 4 Byl objeven sovětským fyzikem v polovině třicátých let minulého století a stejný jev v roce 3 Poprvé si ho všimli Douglas D. Osherov, David M. Lee a Robert S. Richardson ze Spojených států v roce 1972.

Kapalná směs dvou izotopů helia-3 a -4 při teplotách pod 0,8 K (-272,4 ° C) se rozdělí na dvě vrstvy-téměř čistý 3 He a směs 4 He se 6% helia-3. Rozpuštění 3 He ve 4 He je doprovázeno chladivým efektem, který se používá při konstrukci kryostatů, ve kterých teplota helia klesá pod 0,01 K (-273,14 ° C) a při této teplotě se udržuje několik dní.

Připojení

Za normálních podmínek je helium chemicky inertní. V extrémních podmínkách je možné vytvořit spoje prvku, které nejsou za normálních teplot a tlaků stabilní. Například helium může tvořit sloučeniny s jodem, wolframem, fluorem, fosforem a sírou, když je vystaveno elektrickému doutnavému výboji při bombardování elektrony nebo v plazmatickém stavu. Tak byly vytvořeny HeNe, HgHe 10, WHe 2 a molekulární ionty He 2 +, He 2 ++, HeH +a HeD +. Tato technika také umožnila získat neutrální molekuly He 2 a HgHe.

Plazma

Ve vesmíru je převážně rozšířené ionizované helium, jehož vlastnosti se výrazně liší od molekulárního helia. Jeho elektrony a protony nejsou vázány a má velmi vysokou elektrickou vodivost i v částečně ionizovaném stavu. Nabité částice jsou silně ovlivněny magnetickými a elektrickými poli. Například ve slunečním větru ionty helia spolu s ionizovaným vodíkem interagují s magnetosférou Země, což způsobuje polární záři.

Terénní objev v USA

Po vyvrtání studny v roce 1903 v Dexteru v Kansasu byl získán nehořlavý plyn. Původně nebylo známo, že by obsahoval helium. Jaký plyn byl nalezen, určil geolog státu Erasmus Haworth, který shromáždil jeho vzorky, a na univerzitě v Kansasu za pomoci chemiků Cady Hamiltona a Davida McFarlanda zjistili, že obsahuje 72% dusíku, 15% metanu, 1% vodíku a 12% nebylo identifikováno. Následnými analýzami vědci zjistili, že 1,84% vzorku bylo helium. Dozvěděli se tedy, že tento chemický prvek je v obrovských množstvích přítomen v útrobách Velké planiny, odkud jej lze extrahovat ze zemního plynu.

Průmyslová produkce

Spojené státy se tak staly předním světovým producentem helia. Na návrh sira Richarda Trellfalla americké námořnictvo financovalo tři malé pilotní závody na přípravu této látky během první světové války, aby poskytly palbám balónů lehký, nehořlavý vztlakový plyn. V rámci tohoto programu bylo vyrobeno celkem 5 700 m 3 z 92%. Ačkoli dříve bylo vyrobeno pouze méně než 100 litrů plynu. Část tohoto objemu byla použita v první heliiové vzducholodi na světě C-7, která se poprvé vydala z Hampton Roads do Bolling Field 7. prosince 1921.

Ačkoli proces nízkoteplotního zkapalňování plynu v té době nebyl dostatečně vyvinut, aby byl během první světové války významný, výroba pokračovala. Helium se používalo hlavně jako vztlakový plyn v letadlech. Poptávka po něm rostla během druhé světové války, kdy byl používán při svařování stíněným obloukem. Tento prvek byl také důležitý v projektu atomové bomby na Manhattanu.

Národní rezervace USA

V roce 1925 vláda Spojených států založila National Helium Reserve v Amarillo v Texasu za účelem dodávky vojenských vzducholodí ve válce a komerčních vzducholodí v době míru. Využití plynu po druhé světové válce pokleslo, ale zásoby se v padesátých letech zvýšily, aby se mimo jiné podpořilo jeho zásobování chladivem používaným při výrobě raketového paliva kyslík-vodík během vesmírných závodů a studené války. Použití helium ve Spojených státech v roce 1965 představovalo osmkrát válečnou špičkovou spotřebu.

Poté, co byl v roce 1960 přijat zákon o heliu, těžařský úřad najal 5 soukromých podniků na těžbu prvku ze zemního plynu. Pro tento program byl vybudován 425 kilometrů dlouhý plynovod, který spojoval tyto závody s vládním částečně vyčerpaným plynovým polem poblíž Amarillo v Texasu. Směs helia a dusíku byla čerpána do podzemních zásobníků a zůstala tam, dokud nenastala potřeba.

Do roku 1995 byla shromážděna miliarda metrů krychlových zásob a dluh národní rezervy činil 1,4 miliardy dolarů, což přimělo americký kongres v roce 1996 k postupnému vyřazení. Podle zákona o privatizaci helia z roku 1996 zahájilo ministerstvo přírodních zdrojů v roce 2005 likvidaci skladovacího zařízení.

Čistota a objem produkce

Hélium vyrobené před rokem 1945 mělo čistotu asi 98%, přičemž zbývající 2% dusíku byly dostatečné pro vzducholodě. V roce 1945 bylo vyrobeno malé množství 99,9 procent plynu pro použití při obloukovém svařování. V roce 1949 dosáhla čistota výsledného prvku 99,995%.

Spojené státy za ta léta vyprodukovaly přes 90% světového komerčního helia. Od roku 2004 se každoročně vyrábí 140 milionů m 3, z nichž 85% pochází ze Spojených států, 10% bylo vyrobeno v Alžírsku a zbytek - v Rusku a Polsku. Hlavními zdroji helia na světě jsou plynová pole v Texasu, Oklahomě a Kansasu.

Proces získávání

Helium (čistota 98,2%) je izolováno ze zemního plynu zkapalněním ostatních složek při nízkých teplotách a vysokých tlacích. Adsorpce jiných plynů s ochlazeným aktivním uhlím dosahuje čistoty 99,995%. Malé množství helia se vyrábí zkapalněním vzduchu ve velkém. Z 900 tun vzduchu můžete získat asi 3,17 metrů krychlových. m plynu.

Aplikace

Vzácný plyn našel uplatnění v různých oblastech.

