Helium mix optimal ! (NUC22)
Перечисляя в прошлой статье "термоядерные головешки", которые оставил нам взрыв какой-то безымянной сверхновой звезды и назвав дейтерий, тритий, литий, бериллий и бор, я не упомянул в том списке достаточно редкий изотоп гелия, который всё-таки можно поджечь, получив в итоге альфа-частицу или ядро гелия-4 (4He).
Это изотоп гелия, называющийся гелий-3 или 3He.
И, надо сказать, именно с гелием-3 у нас ассоциировано большинство мифов, касающихся будущего термоядерной энергетики. Один из этих мифов, безусловно - это лунные тракторы харвестеры, которые должны в перспективе обеспечить нас неисчерпаемыми запасами гелия-3:
Всё дело в том, что в атмосфере нашей Земли гелия-3 до обидного мало, несмотря на то, что он так же стабилен, как и его старший брат - гелий-4. Ведь и гелий-3, и гелий-4 неизбежно, в силу своего малого молекулярного веса, улетучиваются из атмосферы Земли. Земля, в силу своей малой массы, не может удерживать в своей атмосфере сколь-либо значительные количества гелия и водорода - они просто улетают в космос из верхних слоёв атмосферы.
Но, если гелий-4 в виде альфа-частиц постоянно образуется из урана и тория земной коры при их радиоактивном распаде, то у гелия-3 такой подпитки нет - весь гелий-3, который сейчас летает в атмосфере Земли, поступает только из естественных мантийных резервуаров земной литосферы.
Ну а в литосфере гелий-3 не образуется. Его содержание там - это тоже наследие взрыва какой-то сверхновой, которая и обогатила наше древнее протопланетное облако изотопом гелий-3 при своём взрыве.
В атмосфере Земли гелия-3 всего около 35 000 тонн. Его процентное содержание и того смешнее - оно выражается цифрой в 0,000137 % от всей массы гелия в атмосфере Земли. Ну а всего гелия (включая и бесполезный для нас гелий-4, и нужный гелий-3) тоже нельзя сказать, что много - 0,00052% от общего объёма воздуха в атмосфере планеты. Исследования показали, что его изотопная распространённость в мантии составляет 200-300 частей на миллион частей гелия-4, то есть на 2 порядка больше, чем в атмосфере. Однако поступление гелия-3 из земной мантии в атмосферу (через вулканы и разломы в земной коре) оценивается всего в несколько килограмм в год.
По сравнению с запасами дейтерия в нашей гидросфере, которые составляют около 1013 тонн, гелия-3 у нас до смешного, до обидного мало.
Поэтому, конечно же, ситуация, когда на соседке-Луне просто таки "под открытым небом", по разным оценкам, лежит от 450 000 тонн до 4 600 000 тонн гелия-3, который "надуло" туда солнечным ветром, не может не будоражить воображение.
Много это - или мало? По сравнению с количеством дейтерия в наших океанах - не так и много. В десять миллионов раз меньше, если брать изотопы чисто по массе, не учитывая небольшие расхождения по энергии связи в расчёте на нуклон. В среднем, кстати, дейтерий всё-таки поэнергетичнее будет.
А сколько нам надо термоядерного горючего, исходя из потребностей в энергии?
Если рассуждать в рамках чисто термоядерной реакции, без привлечения весьма разумных химерных реакторов, которые я описал в прошлой статье, то легче всего запустить реакцию синтеза на дейтерии и литии.
В этом случае вместо ториево-уранового бланкета, которым обложен термоядерный тор в химерном ректоре, мы размещаем вокруг объёма, где идёт реакция D+T сборки с литием.
Природный литий состоит из двух изотопов - лития-6 и лития-7. Стандартное соотношение изотопов следующее: 6Li (7,5 %) и 7Li (92,5 %). И, к сожалению, тут нам в раздаче везёт не очень - для получения трития, без "грязных фокусов" с ураном и торием, нам нужен только изотоп 6Li, которого у нас как раз в 12 раз меньше, чем изотопа литий-7.
Вот реакция получения трития из лития:
Как видите, и тут не обошлось без вездесущей альфа-частицы. На образование которой мы сразу же потратили больше половины массы нашего лития. Плюс - мы бездарно используем наш единственный "термоядерный" быстрый нейтрон, чтобы получить всё тот же тритий, который мы только что потратили в реакции D+T.
В общем, думайте сами - стоит ли расходовать редкий литий на производство трития - или же можно нарабатывать тритий из обычной воды в химерном реакторе.
