Поиск  Пользователи  Правила 
Закрыть
Логин:
Пароль:
Забыли свой пароль?
Регистрация
Войти
 
Страницы: 1 2 3 4 5 ... 135 След.
RSS
Лунный гелий-3 или Все пути ведут на Луну
 
В последнее время резко усилился интерес к лунному гелию-3. Его упоминают и американцы в качестве одной из целей своей лунной программы, и представители нашего Росавиакосмоса тоже стали поговаривать (например, Севастьянов).

Реакция околокосмической общественности и просто интересующихся, как правило, скептическая. Скептическая без аргументов, "просто так". Кто говорит - нереально, кто - реально, но экономически невыгодно, кто-то (как Черток) считает лунный гелий лишь хорошим поводом для развития космонавтики. А как всё обстоит на самом деле? Давайте внесём ясность.

Возникает закономерный вопрос - "А для чего, собственно?" (с) Михаил Анчаров, "Сода-солнце".
Разобъём этот вопрос на две части: 1) Почему, собственно, гелий-3? и 2) Почему, собственно, лунный гелий-3?
 
[u:d1dd62ed08]1. Почему, собственно, гелий-3?[/u:d1dd62ed08]

[u:d1dd62ed08]Гелий-3 позволит создать абсолютно безопасную энергетику, обеспеченную практически неограниченными запасами топлива. [/u:d1dd62ed08]

Термоядерная энергетика, использующая реакцию дейтерий-тритий (наиболее легко осуществимую), хоть и гораздо более безопасна, чем ядерная энергетика деления, всё же имеет ряд существенных недостатков. Основной - это большое число высокоэнергетичных нейтронов (число нейтронов на единицу мощности на порядок больше, чем у реакторов деления, энергия нейтронов примерно в 7 раз выше). Такого нейтронного потока ни один из известных материалов не может выдержать в течение срока больше [u:d1dd62ed08]3-6 лет [/u:d1dd62ed08]- при том, что ресурс реактора должен быть не меньше [u:d1dd62ed08]30 лет[/u:d1dd62ed08]. Значит, первую стенку тритиевого термоядерного реактора необходимо регулярно заменять - а это очень сложная и недешёвая процедура, связанная к тому же с остановкой реактора на довольно длительный срок. Далее, от мощного нейтронного излучения необходимо экранировать магнитную систему реактора - это усложняет конструкцию и удорожает её. Многие элементы конструкции тритиевого реактора после окончания эксплуатации будут высокоактивными и потребуют захоронения на длительный срок. Источников трития в природе нет, тритий придётся нарабатывать непосредственно на реакторе => возня с радиохимией, дополнительные сложности. Кроме того, в реакции D-T 80% энерговыхода приходится на нейтроны, и лишь 18% - на заряженные частицы, что уменьшает КПД энергетического реактора.

В случае же использования в термоядерном реакторе реакции D-He3 положение существенно улучшается. Нейтронный поток падает в [u:d1dd62ed08]30 раз [/u:d1dd62ed08](нейтроны возникают в результате побочных реакций D-D), к тому же энергия нейтронов значительно меньше, в результате повреждения первой стенки нейтронами становятся несущественными, и срок службы в [u:d1dd62ed08]30-40 лет [/u:d1dd62ed08]можно обеспечить без труда. После окончания эксплуатации гелиевого реактора высокоактивные отходы не образуются, радиоактивность элементов конструкции будет так мала, что их можно будет захоронять буквально на городской свалке, слегка присыпав землёй. На заряженные частицы в реакции D-He3 приходится 60% энергии, еще примерно 30% - на СВЧ-излучение, которое можно эффективно преобразовать в электричество. В результате КПД гелиевого реактора существенно выше, чем тритиевого - тепловые машины почти не играют роли в производстве энергии, в основном используется прямое преобразование энергии. Не исключено также, что выход нейтронов удастся свести к нулю, нагревая лишь гелиевую компоненту плазмы.