Helium, jehož vlastnosti umožňují dosahovat velmi nízkých teplot, se používá jako chladicí činidlo v Large Hadron Collider, supravodivých magnetech pro stroje MRI a spektrometry nukleární magnetické rezonance, satelitní zařízení a také pro zkapalňování kyslíku a vodík v raketách Apollo.
Jako inertní plyn pro svařování hliníku a dalších kovů, při výrobě vláken a polovodičů.
Vytvořit tlak v palivových nádržích raketových motorů, zejména těch, které běží na kapalný vodík, protože pouze plynné helium si zachovává svůj agregovaný stav, když vodík zůstává kapalný);
He-Ne slouží ke skenování čárových kódů na pokladnách v supermarketech.
Heliumiontový mikroskop vytváří lepší snímky než elektronový mikroskop.
Díky své vysoké propustnosti se vzácný plyn používá ke kontrole netěsností například v klimatizačních systémech automobilů a také k rychlému nafouknutí airbagů při srážce.
Nízká hustota umožňuje plnění dekorativních balónků heliem. Inertní plyn nahradil výbušný vodík ve vzducholodi a balónech. Například v meteorologii se helium balóny používají ke zvedání měřicích přístrojů.
V kryogenní technologii slouží jako chladivo, protože teplota tohoto chemického prvku v kapalném stavu je nejnižší možná.
Helium, jehož vlastnosti mu zajišťují nízkou reaktivitu a rozpustnost ve vodě (a krvi), smíchané s kyslíkem, našlo uplatnění v dýchacích přípravcích pro potápění a kesonskou práci.
Meteority a horniny jsou analyzovány na obsah tohoto prvku, aby se určil jejich věk.

Helium: vlastnosti prvku

Hlavní fyzikální vlastnosti He jsou následující:

Atomové číslo: 2.
Relativní hmotnost atomu helia: 4,0026.
Bod tání: ne
Bod varu: -268,9 ° C
Hustota (1 atm, 0 ° C): 0,1785 g / p.
Oxidační stavy: 0.

A. PETRUKOVICH, kandidát fyzikálních a matematických věd.

Na konci roku 2003 byla s lehkou rukou amerického prezidenta zařazena na pořad dne otázka nových cílů lidstva ve vesmíru. Úkol vytvořit obyvatelnou stanici na Měsíci je mimo jiné částečně založen na lákavé myšlence využití lunárních unikátních zásob helia-3 na generování energie na Zemi. Zda je lunární helium užitečné nebo ne, ukáže budoucnost, ale příběh o něm je docela fascinující a umožňuje nám porovnat naše znalosti o struktuře atomového jádra a sluneční soustavy s praktickými aspekty energie a těžby.

Věda a život // Ilustrace

PROČ? NEBO JADERNÁ SYNTÉZA - ALCHEMIE V REALITĚ

Přeměna olova na zlato byl snem středověkých alchymistů. Jako vždy se ukázalo, že příroda je bohatší než lidské fantazie. Reakce jaderné fúze vytvořily celou řadu chemických prvků a položily materiální základy našeho světa. Fúze však může dát něco mnohem cennějšího než zlato - energii. Jaderné reakce v tomto smyslu jsou podobné chemickým reakcím (tj. Reakcím transformace molekul): každá sloučenina, ať už je to molekula nebo atomové jádro, se vyznačuje vazebnou energií, kterou je třeba vynaložit na zničení sloučeniny, a který se uvolňuje při jeho vzniku. Když je vazebná energie reakčních produktů vyšší než u výchozích materiálů, reakce pokračuje s uvolňováním energie, a pokud se naučíte, jak ji přijmout v té či oné formě, mohou být počáteční látky použity jako palivo. Z chemických procesů je v tomto smyslu nejúčinnější, jak víte, reakce interakce s kyslíkem - spalování, které dnes slouží jako hlavní a nenahraditelný zdroj energie v elektrárnách, v dopravě a v každodenním životě (ještě více energie se uvolňuje při reakci fluoru, zejména molekulárního fluoru, s vodíkem; jak samotný fluor, tak fluorovodík jsou extrémně agresivní látky).

Vazebná energie protonů a neutronů v jádře je mnohem větší než ta, která váže atomy na molekuly, a lze ji doslova zvážit pomocí velkého Einsteinova vzorce E = mc 2: hmotnost atomového jádra je znatelně menší než hmotnost jednotlivých protonů a neutronů, které jej tvoří. Tuna jaderného paliva proto nahradí mnoho milionů tun ropy. Fúze se však nazývá termonukleární z nějakého důvodu: Abyste překonali elektrostatické odpuzování, když se spojí dvě kladně nabitá atomová jádra, musíte je řádně urychlit, tj. Zahřát jaderné palivo na stovky milionů stupňů (pamatujte že teplota je mírou kinetické energie částic). Ve skutečnosti už při takových teplotách nemáme co do činění s plyny nebo kapalinami, ale se čtvrtým stavem hmoty - plazmatem, ve kterém nejsou žádné neutrální atomy, ale pouze elektrony a ionty.

V přírodě takové podmínky vhodné pro syntézu existují pouze ve vnitřcích hvězd. Slunce vděčí za svoji energii takzvanému heliovému cyklu reakcí: fúzi jádra helia-4 z protonů. V obřích hvězdách a během výbuchů supernovy se rodí těžší prvky, které tvoří celou škálu prvků ve vesmíru. (Pravda, věří se, že část helia mohla vzniknout přímo u zrodu Vesmíru, během Velkého třesku.) Slunce v tomto smyslu není nejúčinnějším generátorem, protože hoří dlouho a pomalu: proces je zpomalen první a nejpomalejší fúzní reakcí dvou protonů s deuteriem. Všechny následující reakce probíhají mnohem rychleji a okamžitě spotřebují dostupné deuterium a v několika fázích jej převádějí na jádra helia. V důsledku toho, i když předpokládáme, že se na syntéze podílí pouze jedna setina sluneční hmoty v jejím jádru, uvolňování energie je pouze 0,02 wattů na kilogram. Je to však právě tato pomalost, vysvětlovaná především malou, hvězdnými standardy, hmotností svítidla (Slunce patří do kategorie subwarfů) a zajišťováním stálosti toku sluneční energie po mnoho miliard let, vděčíme za samotnou existenci života na Zemi. U obřích hvězd je transformace hmoty na energii mnohem rychlejší, ale ve výsledku se za desítky milionů let úplně spálí, aniž by vůbec měli čas skutečně získat planetární systémy.