В любом случае, напрямую получать тритий из лёгкой воды без "посредников" в виде тяжёлых ядер не получится - на каждый полученный в реакции D+Т нейтрон надо потратить два нейтрона на образование трития из протия. То есть, загрузив в реактор 100 кг трития, на выходе можно рассчитывать лишь на 50 килограмм.
Но - вернёмся к нашим расчётам с литием. Всего на Земле сейчас производится около 10 трлн. кВт•часов электроэнергии в год. Термоядерный реактор с электрической мощностью в 1 ГВт сожжёт за год около 100 кг дейтерия и 300 кг лития. Почему лития больше и почему это литий-6 я, надеюсь, уже понятно всем из изложения выше.
Если предположить, что все термоядерные электростанции будут производить в будущем столько же, сколько сегодня производят все электростанции Земли, то потребление дейтерия и лития составят всего 1 500 и 4 500 тонн в год.
Дейтерия, которого у нас 1013 тонн только в гидросфере (0,015% от лёгкой воды составляет тяжёлая вода) нам хватит на то, чтобы снабжать человечество энергией в течение многих миллионов лет. Однако, для производства трития нам необходим литий, поэтому энергетические ресурсы такого типа реакторов ограничены запасами лития. Разведанные рудные запасы лития (по сумме двух изотопов) составляют около 10 миллионов тонн.
Однако, если их пересчитать на литий-6, то запасы лития у нас сожмутся уже до 750 000 тонн. Этих запасов лития-6 для производства трития нам хватит всего на 160 лет - и то, только в том случае, если мы лишь замещаем производство электроэнергии термоядерными электростанциями, а само мировое потребление электроэнергии у нас не растёт.
То есть, "литиевая энергетика" (а именно она лежит в основе "чистого" цикла D+T) ограничена запасами лития-6. Если вы хотите "зажечь звезду" на Земле на дейтерии и тритии - то или стройте химерный реактор с торием и ураном, или рассчитывайте только на 750 000 тонн разведанного лития-6.
Дополнительную пикантность ситуации с литием-6 придаёт тот факт, что кроме термоядерной энергетики на литий претендует и современная радиоэлектронная промышленность. Всем хорошо известны литий-ионные аккумуляторы для сотовых телефонов, видеокамер и фотоаппаратов, в которых используется тот же самый литий. Это самый легкий металл, и поэтому в 30-граммовом Li-Ion аккумуляторе находится существенно больше атомов, способных к электрохимической реакции, чем в 100-граммовом никель-кадмиевом, а следовательно, и запасенная в аккумуляторе энергия оказывается существенно выше.
Ну а планы перевести на литиевые аккумуляторы ещё и значительную долю автомобильного транспорта - вообще ставят термоядерную энергетику в положение "бедной Золушки" которая будет конкурировать за "термоядерные головешки" ещё и со всемогущей автомобильной промышленностью.
В общем, ситуация с "чистой термоядерной энергетикой" в будущем выглядит отнюдь не столь радужно как это рисуется в самых оптимистичных планах. Или аккумулятор, или "зарядное устройство". Вместе - никак.
Или позитивный Джеб плюс негативная тётя Ширли и, здравствуй, "Матрица".
Ну или - всё-таки социалистический троллейбус.
Конечно же, литий содержится и в морской воде. Правда, в концентрации менее 0,0000002%. То есть - с дейтерием и сравнивать-то нечего. Замучаешься отделять и выпаривать.
Поэтому в этом (и только в этом случае) нам уже светит лететь на Луну и копать там недоступный нам на Земле гелий-3.
На Луне гелия-3 всё-таки уже достаточно много, но процесс его добычи отнюдь не столь прост, как это показано в фильме "Луна-2112".
Начнём с того, что гелия-3 там всего ~0,04 % от массы всего гелия в породе. Это уже гораздо приятнее, чем 0,000137 % в земных условиях.
Однако, в целом, гелия в лунном реголите - кот наплакал. Тонна лунного грунта содержит 0,01 грамма гелия-3 и 28 грамм гелия-4. Таким образом, для получения одной тонны гелия-3, нужно переработать поверхностный слой реголита на площади не менее 100 квадратных километров, перелопатив при этом попутно около 100 миллионов тонн пустой лунной породы.
Сам по себе процесс извлечения гелия-3 из лунного реголита - это тоже отдельный, весьма нетривиальный процесс.
Толщина пропитанного гелием-3 слоя реголита составляет одну десятимиллионную часть метра, хотя постоянное перемешивание лунного грунта метеоритными бомбардировками может привести к тому, что местами данный изотоп можно найти и на глубине и в нескольких метров.