Реакцию D-He3 осуществить сложнее, чем D-T, но дело того стоит. Сложность проведения термоядерной реакции можно характеризовать тройным произведением nTt (плотность на температуру на время удержания). По этому параметру реакция D-He3 примерно в 12-15 раз сложнее, чем D-T. Большой разрыв? Да, немаленький. Но за полвека термоядерных исследований достигнутое nTt в среднем увеличивалось [u:d1dd62ed08]в 10 раз каждые 10 лет[/u:d1dd62ed08]. Для справки: в 1990-м году на европейском токамаке JET уже жгли гелий-3, полученная мощность - [u:d1dd62ed08]140 кВт[/u:d1dd62ed08]. Примерно тогда же на американском токамаке TFTR была достигнута температура [u:d1dd62ed08]35 кэВ[/u:d1dd62ed08], что уже довольно близко к температуре, необходимой для реакции D-He3 (от 50 до 100 кэВ). Да, 140 кВт - мощность небольшая, и разумеется, на зажигание потрачено значительно больше энергии, чем было получено в результате реакции - но JET не был заточен под положительный энерговыход не то что на гелии-3, но даже и на тритии (хотя после реконструкции установки в 1996-м на нём всё же получили на тритии положительный энерговыход, [u:d1dd62ed08]Q=1,01[/u:d1dd62ed08]). Таким образом, принципиальная осуществимость реакции сомнений не вызывает, и со всех точек зрения гелиевый термоядерный реактор может быть создан в течении 20-30 лет.
 
[u:560a175792]2. Почему, собственно, лунный гелий-3?[/u:560a175792]

Потому что на Земле гелия-3 по не вполне ясным причинам очень мало – суммарные запасы оцениваются в 4000 тонн (содержание гелия-3 в атмосферном гелии очень низко, и в гелии, получаемом из природного газа, не превосходит 2*10^-6 от He4). В принципе не исключено, что значительные количества He3 содержатся в мантии, однако доступ на глубины в десятки и сотни километров как сейчас, так и в обозримом будущем, представляется практически невозможным. Искусственное получение He3 (например, в ходе распада трития) также представляет собой сложную и дорогую задачу.

4000 тонн земных запасов - это, казалось бы, много. Однако эти 4000 тонн рассеяны в атмосфере и земной коре, так что заполучить их "в руки" просто невозможно. Более-менее доступные запасы составляют 500 кг (300 кг, образующиеся за счёт распада трития в ядерных боеголовках и тяжёлой воде реакторов CANDU и 200 кг, содержащиеся в природном газе), причём из этих пятисот реально доступны лишь первые 300 кг - He3, содержащийся в подземных запасах природного газа, извлечь весьма непросто.

Но всё же в пределах досягаемости находится богатый источник гелия-3 - как нетрудно догадаться, Луна.
Высокое содержание гелия-3 в лунном реголите еще в 1970-м году обнаружил Пепин, изучая образцы грунта, доставленные "Аполлонами", однако это обстоятельство не привлекало внимания вплоть до 1985-го года, когда термоядерщики из Висконсинского университета во главе с Дж.Кульчински "переоткрыли" лунные запасы гелия.

Анализ шести образцов грунта, привезенных экспедициями “Аполлонов” и двух образцов, доставленных “Лунами”, показал, что в реголите, покрывающем все моря и плоскогорья Луны, содержится до 10^6 тонн гелия-3, что обеспечило бы земную энергетику, даже увеличенную по сравнению с современной в несколько раз (до 6000 ГВт), на 1000 лет. По новейшим оценкам, запасы гелия-3 на Луне еще на три порядка больше – до 10^9 тонн. Гелий-3 также содержится в атмосферах планет-гигантов, и, по оценкам, запасы его только на Юпитере составляют 10^20 тонн, чего хватило бы для энергетики Земли навсегда.

Реголит покрывает Луну слоем толщиной в несколько метров (5-15 м). Реголит лунных морей богаче гелием, чем реголит плоскогорий. 1 килограмм гелия-3 содержится приблизительно в 100 000 тонн реголита.
 