Po koncepci termonukleární fúze v laboratoři se člověk chystá přelstít přírodu tímto způsobem a vytvořit účinnější a kompaktnější generátor energie než Slunce. Můžeme však zvolit mnohem snáze proveditelnou reakci - syntézu helia ze směsi deuterium -tritium. Plánuje se, že projektovaný mezinárodní termonukleární reaktor - tokamak ITER bude schopen dosáhnout prahu zapálení, který je však stále velmi, velmi daleko od komerčního využití termonukleární energie (viz „Věda a život“ č. 2001, ). Hlavním problémem, jak víte, je udržovat plazmu zahřátou na požadovanou teplotu. Jelikož žádná zeď nemůže uniknout destrukci při takové teplotě, pokoušejí se udržet oblak plazmy magnetickým polem. Ve vodíkové bombě je problém vyřešen výbuchem malého atomového náboje, který směs stlačí a ohřeje na požadovaný stav, ale tato metoda není příliš vhodná pro mírovou generaci energie. (Vyhlídky na takzvanou výbušnou energii viz Věda a život, č. 7, 2002)

Hlavní nevýhodou reakce deuterium-tritium je vysoká radioaktivita tritia, která má poločas rozpadu pouze 12,5 roku. To je nejšpinavější z dostupných reakcí, a to natolik, že v průmyslovém reaktoru bude nutné každých několik let měnit vnitřní stěny spalovací komory kvůli radiační destrukci materiálu. Je pravda, že nejškodlivější radioaktivní odpad, vyžadující neurčitý pohřeb hluboko v podzemí kvůli dlouhé době rozpadu, se během syntézy vůbec netvoří. Dalším problémem je, že uvolněná energie je unášena hlavně neutrony. Tyto částice, které nemají elektrický náboj, si nevšimnou elektromagnetického pole a obecně s látkou dobře neinteragují, takže není snadné z nich odebírat energii.

Fúzní reakce bez tritia, například za účasti deuteria a helia-3, jsou prakticky bezpečné pro záření, protože používají pouze stabilní jádra a neprodukují nepohodlné neutrony. K „zapálení“ takové reakce je však nutné, kompenzovat nižší rychlost syntézy, zahřát plazmu desetkrát více - až na miliardu stupňů (současně vyřešit problém jejího uvěznění)! Proto jsou dnes takové možnosti považovány za základ budoucích termonukleárních reaktorů druhé generace po deuterium-tritiu. Myšlenka této alternativní termonukleární energie však získala nečekané spojence. Příznivci kolonizace vesmíru považují helium-3 za jeden z hlavních ekonomických cílů měsíční expanze, který by měl splňovat potřeby lidstva pro čistou termonukleární energii.

KDE? NEBO SLUNEČNÍ HOST

Na první pohled by neměly být problémy s tím, kde získat helium: je to druhý nejhojnější prvek ve vesmíru a relativní obsah světelného izotopu v něm je o něco menší než jedna tisícina. Pro Zemi je však helium exotické. Je to velmi těkavý plyn. Země ho svou gravitací neudrží a téměř všechno primární helium, které na něj dopadlo z protoplanetárního oblaku při vzniku sluneční soustavy, se vrátilo z atmosféry zpět do vesmíru. Dokonce i helium bylo poprvé objeveno na Slunci, proto bylo pojmenováno na počest starověkého řeckého boha Helia. Později byl nalezen v minerálech obsahujících radioaktivní prvky a nakonec byl zachycen v atmosféře mezi jinými vzácnými plyny. Pozemské helium není ve svém původu hlavně kosmické, ale sekundární záření: během rozpadu radioaktivních chemických prvků odlétají částice alfa - jádra helium -4. Hélium-3 tímto způsobem nevzniká, a proto je jeho množství na Zemi zanedbatelné a počítá se doslova v kilogramech.

Je možné se zásobit heliem kosmického původu (s relativně vysokým obsahem helia -3) v atmosférách Uranu nebo Neptunu - planet dostatečně velkých, aby udržely tento světelný plyn, nebo na Slunci. Ukázalo se, že je snazší se přiblížit slunečnímu héliu: celý meziplanetární prostor je naplněn slunečním větrem, ve kterém je 3 000 alfa částic pro 70 tisíc protonů-jádra hélia-4 a jedno jádro hélia-3. Tento vítr je extrémně vzácný, podle pozemských měřítek je skutečným vakuem a není možné jej zachytit „sítí“ (viz Věda a život, č. 7, 2001). Sluneční plazma se však usazuje na povrchu nebeského tělesa, která nemají magnetosféru a atmosféru, například na Měsíci, a proto je možné vyprázdnit nějakou přirozenou past, pravidelně doplňovanou za poslední čtyři miliardy let. V důsledku plazmového bombardování několik set milionů tun na Měsíc dopadlo helium-3. povrch Měsíce, pak by kromě 5 gramů helia-3 na každý metr čtvereční povrchu bylo v průměru dalších 100 kilogramů vodíku a 16-helium-4. Z toho množství by bylo možné vytvořit celkem slušnou atmosféru, jen o málo vzácnější než marťanskou, nebo oceán tekutého plynu hluboký dva metry!

Na Měsíci však nic takového není a jen velmi malá část iontů slunečního větru navždy zůstává v horní vrstvě měsíční půdy - regolitu. Studie měsíční půdy přivezené na Zemi sovětskými stanicemi Luna a americkými stanicemi Apollo ukázaly, že helium-3 obsahuje asi 1/100miliontou část neboli 0,01 gramu na 1 tunu. A celkem je na Měsíci asi milion tun tohoto izotopu, hodně podle pozemských měřítek. Při současné úrovni světové spotřeby energie by měsíční palivo stačilo na 10 tisíc let, což je zhruba desetkrát více, než je energetický potenciál veškerého obnovitelného chemického paliva (plyn, ropa, uhlí) na Zemi.

TAK JAKO? NEBO „VE VÝROBNÍCH GRAMÁCH, ZA ROK PRÁCE“

Na Měsíci bohužel nejsou žádná „jezera“ helia, je víceméně rovnoměrně rozptýlena po celé povrchové vrstvě. Přesto je z technického hlediska těžební proces vcelku jednoduchý a do detailů rozvinutý nadšenci kolonizace Měsíce (viz například www.asi.org).