Как "срезать" с поверхности Луны только этот очень тонкий слой, не разубожив его более глубокими слоями, где гелия-3 гораздо меньше - опять-таки, вопрос пока скорее нерешённый, нежели "интуитивно понятный".
Далее реголит придется нагреть где-то до 800 °C, чтобы выделить из него смесь изотопов гелия.
Ну а дальше - уже всё понятно. "Русские ядерные волчки" отделяют гелий-3 от гелия-4, а капсулы с гелием-3 сбрасывают на жаждущую дешёвой энергии Землю:
Короче, получается, как всегда. На земле - дёшево, в тропиках - супердёшево, в океане - уже подороже, а на Луне - так вообще абзац.
Ну и, конечно, если посчитать весь лунный гелий-3 в "актив" нашего светлого термоядерного будущего, то тоже видна перспектива.
Реакция на гелии-3 в идеале выглядит вот так:
3Не + D → 4Не + p
На входе у нас дейтерий и гелий-3, а на выходе - альфа-частица и протон. Вроде бы - всё очень гламурно и чисто. Заряженные частицы в виде продуктов реакции могут позволить нам не использовать кипячение воды, а заняться прямым преобразованием энергии термоядерного синтеза в электрический ток.
Нет неприятных нейтронов.
Но нет и возможности легко вовлечь уран-238 и торий-232 в задачу получения энергии для нужд людей. Их надо по-прежнему долго нарабатывать в делящиеся изотопы на реакторах-бридерах.
Ну и сам гелий-3.
Его, как мы помним, на Луне около 450 000 тонн. Может быть - и 4 миллиона тонн, но я возьму всё же более скромную оценку.
Потому что - десятимиллионая часть метра, нагрев до 800 °C. обогатители-центрифуги, клоны-горняки бунтуют и всё такое...
Ну и, конечно же, считаем наш модельный, спокойный случай...
...в том случае, если мы лишь замещаем производство электроэнергии термоядерными электростанциями, а само мировое потребление электроэнергии у нас не растёт - то нам надо "всего лишь" 2 250 тонн гелия-3 на те же самые 1500 тонн дейтерия.
Ну а Луны нам тогда хватит всего на 200 лет.
Здравствуй, Луна-2112. Как ты там?
Я побежал. Меня химерный реактор ждёт. Да и медведя покормить надо бы....
Это изотоп гелия, называющийся гелий-3 или 3He.
И, надо сказать, именно с гелием-3 у нас ассоциировано большинство мифов, касающихся будущего термоядерной энергетики. Один из этих мифов, безусловно - это лунные тракторы харвестеры, которые должны в перспективе обеспечить нас неисчерпаемыми запасами гелия-3:
Всё дело в том, что в атмосфере нашей Земли гелия-3 до обидного мало, несмотря на то, что он так же стабилен, как и его старший брат - гелий-4. Ведь и гелий-3, и гелий-4 неизбежно, в силу своего малого молекулярного веса, улетучиваются из атмосферы Земли. Земля, в силу своей малой массы, не может удерживать в своей атмосфере сколь-либо значительные количества гелия и водорода - они просто улетают в космос из верхних слоёв атмосферы.
Но, если гелий-4 в виде альфа-частиц постоянно образуется из урана и тория земной коры при их радиоактивном распаде, то у гелия-3 такой подпитки нет - весь гелий-3, который сейчас летает в атмосфере Земли, поступает только из естественных мантийных резервуаров земной литосферы.
Ну а в литосфере гелий-3 не образуется. Его содержание там - это тоже наследие взрыва какой-то сверхновой, которая и обогатила наше древнее протопланетное облако изотопом гелий-3 при своём взрыве.
В атмосфере Земли гелия-3 всего около 35 000 тонн. Его процентное содержание и того смешнее - оно выражается цифрой в 0,000137 % от всей массы гелия в атмосфере Земли. Ну а всего гелия (включая и бесполезный для нас гелий-4, и нужный гелий-3) тоже нельзя сказать, что много - 0,00052% от общего объёма воздуха в атмосфере планеты. Исследования показали, что его изотопная распространённость в мантии составляет 200-300 частей на миллион частей гелия-4, то есть на 2 порядка больше, чем в атмосфере. Однако поступление гелия-3 из земной мантии в атмосферу (через вулканы и разломы в земной коре) оценивается всего в несколько килограмм в год.