[u:03bdc037d0]Технология добычи гелия-3 на Луне.[/u:03bdc037d0]

Промышленность по добыче гелия-3 должна включать следующие процессы:

[u:03bdc037d0]1. Добыча реголита.[/u:03bdc037d0]

Специальные “комбайны” должны собирать реголит с поверхностного слоя толщиною около двух метро и доставлять его на пункты переработки или же перерабатывать непосредственно в процессе добычи. Для получения 1 кг гелия-3 с энергетическим эквивалентом 6*10^5 ГДж необходимо собрать 100 000 тонн реголита, для чего требуются, по оценкам, энергозатраты порядка 2,2*10^3 ГДж.

[u:03bdc037d0]2. Десорбция гелия из реголита.[/u:03bdc037d0]

При нагреве до 600
 
[u:855e6a3a95]Экономические оценки.[/u:855e6a3a95]

В 1991 году И.Н.Головин приводил следующие грубые оценки: при топливной составляющей в 1 коп./кВт*ч цена тонны гелия-3 была бы 1 млрд. рублей. Энергетика СССР (300 ГВт в 1991 г.) потребляла бы примерно 40 тонн гелия-3 в год. В каждом полёте на Луну целесообразным было бы привозить 1/3 годовой потребности, т.е. 13-15 тонн. Если бы мы хотели иметь топливную составляющую в 1/3 коп./кВт*ч, то можно было бы допустить, чтобы каждый полёт стоил 5 млрд. рублей. Таким образом, добыча лунного гелия-3 выглядела вполне экономически окупающейся, даже с учетом стоимости разработки лунной космической системы, создания и амортизации лунной промышленности. [u:855e6a3a95]Как ни парадоксально, по энергетическому эквиваленту лунный гелий-3 может оказаться дешевле земного каменного угля.[/u:855e6a3a95]

По современным оценкам, затраты на организацию системы транспортировки стоит 3,5-4 млрд. $ + 750 млн. $ через каждые 10 рейсов к Луне. Доставка 7 тонн гелия-3 на околоземную орбиту – порядка 30 млн. $.

Некоторые цифры: в 1990-м году США потратили 50 млрд. $ на топливо для производства электроэнергии. Такое же количество энергии можно получить из 25 тонн гелия-3. Таким образом, цена в 2 млрд. $ за тонну гелия-3 была бы вполне приемлимой. Цена даже в 1 млрд. $ за тонну гелия-3 эквивалентна цене 7$ за баррель нефти или 15$ за тонну угля, что заметно ниже современных рыночных цен - 20$ за баррель и 20 $ за тонну. Значит, цена за 1 тонну гелия-3 в 1 млрд. $ и даже выше более чем приемлима.
 
Видим, что добыча гелия-3 на Луне выглядит вполне выгодной, как с чисто энергетической, так и с экономической точки зрения – разумеется, при условии, что на Земле эксплуатируется значительное число термоядерных реакторов, сжигающих гелий-3. Создание таких реакторов представляется в принципе вполне осуществимым, хотя и требует значительных усилий и времени – вряд ли меньшего, чем 20-30 лет. Большой срок? Немалый. Но такое же, если не большее, время займет и создание лунной инфраструктуры для добычи гелия-3. Значит, начинать уже сейчас - вполне разумно.
 
На что можно опереться при создании лунной базы и лунной промышленности?

В первую очередь - на спутные газы.
На 1 кг добытого гелия-3 приходится:

6000 кг H2
3000 кг Н2О
3000 кг He4
2000 кг СО2
2000 кг СО
2000 кг СН4
500 кг N2


Кроме того, на Луне в больших количествах присутствует минерал ильменит, состоящий из оксидов железа и титана. Из ильменита можно получить кислород либо путём нагрева до температур выше 700 С, либо электролизом (при этом на одном электроде выделяется кислород, на другом - чистое железо).

Из реголита также можно производить цемент. Таким образом, на Луне есть всё для изготовления бетона.

Растения на реголите неплохо растут - есть основа для лунного с/х.