Aby byl splněn současný roční energetický požadavek Země, je nutné přivézt z Měsíce jen asi 100 tun helia-3. Právě toto číslo odpovídá třem nebo čtyřem letům raketoplánů - raketoplánů a fascinuje svou dostupností. Nejprve však musíte vykopat asi miliardu tun měsíční půdy - ne tak velké množství podle standardů těžebního průmyslu: například ve světě se ročně vytěží dvě miliardy tun uhlí (v Rusku - asi 300 milionů tun). Obsah helia-3 ve skále samozřejmě není příliš vysoký: například vývoj ložisek je považován za ekonomicky efektivní, pokud obsahují alespoň několik gramů zlata a nejméně dva karáty (0,4 g) diamantů na tón. V tomto smyslu lze helium-3 srovnávat pouze s radia, kterého bylo od začátku dvacátého století získáno jen několik kilogramů: po zpracování tuny čistého uranu se získá pouze 0,4 gramu radia, nemluvě problémy těžby samotného uranu. Na začátku minulého století, v období romantického přístupu k radioaktivitě, bylo radium docela populární a známé nejen fyzikům, ale i textařům: připomeňme si větu VV Mayakovského: „Poezie je stejná extrakce radia . Gram těžby, rok práce „... Na druhou stranu je helium -3 dražší než téměř jakákoli látka používaná lidmi - jedna tuna by stála nejméně miliardu dolarů, pokud by byl energetický potenciál helia přepočítán na ekvivalent ropy za příklepovou cenu 7 dolarů za barel .

Plyn se snadno oddělí od regolitu zahřátého na několik stovek stupňů, řekněme pomocí zrcadla koncentrujícího sluneční paprsky. Nezapomínejme, že stále musíme oddělit helium-3 od mnohem většího množství jiných plynů, hlavně od helia-4. To se provádí ochlazením plynů na kapalný stav a využitím nevýznamného rozdílu v bodech varu izotopů (4,22 K pro helium-4 nebo 3,19 K pro helium-3). Další elegantní separační metoda je založena na využití vlastnosti superfluidity kapalného hélia-4, které může nezávisle protékat svislou stěnou do sousední nádoby a zanechávat za sebou pouze nesuperidní hélium-3 (viz Věda a život č. 2, 2004).

Bohužel, to vše bude muset být provedeno v bezvzduchovém prostoru, nikoli ve „skleníkových“ podmínkách Země, ale na Měsíci. Budeme tam muset přemístit několik těžebních měst, což v podstatě znamená kolonizaci měsíce. Nyní stovky specialistů monitorují bezpečnost několika kosmonautů na oběžné dráze Země a posádka se může na Zemi kdykoli vrátit. Pokud se desítky tisíc lidí ocitnou ve vesmíru, budou muset žít ve vakuu sami, bez podrobného dohledu od Země, a zajistit si vodu, vzduch, palivo a základní stavební materiály. Na Měsíci je však dostatek vodíku, kyslíku a kovů. Mnoho z nich lze získat jako vedlejší produkt těžby helia. Pak se pravděpodobně helium-3 může stát výnosnou komoditou pro obchod se Zemí. Ale protože lidé v tak obtížných podmínkách budou potřebovat mnohem více energie než pozemšťané, mohou se lunární zásoby helia-3 našim potomkům zdát ne tak neomezené a atraktivní.

Mimochodem, pro tento případ existuje alternativní řešení. Pokud inženýři a fyzici najdou způsob, jak se vyrovnat s uzavřením plazmy helia desetkrát teplejší, než je pro moderní tokamak nutné (úkol, který se nyní zdá být naprosto fantastický), pak zvýšením teploty jen dvakrát „zapálíme“ syntézu reakce za účasti protonů a bóru. Poté budou vyřešeny všechny problémy s palivem a za mnohem nižší cenu: v zemské kůře je více bóru než například ve stříbře nebo zlatě, je široce používán jako přísada v metalurgii, elektronice a chemii. Těžařské a zpracovatelské závody produkují různé soli obsahující bór stovky tisíc tun ročně, a pokud nemáme dostatečné zásoby na souši, pak každá tuna mořské vody obsahuje několik gramů boru. A ten, kdo má v domácí lékárničce láhev kyseliny borité, může uvažovat o tom, že má vlastní energetickou rezervu pro budoucnost.

Literatura

Bronstein MP solární látka. - Terra Book Club, 2002.

Měsíční půda z moře hojnosti. - Moskva: Nauka, 1974.

Ilustrační titulky

Obr. 1. Cyklus heliových reakcí jaderné fúze začíná fúzí dvou protonů do jádra deuteria. V dalších fázích se tvoří složitější jádra. Napišme si prvních pár nejjednodušších reakcí, které budeme v budoucnu potřebovat.
p + p → D + e - + n
D + D → T + p nebo
D + D → 3 He + n
D + T → 4 He + n
D + 3 He → 4 He + 2p
p + 11 Be → 3 4 He
Rychlost reakce je určena pravděpodobností překonání elektrostatické bariéry, když se k sobě přiblíží dva kladně nabité ionty, a pravděpodobností vlastní jaderné fúze (takzvaný interakční průřez). Zejména čím vyšší je kinetická energie jádra a čím nižší je jeho elektrický náboj, tím je pravděpodobnější, že projde elektrostatickou bariérou, a tím vyšší bude reakční rychlost (viz graf). Klíčový parametr teorie termonukleární energie - kritérium reakce vznícení - určuje, při jaké hustotě a teplotě plazmatického paliva energie uvolněná během fúze (úměrně rychlosti reakce vynásobené hustotou plazmy a dobou hoření) překročí náklady na ohřev plazmy s přihlédnutím ke ztrátám a účinnosti ... Reakce deuteria a tritia má nejvyšší rychlost, a aby se dosáhlo zapálení, musí být plazma s koncentrací asi 1014 cm -3 zahřátá na jeden a půl sta milionů milionů stupňů a udržována po dobu 1-2 sekund. Aby se dosáhlo kladné energetické bilance v reakcích na jiné složky - helium -3 nebo bór, musí být nižší rychlost kompenzována zvýšením teploty a hustoty plazmy desetinásobně. Ale při úspěšné srážce dvou jader se uvolní energie, která je tisíckrát větší než energie vynaložená na jejich ohřev. Počáteční reakce heliového cyklu, tvořící ve slunečním jádru deuterium a tritium, postupují tak pomalu, že odpovídající křivky nespadly do pole tohoto grafu.