По сравнению с запасами дейтерия в нашей гидросфере, которые составляют около 1013 тонн, гелия-3 у нас до смешного, до обидного мало.
Поэтому, конечно же, ситуация, когда на соседке-Луне просто таки "под открытым небом", по разным оценкам, лежит от 450 000 тонн до 4 600 000 тонн гелия-3, который "надуло" туда солнечным ветром, не может не будоражить воображение.
Много это - или мало? По сравнению с количеством дейтерия в наших океанах - не так и много. В десять миллионов раз меньше, если брать изотопы чисто по массе, не учитывая небольшие расхождения по энергии связи в расчёте на нуклон. В среднем, кстати, дейтерий всё-таки поэнергетичнее будет.
А сколько нам надо термоядерного горючего, исходя из потребностей в энергии?
Если рассуждать в рамках чисто термоядерной реакции, без привлечения весьма разумных химерных реакторов, которые я описал в прошлой статье, то легче всего запустить реакцию синтеза на дейтерии и литии.
В этом случае вместо ториево-уранового бланкета, которым обложен термоядерный тор в химерном ректоре, мы размещаем вокруг объёма, где идёт реакция D+T сборки с литием.
Природный литий состоит из двух изотопов - лития-6 и лития-7. Стандартное соотношение изотопов следующее: 6Li (7,5 %) и 7Li (92,5 %). И, к сожалению, тут нам в раздаче везёт не очень - для получения трития, без "грязных фокусов" с ураном и торием, нам нужен только изотоп 6Li, которого у нас как раз в 12 раз меньше, чем изотопа литий-7.
Вот реакция получения трития из лития:
Как видите, и тут не обошлось без вездесущей альфа-частицы. На образование которой мы сразу же потратили больше половины массы нашего лития. Плюс - мы бездарно используем наш единственный "термоядерный" быстрый нейтрон, чтобы получить всё тот же тритий, который мы только что потратили в реакции D+T.
В общем, думайте сами - стоит ли расходовать редкий литий на производство трития - или же можно нарабатывать тритий из обычной воды в химерном реакторе.
В любом случае, напрямую получать тритий из лёгкой воды без "посредников" в виде тяжёлых ядер не получится - на каждый полученный в реакции D+Т нейтрон надо потратить два нейтрона на образование трития из протия. То есть, загрузив в реактор 100 кг трития, на выходе можно рассчитывать лишь на 50 килограмм.
Но - вернёмся к нашим расчётам с литием. Всего на Земле сейчас производится около 10 трлн. кВт•часов электроэнергии в год. Термоядерный реактор с электрической мощностью в 1 ГВт сожжёт за год около 100 кг дейтерия и 300 кг лития. Почему лития больше и почему это литий-6 я, надеюсь, уже понятно всем из изложения выше.
Если предположить, что все термоядерные электростанции будут производить в будущем столько же, сколько сегодня производят все электростанции Земли, то потребление дейтерия и лития составят всего 1 500 и 4 500 тонн в год.
Дейтерия, которого у нас 1013 тонн только в гидросфере (0,015% от лёгкой воды составляет тяжёлая вода) нам хватит на то, чтобы снабжать человечество энергией в течение многих миллионов лет. Однако, для производства трития нам необходим литий, поэтому энергетические ресурсы такого типа реакторов ограничены запасами лития. Разведанные рудные запасы лития (по сумме двух изотопов) составляют около 10 миллионов тонн.
Однако, если их пересчитать на литий-6, то запасы лития у нас сожмутся уже до 750 000 тонн. Этих запасов лития-6 для производства трития нам хватит всего на 160 лет - и то, только в том случае, если мы лишь замещаем производство электроэнергии термоядерными электростанциями, а само мировое потребление электроэнергии у нас не растёт.
То есть, "литиевая энергетика" (а именно она лежит в основе "чистого" цикла D+T) ограничена запасами лития-6. Если вы хотите "зажечь звезду" на Земле на дейтерии и тритии - то или стройте химерный реактор с торием и ураном, или рассчитывайте только на 750 000 тонн разведанного лития-6.
Дополнительную пикантность ситуации с литием-6 придаёт тот факт, что кроме термоядерной энергетики на литий претендует и современная радиоэлектронная промышленность. Всем хорошо известны литий-ионные аккумуляторы для сотовых телефонов, видеокамер и фотоаппаратов, в которых используется тот же самый литий. Это самый легкий металл, и поэтому в 30-граммовом Li-Ion аккумуляторе находится существенно больше атомов, способных к электрохимической реакции, чем в 100-граммовом никель-кадмиевом, а следовательно, и запасенная в аккумуляторе энергия оказывается существенно выше.