Не исключено наличие льда в приполярных кратерах.
Весьма интересны отдельные районы Луны (кратеры Аристарх, Платон, Тихо, море Кризисов), в которых периодически наблюдаются т.н. кратковременные лунные явления (КЛЯ). КЛЯ представляют как чисто научный, так и практический интерес - по-видимому, некоторые из них связаны с газовыми выбросами из недр Луны.

Видим, что потенциально лунная база имеет обширные "подножные" запасы для своего развития и самообеспечения.
 
Хорошая статья :) . Ссылок бы побольше, для пущей убедительности...
 
Цитата
Кстати, на этот случай есть и альтернативное решение. Если уж инженеры и физики найдут способ справиться с удержанием в десять раз более горячей, чем нужно для современного токамака, гелиевой плазмы (задача, кажущаяся сейчас совершенно фантастической), то, увеличив температуру еще всего лишь в два раза, мы "зажжем" и реакцию синтеза с участием протонов и бора. Тогда все проблемы с топливом будут решены, причем за гораздо меньшую цену: бора в земной коре больше, чем, например, серебра или золота, он широко используется как добавка в металлургии, электронике, химии. Различных боросодержащих солей горнообогатительные комбинаты выпускают сотни тысяч тонн в год, а если нам не хватит запасов на суше, то в каждой тонне морской воды содержится несколько граммов бора. И тот, у кого в домашней аптечке припасен пузырек борной кислоты, может считать, что у него есть собственный энергетический резерв на будущее.


Источник: http://nauka.relis.ru/05/0408/05408012.htm
 
Вот такой симпатишный бульдозер от Райтеон
 
avmich
Цитата
Хорошая статья :) . Ссылок бы побольше, для пущей убедительности...


Ну это же всё-таки не статья, а так, сваяно на скорую руку - вроде FAQ по теме :)

Если нужны ссылки - дам основные (см. ниже). Только, к сожалению, все они не сетевые и малодоступные - так что всё равно придётся на слово верить :)

Ссылки:
1. И.Н.Головин, "Малорадиоактивная энергетика на основе реакции D-He3", препринт Института Атомной Энергии им. Курчатова, 1991 (сейчас на руках у меня этого препринта нет, поэтому название цитирую не совсем точно).
2. Еще один препринт Головина на ту же тему, 1992.
3. Proceedings of the Workshop on D-He3 Based Reactor Studies, Moscow, 1991 (материалы как по реакторам, так и по лунному гелию).
4.В.М.Кулыгин, доклад на семинаре Института Космических Исследований (2003)
5. И др. :)
 
Факир, а почему бы из этого не сделать "комплектную" статью? Художественно оформить, для "совсем неподготовленных" или "частично"...
Опубликовать можно много где, если и не согласятся всякие бумажные (а мно-огие согласятся), то уж сетевые - наверняка. Какая-нить "Мембрана".

Во-первых, эта статья может занять место какой-нибудь журналажи, что само по себе уже хорошо.
Во-вторых, вполне реальный и заметный вклад в продвижении термояда и космонавтики в России.

Если самому сильно влом, я могу помочь.
 
...и, конечно, не забываем про гонорары! :)
 
Татарин
Цитата
Факир, а почему бы из этого не сделать "комплектную" статью? Художественно оформить, для "совсем неподготовленных" или "частично"...


Ну я в принципе подумываю об этом... Только пока не уверен - куда пристроить. Хотелось бы всё-таки в "бумажное" издание. Может быть, и "НК" заинтересуется?
И над художественным оформлением придётся поработать.

Цитата
Если самому сильно влом, я могу помочь.


Я не против :) Особенно если есть идеи, куда пристроить :wink:
 
Agent
Цитата
Вот такой симпатишный бульдозер от Райтеон


Это, однако, просто бульдозер - если использовать его при добыче гелия, то придётся свозить реголит к центрам переработки.