Obr. 2. Sluneční vítr je proud vzácného plazmatu neustále proudícího ze slunečního povrchu do meziplanetárního prostoru. Vítr unáší jen asi 3x10-14 hmotností Slunce za rok, ale ukazuje se, že je hlavní složkou meziplanetárního média, vytlačující mezihvězdné plazma z blízkosti Slunce. Tak vzniká heliosféra - jakási bublina o poloměru asi sto astronomických jednotek, pohybující se se Sluncem mezihvězdným plynem. Astronomové doufají, že se k jeho hranici nyní blíží americké satelity Voyager 1 a Voyager 2, které se brzy stanou první kosmickou lodí, která opustila sluneční soustavu. Sluneční vítr byl poprvé objeven sovětskou meziplanetární stanicí Luna-2 v roce 1959, ale nepřímý důkaz o přítomnosti korpuskulárního toku přicházejícího ze Slunce byl znám již dříve. Obyvatelé Země vděčí za své magnetické bouře slunečnímu větru (viz Věda a život, č. 7, 2001). V blízkosti oběžné dráhy Země vítr obsahuje v průměru jen šest iontů na centimetr krychlový a pohybuje se neuvěřitelnou rychlostí 450 km / s, což však v měřítku sluneční soustavy není tak rychlé: trvá to tři dny na cestu na Zemi. Sluneční vítr tvoří 96% protonů a 4% jader hélia. Příměs ostatních prvků je zanedbatelná.

Obr. 3. Lunární regolit je poměrně volná vrstva několik metrů silná na měsíčním povrchu. V zásadě se skládá z malých úlomků o průměrné velikosti menší než jeden milimetr, nahromaděných za miliardy let v důsledku zničení měsíčních hornin v důsledku teplotních změn a dopadů meteoritů. Studie měsíční půdy ukázaly, že čím více oxidů titanu v regolitu, tím více atomů helia.

Obr. 4. Přítomnost titanu v vrstvě blízkého povrchu je docela snadno detekovatelná vzdálenou spektroskopickou analýzou (červená na pravém obrázku obrázku získaného satelitem Clementine), a tak je získána mapa „usazenin“ helia, která, obecně se shodují s polohou měsíčních moří.

Obr. 5. K těžbě jedné tuny helia-3 je nutné zpracovat povrchovou vrstvu regolitu na ploše nejméně 100 kilometrů čtverečních. Cestou bude možné získat značné množství dalších plynů, které budou užitečné pro uspořádání života na Měsíci. Výkresy převzaty z webu

Obsahuje dva protony a dva neutrony.

Kolegiátní YouTube

1 / 5

✪ Helium je SUPERFLUID A COOLEST ITEM!

✪ Superfluidní helium. University of Stuttgart

✪ Vyhlídky na termonukleární energii (říká fyzik Anton Tyulyusov)

✪ Operace „Helium“

✪ Operace „Helium“. 3. série

Titulky

Chci vám doporučit kanál Andrey Stepy, natáčí video kurz organické chemie pro stupeň 10, nyní je na jeho kanálu k dispozici více než 40 videí na 12 témat, přihlaste se k odběru kanálu Andrey a publikujte a hrajte o 100 bodů a dnes vám tedy povím o nejběžnějším vzácném plynu v pozorovatelném vesmíru, který navíc může stále získávat jedinečné superfluidní vlastnosti za extrémně nízkých teplot, setkat se s héliem v periodické tabulce, tento prvek je v pravém horním rohu, je je velmi snadné ho najít pod číslem 2, domnívám se, že dnes lidé tento inertní plyn poznávají již od dětství, protože díky své lehkosti ve vztahu ke vzduchu je helium vynikající pro nafukování prázdninových balónků, které mají děti tak rády, to vše je způsobeno na skutečnost, že molární hmotnost helia je asi sedmkrát menší než molární hmotnosti vzduchu, ale přesto, pokud jde o výskyt gelů na Zemi, je ve vzduchu extrémně vzácný, je to pouze jedna část na milion lithium pro stejné koule padá na zemní plyn, ve kterém může koncentrace helia dosáhnout až sedm procent hmotnosti, a to vše proto, že v důsledku radioaktivního rozpadu uranu nebo thoria v zemské kůře se helium může hromadit v podzemních dutinách s přírodním plyn a neuniknout do atmosféry, vezmete -li však ve větším měřítku, buď v celém pozorovatelném vesmíru, nebo zaujme čestné druhé místo v prevalenci mezi všemi prvky, ustupuje pouze vodíku a tvoří současně asi čtvrtinu ze všech atomů, představte si, že všechny atomy těžší než gel tvoří pouze dvě procenta hmotnosti celé hmoty hmoty, tady můžete cítit, jak jsme na měřítku vesmíru malí, hlavní část případu je v složení hvězd nebo v atmosféře plynových obrů, ve kterých je jako v celém vesmíru podle dnešních údajů obsaženo asi 20 procent hmoty, hlavní část gelu ve vesmíru vznikla během velkého třesku asi 14 miliard před lety vraťme se nyní z nebe na Zemi a zvažme vlastnosti tohoto plynu v hmatatelnějším experimentu Mám malou ampulku helia, která je při velmi nízkém tlaku asi na jednu setinu atmosférického tlaku, je jasné, že gel nemá kromě toho stále nemá chuť ani vůni, můžete zjistit, jestli jste se někdy pokoušeli dýchat tento plyn, ale takové experimenty jsou extrémně nebezpečné, protože naše buňky nedýchají helium, potřebují k tomu kyslík, což dokonce donutilo současné prodejce gelu balónky pro balónky přidávají až 20 procent kyslíku, na kterém jste viseli , jehož jas bude záviset na napětí a na průměru ampule Použil jsem generátor dpla jako zdroj napětí, o kterém jsem věděl a co mi dalo příležitost držet ampulku přímo v ruce a na přítomnost elektrické kapacity v mém těle v v zásadě, jako každé jiné, na rozdíl od něj, na nebo xenonu, helium vzplane již ve vzdálenosti od generátorového drátu, protože má méně ionizační energie, bohužel z chemického hlediska vůbec nesvítí zajímavými vlastnostmi, nereaguje téměř s žádnou látkou, přestože stále ve formě plazmy je podobný tomu, co vidíte v ampulce, gely mohou tvořit extrémně nestabilní sloučeninu s vodíkem, deuteriem nebo některými kovy a při vysokých tlacích, které z dusíku a heliosu vznikají tisíce atmosfér i speciální látky, které ve formě krystalů lze pěstovat na diamantových substrátech, jen je škoda, že všechny tyto látky jsou velmi nestabilní a za normálních podmínek je téměř nemožné je vidět, ale vy není třeba se rozčilovat, protože gel má ze všech plynů nejzajímavější a jedinečné fyzikální vlastnosti, faktem je, že když se ochladí na teplotu 42 kelvinů, stane se vlastně nejlehčí a také nejchladnější kapalinou, jejíž hustota je téměř 10krát Méně než hustota vody ve stupních Celsia se kapalné helium získává při šílených minus dvou stech šedesáti osmi stupních, což je velmi chladno, tak chladno, že některé kovy se při takové teplotě stávají supravodiči, jako je rtuť nebo niob, aby se udržely tak nízké teploty, kapalné hélium je ve dvojité dewarové nádobě, která je stále ochlazována z vnějšího kapalného dusíku, stejná technologie pro chlazení kapalného hélia se používá v moderních zařízeních k vytváření jaderné magnetické rezonance v nich supravodičů, sloučenina nióbu je chlazena tekuté hélium, které je vzhledem ke svým vysokým nákladům zase chlazeno levnějším kapalným dusíkem, tedy tekutým gelem a slouží medicíně a také pro výzkum vědců, ale to nejzajímavější teprve přijde, než jsem vám řekl o první formě kapalného hélia, takzvaného hélia 1, ale pokud ho začnete ochlazovat snížením tlaku v nádobě, pak se tekuté hélium nakonec dostane pod tzv.