Ну а планы перевести на литиевые аккумуляторы ещё и значительную долю автомобильного транспорта - вообще ставят термоядерную энергетику в положение "бедной Золушки" которая будет конкурировать за "термоядерные головешки" ещё и со всемогущей автомобильной промышленностью.
В общем, ситуация с "чистой термоядерной энергетикой" в будущем выглядит отнюдь не столь радужно как это рисуется в самых оптимистичных планах. Или аккумулятор, или "зарядное устройство". Вместе - никак.
Или позитивный Джеб плюс негативная тётя Ширли и, здравствуй, "Матрица".
Ну или - всё-таки социалистический троллейбус.
Конечно же, литий содержится и в морской воде. Правда, в концентрации менее 0,0000002%. То есть - с дейтерием и сравнивать-то нечего. Замучаешься отделять и выпаривать.
Поэтому в этом (и только в этом случае) нам уже светит лететь на Луну и копать там недоступный нам на Земле гелий-3.
На Луне гелия-3 всё-таки уже достаточно много, но процесс его добычи отнюдь не столь прост, как это показано в фильме "Луна-2112".
Начнём с того, что гелия-3 там всего ~0,04 % от массы всего гелия в породе. Это уже гораздо приятнее, чем 0,000137 % в земных условиях.
Однако, в целом, гелия в лунном реголите - кот наплакал. Тонна лунного грунта содержит 0,01 грамма гелия-3 и 28 грамм гелия-4. Таким образом, для получения одной тонны гелия-3, нужно переработать поверхностный слой реголита на площади не менее 100 квадратных километров, перелопатив при этом попутно около 100 миллионов тонн пустой лунной породы.
Сам по себе процесс извлечения гелия-3 из лунного реголита - это тоже отдельный, весьма нетривиальный процесс.
Толщина пропитанного гелием-3 слоя реголита составляет одну десятимиллионную часть метра, хотя постоянное перемешивание лунного грунта метеоритными бомбардировками может привести к тому, что местами данный изотоп можно найти и на глубине и в нескольких метров.
Как "срезать" с поверхности Луны только этот очень тонкий слой, не разубожив его более глубокими слоями, где гелия-3 гораздо меньше - опять-таки, вопрос пока скорее нерешённый, нежели "интуитивно понятный".
Далее реголит придется нагреть где-то до 800 °C, чтобы выделить из него смесь изотопов гелия.
Ну а дальше - уже всё понятно. "Русские ядерные волчки" отделяют гелий-3 от гелия-4, а капсулы с гелием-3 сбрасывают на жаждущую дешёвой энергии Землю:
Короче, получается, как всегда. На земле - дёшево, в тропиках - супердёшево, в океане - уже подороже, а на Луне - так вообще абзац.
Ну и, конечно, если посчитать весь лунный гелий-3 в "актив" нашего светлого термоядерного будущего, то тоже видна перспектива.
Реакция на гелии-3 в идеале выглядит вот так:
3Не + D → 4Не + p
На входе у нас дейтерий и гелий-3, а на выходе - альфа-частица и протон. Вроде бы - всё очень гламурно и чисто. Заряженные частицы в виде продуктов реакции могут позволить нам не использовать кипячение воды, а заняться прямым преобразованием энергии термоядерного синтеза в электрический ток.
Нет неприятных нейтронов.
Но нет и возможности легко вовлечь уран-238 и торий-232 в задачу получения энергии для нужд людей. Их надо по-прежнему долго нарабатывать в делящиеся изотопы на реакторах-бридерах.
Ну и сам гелий-3.
Его, как мы помним, на Луне около 450 000 тонн. Может быть - и 4 миллиона тонн, но я возьму всё же более скромную оценку.
Потому что - десятимиллионая часть метра, нагрев до 800 °C. обогатители-центрифуги, клоны-горняки бунтуют и всё такое...
Ну и, конечно же, считаем наш модельный, спокойный случай...
...в том случае, если мы лишь замещаем производство электроэнергии термоядерными электростанциями, а само мировое потребление электроэнергии у нас не растёт - то нам надо "всего лишь" 2 250 тонн гелия-3 на те же самые 1500 тонн дейтерия.
Ну а Луны нам тогда хватит всего на 200 лет.
Здравствуй, Луна-2112. Как ты там?
Я побежал. Меня химерный реактор ждёт. Да и медведя покормить надо бы....