А вот гелиедобывающий комбайн от Дж.Кульчинского, хоть и не такой симпатичный :)

[img]%3Cnoindex%3E%3Ca href=%22http://forums.airbase.ru/index.php?act=Attach&type=post&id=17105%22 target=%22_blank%22 rel=%22nofollow%22%3Ehttp://forums.airbase.ru/index.php?act=Attach&type=post&id=17105%3C/a%3E%3C/noindex%3E[/img]
 
2Fakir

Согласен, статья хорошая. Расставляет много точек над нужными буквами.

Цитата
реакцию синтеза с участием протонов и бора. Тогда все проблемы с топливом будут решены, причем за гораздо меньшую цену


За 20-30 лет может многое измениться. Даже сейчас видно, что термояд с гелием-3 это не единственный экономически выгодный вариант добычи энергии. И что получится, когда система добычи будет построена, но не востребована в связи с развитием других технологий энергодобычи, менее сложных в реализации...
Недорогая энергия нужна уже сейчас, когда нефть растет в цене.
Что может и должно подтолкнуть к реализации других технологий.

Цитата
По современным оценкам, затраты на организацию системы транспортировки стоит 3,5-4 млрд. $ + 750 млн. $ через каждые 10 рейсов к Луне. Доставка 7 тонн гелия-3 на околоземную орбиту – порядка 30 млн. $.

Расшифровки есть?
Транспортировка гелия - это транспортировка баллонов высокого давления с гелием. Не в жидком виде же его перевозить? Масса ПН возрастает в десятки раз. Плюс аппараты, способные все это опустить на дно атмосферы.
Я согласен с тем, что систему добычи, доставки и получения энергии построить можно.
Но в абсолютной востребованности этой системы я не уверен.

Цитата

DmitriyM
Так ли это?
Кто-нибудь делал оценки стоимости килограмма лунного гелия-3, привезенного на Землю?
И его энерговыход.

См. топик http://www.novosti-kosmonavtiki.ru/phpBB2/viewtopic.php?t=2024

Про энерговыход - убедительно.
Про оценку стоимости - не очень. Рассуждения здесь конечно близки к гаданию на кофейной гуще, но IMHO 1 тонна гелия-3 на Земле по цене должна быть слегка выше 2Г$

Цитата

DmitriyM
Опять же IMHO КВС тоже неплохой способ использовать термоядерную реакцию. И без гелия-3.

Осуществимость под вопросом - это раз. Стоимость сооружения подземной камеры - под вопросом, это два. Заметное количество радиоактивной дряни, хоть и под землёй - это три. Не каждой стране такую электростанцию можно доверить - это четыре.

1. Теоретических препятствий нет.
2. На демо-котел просят 200М$ - сильно меньше ИТЕРа
3. Сам не проверял - разработчики утверждают, на порядок меньше чем у обычного атомного реактора сходной мощности. К тому же под землей.
4. Каждой стране такой реактор доверять и не нужно. Наши вояки утверждают, что ядерные материалы у нас пропасть не могут. Пусть и занимаются делом.

Мое большое IMHO - страна наша известна как поставщик концентрированных энергоносителей. Значит нужно заниматься тем, что умеем продавать. Только вместо нефти - водород и электроэнергию.
 
Цитата
Agent
Это, однако, просто бульдозер - если использовать его при добыче гелия, то придётся свозить реголит к центрам переработки.

Ну дык там написано, что оборудование по потребности.
И вот - Carrying and placing и Sintering
Также, эта картинка датируеться мартом сего года.
 
Так, за комментариями я не успел докончить концептуальную мысль :)


[u:d2ee207be3]Что может дать обширная лунная программа космонавтике?[/u:d2ee207be3]

Очень многое.

В дальней перспективе (после создания лунной базы и зачатков лунной промышленности) - ресурсную базу, в первую очередь - источник кислорода, воды, рабочего тела для двигателей; в дальнейшем также металлов.