Prevalence

Otevírací

Existenci helia-3 vyslovil hypotézu australský vědec Mark Oliphant při práci na univerzitě v Cambridgi v. Tento izotop nakonec objevili Luis Alvarez a Robert Kornog.

Fyzikální vlastnosti

Přijímání

V současné době není helium-3 extrahováno z přírodních zdrojů (na Zemi je k dispozici nevýznamné množství helia-3, které je extrémně obtížné extrahovat), ale vzniká během rozpadu uměle získaného tritia.

Cena

Průměrná cena helia-3 v roce 2009 byla podle některých odhadů asi 930 USD za litr.

Plány na výrobu helia-3 na Měsíci

Helium-3 je vedlejším produktem reakcí probíhajících na Slunci a je v určitém množství obsaženo ve slunečním větru a meziplanetárním médiu. Helium-3 vstupující do zemské atmosféry z meziplanetárního prostoru se rychle rozptýlí zpět, jeho koncentrace v atmosféře je extrémně nízká

Hypoteticky, během termonukleární fúze, kdy do reakce vstupuje 1 tuna helia-3 s 0,67 tunami deuteria, se uvolňuje energie ekvivalentní spalování 15 milionů tun ropy (technická proveditelnost této reakce však dosud nebyla studována) . V důsledku toho by měsíční zdroj helia-3 (podle maximálních odhadů) mohl obyvatelstvu naší planety stačit zhruba na pět tisíciletí. Hlavním problémem zůstává realita produkce helia z lunárního regolitu. Jak již bylo zmíněno výše, obsah helia-3 v regolitu je ~ 1 g na 100 tun. Proto k extrakci tun tohoto izotopu by mělo být na místě zpracováno nejméně 100 milionů tun půdy.

Používání

Neutronové čítače

K detekci neutronů se používají plynoměry naplněné heliem-3. Toto je nejběžnější metoda měření toku neutronů. Je v nich reakce

n+ 3 He → 3 H + 1 H + 0,764 MeV.

Nabité reakční produkty - triton a proton - jsou zaznamenávány plynoměrem pracujícím v režimu proporcionálního čítače nebo Geiger -Mullerova čítače.

Dosažení extrémně nízkých teplot

Rozpuštěním kapalného hélia-3 v héliu-4 dosahují teploty millikelvinů.

Lék

Helium-3 jako jaderné palivo

Reakce 3 He + D → 4 He + p má řadu výhod oproti reakci deuterium-tritium T + D → 4 He + n, která je v pozemských podmínkách nejlépe dosažitelná. Mezi tyto výhody patří:

Tucetkrát nižší tok neutronů z reakční zóny, což prudce snižuje indukovanou radioaktivitu a degradaci strukturních materiálů reaktoru;
Výsledné protony, na rozdíl od neutronů, jsou snadno zachyceny a mohou být použity pro dodatečnou výrobu elektřiny, například v generátoru MHD;
Výchozí materiály pro syntézu jsou neaktivní a jejich skladování nevyžaduje zvláštní opatření;
Při havárii reaktoru s odtlakováním jádra se uvolňovací radioaktivita blíží nule.

Nevýhody reakce helium-deuterium zahrnují výrazně vyšší teplotní práh. Aby mohla začít, je nutné dosáhnout teploty asi 10 9 K kvůli Coulombově bariéře. A při nižší teplotě probíhá termonukleární reakce fúze jader deuteria navzájem mnohem snáze a k reakci mezi deuteriem a heliem-3 nedochází.

V umění

Ve sci-fi dílech (hry, filmy, anime) helium-3 někdy působí jako hlavní palivo a jako cenný zdroj, také těžený na Měsíci.

Děj britského sci-fi filmu Luna 2112 z roku 2009 je založen na provozu těžebního komplexu lunární společnosti. Komplex zajišťuje produkci izotopu helium-3, pomocí kterého bylo možné zastavit katastrofickou energetickou krizi na Zemi.

V politické komedii Železné nebe vyvolalo lunární helium-3 mezinárodní jaderný konflikt o práva na těžbu.

V anime " Planety»Helium-3 se používá jako palivo pro raketové motory atd.

Literatura

Dobbs E. R. Helium tři. -Oxford University press, 2000. ISBN 0-19-850640-6
Galimov EM Pokud máte energii, můžete získat všechno - vzácné zeminy. 2014. č. 2. S. 6-12.
The Helium-3 Shortage: Supply, Demand, and Options for Congress // FAS, 22. prosince 2010 (anglicky)

Poznámky

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

Tento izotop se plánuje těžit na Měsíci pro potřeby termonukleární energie. To je však otázka daleké budoucnosti. Přesto je helium-3 již dnes velmi žádané, zejména v medicíně.

Vladimír Teslenko

Celkové množství helia-3 v zemské atmosféře se odhaduje na pouhých 35 000 tun. Jeho dodávka od pláště do atmosféry (přes sopky a praskliny v kůře) je několik kilogramů za rok. V lunárním regolitu se helium-3 postupně akumulovalo po stovky milionů let vystavení slunečnímu větru. Výsledkem je, že tuna měsíční půdy obsahuje 0,01 g helia-3 a 28 g helia-4; tento izotopický poměr (~ 0,04%) je mnohem vyšší než v zemské atmosféře.

Ambiciózní plány na produkci helia-3 na Měsíci, o nichž vážně uvažují nejen vesmírní vůdci (Rusko a Spojené státy), ale také nováčci (Čína a Indie), jsou spojeny s nadějí, že energie se blíží na tomto izotopu. Jaderná reakce 3He + D → 4He + p má řadu výhod oproti nejvíce dosažitelné reakci deuterium-tritium T + D → 4He + n za pozemských podmínek.

Mezi tyto výhody patří desetinásobně nižší tok neutronů z reakční zóny, což výrazně snižuje indukovanou radioaktivitu a degradaci strukturních materiálů reaktoru. Kromě toho je jeden z reakčních produktů - protonů - na rozdíl od neutronů snadno zachycen a lze jej použít k další výrobě elektřiny. Přitom helium-3 i deuterium jsou neaktivní, jejich skladování nevyžaduje zvláštní opatření a v případě havárie reaktoru s odtlakováním jádra se radioaktivita uvolňování blíží nule. Hélium -deuteriová reakce má také vážnou nevýhodu - výrazně vyšší teplotní práh (pro zahájení reakce je vyžadována teplota řádově miliard stupňů).

Ačkoli je to všechno otázka budoucnosti, je dnes helium-3 velmi žádané. Pravda, ne pro energii, ale pro jadernou fyziku, kryogenní průmysl a medicínu.

Magnetická rezonance

Od svého vzniku v medicíně se zobrazování magnetickou rezonancí (MRI) stalo jednou z hlavních diagnostických metod, které vám umožňují podívat se „dovnitř“ různých orgánů bez jakéhokoli poškození.

Asi 70% hmotnosti lidského těla tvoří vodík, jehož jádro, proton, má určitý spin a s ním spojený magnetický moment. Pokud je proton umístěn ve vnějším konstantním magnetickém poli, spin a magnetický moment jsou orientovány buď podél pole, nebo k sobě navzájem, a energie protonu v prvním případě bude menší než ve druhém. Proton lze přenést z prvního stavu do druhého tak, že do něj přenesete přísně definovanou energii rovnající se rozdílu mezi těmito energetickými hladinami - například ozařováním kvantami elektromagnetického pole o určité frekvenci.

Jak magnetizovat helium-3

Nejjednodušší a nejpřímější způsob magnetizace Helium-3 je jeho ochlazení v silném magnetickém poli. Účinnost této metody je však velmi nízká, navíc vyžaduje silná magnetická pole a nízké teploty. Proto se v praxi používá metoda optického čerpání - přenos spinů na atomy helia z fotonů polarizované pumpy. V případě helia -3 k tomu dochází ve dvou fázích - optické čerpání v metastabilním stavu a výměna spinů mezi atomy helia v zemi a metastabilními stavy. Technicky je to realizováno ozařováním kruhově polarizovaným laserovým zářením buňky s heliem-3, přeměněného na metastabilní stav slabým vysokofrekvenčním elektrickým výbojem za přítomnosti slabého magnetického pole. Polarizované helium lze skladovat v nádobě vystlané cesiem při tlaku 10 atmosfér přibližně 100 hodin.

Přesně tak funguje skener MRI, pouze detekuje ne jednotlivé protony. Pokud umístíte vzorek obsahující velký počet protonů do silného magnetického pole, pak bude počet protonů s magnetickým momentem směřujícím podél pole a opačně k poli přibližně stejný. Pokud začnete tento vzorek ozařovat elektromagnetickým zářením přísně definované frekvence, všechny protony s magnetickým momentem (a otáčením) „podél pole“ se převrátí a zaujmou polohu „směrem k poli“. V tomto případě dochází k rezonanční absorpci energie a během procesu návratu do původního stavu, nazývaného relaxace, opětovné emise přijaté energie, kterou lze detekovat. Tento jev se nazývá nukleární magnetická rezonance, NMR. Průměrná polarizace látky, na které závisí užitečný signál v NMR, je přímo úměrná síle vnějšího magnetického pole. Pro příjem signálu, který lze detekovat a oddělit od šumu, je zapotřebí supravodivý magnet - pouze ten může vytvořit magnetické pole s indukcí řádově 1-3 T.

Magnetický plyn

Skener MRI „vidí“ akumulaci protonů, proto je vynikající pro studium a diagnostiku měkkých tkání a orgánů obsahujících velké množství vodíku (hlavně ve formě vody) a také umožňuje rozlišit magnetické vlastnosti molekul. Tímto způsobem můžete, řekněme, odlišit arteriální krev obsahující hemoglobin (hlavní nosič kyslíku v krvi) od žilní krve obsahující paramagnetický deoxyhemoglobin - na tom je založeno fMRI (funkční MRI), které vám umožňuje sledovat aktivitu mozkové neurony.

Ale bohužel, taková úžasná technika, jako je MRI, je zcela nevhodná pro studium vzduchem naplněných plic (i když jsou naplněny vodíkem, signál z plynného média s nízkou hustotou bude na pozadí šumu příliš slabý). A měkké tkáně plic nejsou pomocí MRI příliš dobře viditelné, protože jsou „porézní“ a obsahují málo vodíku.

Je možné toto omezení obejít? Pokud používáte „magnetizovaný“ plyn, můžete - v tomto případě nebude průměrná polarizace určena vnějším polem, protože všechny (nebo téměř všechny) magnetické momenty budou orientovány jedním směrem. A to vůbec není fikce: v roce 1966 obdržel francouzský fyzik Alfred Kastler Nobelovu cenu s formulací „Za objev a vývoj optických metod pro studium Hertzových rezonancí v atomech“. Zabýval se problematikou optické polarizace spinových systémů - tedy jen „magnetizace“ plynů (zejména helium -3) pomocí optického čerpání s rezonanční absorpcí fotonů s kruhovou polarizací.

Jaderná magnetická rezonance využívá magnetické vlastnosti vodíkových jader - protonů. Bez vnějšího magnetického pole jsou magnetické momenty protonů orientovány libovolně (jako na prvním obrázku). Když je aplikováno silné magnetické pole, magnetické momenty protonů jsou orientovány rovnoběžně s polem - buď „podél“ nebo „směrem“. Tyto dvě polohy mají různé energie (2). Radiofrekvenční impuls s rezonanční frekvencí odpovídající rozdílu energií „převrací“ magnetické momenty protonů „směrem“ k poli (3). Po skončení vysokofrekvenčního impulsu dojde k reverznímu „převrácení“ a protony vyzařují na rezonanční frekvenci. Tento signál je přijímán radiofrekvenčním systémem tomografu a počítač jej používá k vytvoření obrazu (4).