В ближней перспективе - тоже весьма немало.
Если твёрдо поставлена цель - создание лунной базы, то потребуется обеспечивать значительные грузопотоки к Луне. Это сделает целесообразным возрождение ЯРД и активизацию работ по ЭРД с ЯЭУ. Т.е. создание лунной базы позволит создать и отработать перспективные двигательные системы, которые существенно удешевят транспортировку людей и грузов к Луне и обратно, а также позволят в дальнейшем осуществить масштабное исследование внешних планет (миссии наподобие JIMO, исследование Титана, океана Европы - вплоть до возвращения образцов и т.д.) и Марса (вплоть до возвращения образцов марсианского грунта и пилотируемой экспедиции). Снабжение рабочим телом с Луны еще более удешевит такие полёты.

Работы по гелиевой термоядерной энергетике приблизят создание ТЯРД. Возможно даже, что ТЯРД станут промежуточным этапом в программе создания энергетического реактора (для реактора необходим "коэффициент усиления энергии" Q~10, для ТЯРД достаточно Q~1).

Возможно, окажется целесообразным захоронение радиоактивных отходов на Луне.

После начала добычи металлов и организации на Луне минимального металлургического производства можно будет думать о создании орбитальных зеркал (т.н. лунетт и солетт) из лунных материалов. Вполне вероятно, что это окажется экономически выгодным.

Это всё, разумеется, наброски широкой кистью - так сказать, roadmap; достижения, на которые в принципе можно рассчитывать.
 
Nixer
Цитата
Если уж инженеры и физики найдут способ справиться с удержанием в десять раз более горячей, чем нужно для современного токамака, гелиевой плазмы (задача, кажущаяся сейчас совершенно фантастической), то, увеличив температуру еще всего лишь в два раза, мы "зажжем" и реакцию синтеза с участием протонов и бора. Тогда все проблемы с топливом будут решены, причем за гораздо меньшую цену: бора в земной коре больше, чем, например, серебра или золота


К сожалению, с бором всё далеко не так просто. Во-первых, температуру желательно бы увеличить не в два раза, а сильнее. При этом в разы возрастёт и механическая нагрузка на катушки магнитной системы - и не факт, что достаточно просто удастся предотвратить их разрушение под такой нагрузкой. Во-вторых, температурой дело не ограничивается - нужно еще, чтобы nt (произведение концентрации на время удержания) превосходило некую величину, т.н. критерий Лоусона. Критерий Лоусона имеет разные величины для разных реакций. Для p-B его даже нет в "широком обороте", но очевидно, что он заметно больше, чем для D-He3. Дело в том, что реакцию p-B гораздо труднее замкнуть по энергии - при высоких температурах (а для p-B желательно всё же иметь температуру, близкую к 1 МэВ) растут потери на циклотронное излучение, и уже одни эти потери приближаются к полному энерговыходы в результате реакций синтеза. Далее, значительно растут по сравнению с D-He3 и потери на тормозное излучение (рентгеновского спектра, для реакции p-B, кстати, не такого уж мягкого) - тормозные потери пропорциональны Z^2, Z - заряд ядра. В плазме у нас полно бора с Z=5, значит, потери растут очень неслабо (для сравнения: в "лёгкой" плазме изотопов водорода и гелия наличие даже малой примеси тяжёлых элементов очень сильно портит жизнь). Если еще вспомнить, что всегда будут еще и энергетические потери за счёт частиц - диффузионные, "неустойчивостные" и т.д. - оптимизм в отношении водорода-бора заметно уменьшается.

Наглядной иллюстрацией служит то, что работ по гелиевой энергетике за последние 20 лет опубликована куча, и число их растёт, а по бор-водороду - считанные единицы, очень немногие воспринимают это направление всерьёз - слишком много сложностей.
 
Agent
Цитата
Ну дык там написано, что оборудование по потребности.
И вот - Carrying and placing и Sintering
Также, эта картинка датируеться мартом сего года.


Ну я в любом случае только "за" :) Наверняка при "соскребании" реголита возникнут какие-то трудности, их так или иначе придётся решать - почему бы не на этих бульдозерах? А может их и впрямь потом удастся к делу приспособить без существенных переделок.
Страницы: 1 2 3 4 5 ... 135 След.
Читают тему (гостей: 2)
Журнал Новости Форум Фото Подписка Рекламодателям Контакты