Dýchej z hluboka

Skupina vědců z Princetonu a New York University ve Stony Brook byla průkopníkem používání polarizovaných plynů v medicíně. V roce 1994 vědci publikovali článek v časopise Nature, který poprvé ukázal obraz MRI myší plíce.

Je pravda, že MRI není zcela standardní - technika byla založena na reakci nikoli vodíkových jader (protonů), ale jader xenonů -129. Plyn navíc nebyl úplně obyčejný, ale hyperpolarizovaný, to znamená, že byl předem „magnetizován“. Zrodila se tedy nová diagnostická metoda, která se brzy začala používat v humánní medicíně.

Hyperpolarizovaný plyn (obvykle smíchaný s kyslíkem) vstupuje do nejvzdálenějších rohů plic, což umožňuje získat obraz MRI s rozlišením řádově vyšším než nejlepší rentgenové snímky. Můžete dokonce vytvořit podrobnou mapu parciálního tlaku kyslíku v každé oblasti plic a poté učinit závěr o kvalitě průtoku krve a difúzi kyslíku v kapilárách. Tato technika vám umožňuje studovat povahu ventilace u astmatiků a řídit dýchací proces kritických pacientů na úrovni plicních sklípků.

Jak funguje MRI. Skener MRI detekuje shluky protonů - jádra atomů vodíku. MRI proto ukazuje rozdíly v obsahu vodíku (hlavně vody) v různých tkáních. Existují další způsoby, jak odlišit jednu tkáň od druhé (řekněme rozdíly v magnetických vlastnostech), které se používají ve specializovaných studiích.

Tím výhody magnetické rezonance pomocí hyperpolarizovaných plynů nekončí. Protože je plyn hyperpolarizovaný, ukazuje se, že úroveň užitečného signálu je mnohem vyšší (asi 10 000krát). To znamená, že není potřeba supersilných magnetických polí, a vede to k návrhu takzvaných nízkopólových MR tomografů-jsou levnější, mobilnější a mnohem prostornější. V takových instalacích se používají elektromagnety, které vytvářejí pole řádově 0,005 T, což je stokrát slabší než standardní MR tomografy.

Malá překážka

Ačkoli první experimenty v této oblasti byly prováděny s hyperpolarizovaným xenonem-129, brzy byl nahrazen heliem-3. Je neškodný, umožňuje získat jasnější obrázky než xenon-129, má trojnásobek magnetického momentu, což má za následek silnější signál v NMR. Kromě toho je obohacení xenonu-129 v důsledku blízkosti hmoty jinými xenonovými izotopy nákladný proces a dosažitelná polarizace plynu je výrazně nižší než u helium-3. Kromě toho má xenon-129 sedativní účinek.

Pokud jsou ale tomografy s nízkým polem jednoduché a levné, proč se nyní metoda MRI s hyperpolarizovaným heliem nepoužívá na každé klinice? Je tu jedna překážka. Ale co!

Dědictví studené války

Jediný způsob, jak získat helium-3, je rozpad tritia. Velká část zásob 3H vděčí za svůj původ rozpadu tritia produkovaného během závodu jaderných zbraní během studené války. Do roku 2003 Spojené státy nashromáždily asi 260 000 litrů „surového“ (nevyčištěného) helia-3 a do roku 2010 zůstalo pouze 12 000 litrů nepoužitého plynu. Vzhledem k rostoucí poptávce po tomto vzácném plynu byla v roce 2007 dokonce obnovena produkce omezeného množství tritia a do roku 2015 se plánuje příjem dalších 8 000 litrů helia-3 ročně. Roční poptávka po něm je přitom již nejméně 40 000 litrů (z toho se v medicíně používá pouze 5%). V dubnu 2010 dospěl americký výbor pro vědu a technologii k závěru, že nedostatek helia-3 by měl v mnoha oblastech skutečné negativní důsledky. I vědci pracující v americkém jaderném průmyslu mají potíže se získáváním helia-3 z vládních rezerv.

Míchání chlazení

Dalším průmyslem, které se neobejde bez helia-3, je kryogenní průmysl. K dosažení ultranízkých teplot, tzv. rozpouštěcí lednice, která využívá efektu rozpuštění hélia-3 v héliu-4. Při teplotách pod 0,87 K se směs rozdělí na dvě fáze-bohaté na helium-3 a helium-4. Přechod mezi těmito fázemi vyžaduje energii, a to umožňuje ochlazení na velmi nízké teploty - až 0,02 K. Nejjednodušší takové zařízení má dostatečnou zásobu helia -3, které se postupně přes rozhraní pohybuje do fáze bohaté na helium -4 s absorpcí energie ... Jakmile dojde zásoba helia -3, zařízení nebude moci dále fungovat - je „jednorázové“.
Tato metoda chlazení byla použita zejména v orbitální observatoři Planck Evropské vesmírné agentury. Planck měl za úkol zaznamenat anizotropii CMB (s teplotou asi 2,7 K) s vysokým rozlišením pomocí 48 HFI (High Frequency Instrument) bolometrických detektorů ochlazených na 0,1 K. chladicí systém byl vyčerpán, „Planckovi“ se podařilo pořídit 5 snímků oblohy v mikrovlnném rozsahu.

Aukční cena helia-3 se pohybuje kolem 2 000 dolarů za litr, aniž by byl pozorován sestupný trend. Nedostatek tohoto plynu je způsoben skutečností, že většina helia-3 se používá k výrobě detektorů neutronů, které se používají v zařízeních pro detekci jaderných materiálů. Takové detektory registrují neutrony reakcí (n, p) - zachycením neutronu a emisí protonu. A aby bylo možné detekovat pokusy o dovoz jaderného materiálu, je zapotřebí mnoho takových detektorů - stovky tisíc kusů. Z tohoto důvodu se helium-3 stalo fantasticky drahým a nedostupným pro masovou medicínu.

Existuje však naděje. Je pravda, že nejsou přiřazeny k lunárnímu héliu-3 (jeho produkce zůstává vzdálenou perspektivou), ale k tritiu, které se tvoří v těžkovodních reaktorech typu CANDU, které jsou provozovány v Kanadě, Argentině, Rumunsku, Číně a na jihu Korea.