Лунното бъдеще на земната енергия
Осъзнавайки това, най-развитите страни обединиха усилията си в проекта ITER, чиято цел е създаването на термоядрен реактор - той ще бъде построен в град Кадараш в Южна Франция. Трябва да се отбележи, че Европа, Канада и Япония се състезаваха на най-високо ниво за правото да приемат ITER на тяхна територия, въпреки факта, че според международните споразумения „страната домакин“ е длъжна да поеме 50% от разходите, а останалите участници само по 10%. Към днешна дата в проекта участват България, САЩ, Европейския съюз, Япония, Китай, както и Южна Корея и Индия.
Създаването на термоядрена енергия би позволило значително да се намали опасността от радиация и напълно да се елиминира възможността от аварии от типа на Чернобил. От всички възможни реакции на ядрен синтез две са от най-голям интерес - деутерий с тритий и деутерий с хелий-3, лек изотоп на хелия:
D + T 4He+n+17.6 MeV,
D + 3He 4He+p+18,3 MeV.
Първият - поради относителната си простота, вторият - поради високите енергийни и екологични показатели при постижими температури, както и някои "технологични" предимства. Тритият е радиоактивен и има относително кратък период на полуразпад, така че изобщо не съществува в природата и за нуждите на енергията ще трябва да бъде получен изкуствено. Хелий-3 е стабилен, но на Земята запасите му са малки, докато на Луната са огромни.
Основните популяризатори на тази идея са професор Г. Л. Кулчински, директор на Института по термоядрена технология към Университета на Уисконсин, и Х. Х. Шмит, единственият геолог, който е бил на Луната. В нашата страна пионерът на работата в тази посока беше известният физик I.N. Головин (Институт за атомна енергия на името на Курчатов).
Хелий-3 ще направи възможно създаването на абсолютно безопасна енергия,снабдени с практически неограничени резерви от гориво. Обещаващата термоядрена енергия, използваща най-лесно осъществимата реакция на деутерий-тритий, макар и много по-безопасна от ядрената енергия на делене, все още има редица значителни недостатъци. Основният от тях е голям брой високоенергийни неутрони (броят на неутроните на единица мощност е с порядък по-голям от този на реакторите на делене, енергията на неутроните е около 7 пъти по-висока). Нито един от известните материали не може да издържи на такъв неутронен поток повече от 6 години - въпреки факта, че животът на реактора трябва да бъде най-малко 30 години. Това означава, че първата стена на реактора за синтез на тритий трябва да се подменя редовно - а това е много сложна и скъпа процедура, която е свързана и със спиране на реактора за дълго време.
Необходимо е да се екранира магнитната система на реактора от мощно неутронно лъчение - това усложнява дизайна и увеличава цената му. Много структурни елементи на тритиевия реактор след края на експлоатацията ще бъдат силно активни и ще изискват изхвърляне за дълго време.
В природата няма източници на тритий, тритий ще трябва да се произвежда директно в електроцентралата - допълнителни трудности възникват с радиохимията. Освен това при D-T реакцията 80% от добива на енергия идва от неутрони и само 18% от заредени частици, което намалява ефективността на енергийния реактор.
В случай на използване на реакцията D-3He, ситуацията се подобрява значително. Неутронният поток намалява с коефициент 30 (неутроните възникват в резултат на D-D странични реакции), освен това енергията на неутроните е много по-ниска, в резултат на повреда на първата стена те стават незначителни и лесно може да се осигури експлоатационен живот от 30-40 години. След завършване на работата на хелиевия реактор, високоактивните отпадъци не ставатсе образуват, радиоактивността на структурните елементи ще бъде толкова малка, че те могат да бъдат заровени буквално в градско сметище, леко поръсени с пръст. Заредените частици в реакцията D-3He представляват 60% от енергията, около 5% повече - за микровълнова радиация, която може ефективно да се преобразува в електричество, така че ефективността на хелиевия реактор е значително по-висока от тази на тритиевия.
Често се казва, че изгарянето на хелий-3 изисква абсолютно фантастични и недостижими условия през следващия половин век. Това е грешно. През 1991 г. хелий-3 вече беше „изгорен“ в европейския токамак JET, по време на реакцията беше получена мощност от 140 kW. Разбира се, значително повече енергия е изразходвана за запалване, отколкото е получена в резултат на реакцията - но JET не е проектиран да получи положителна изходна енергия. Да, за изгарянето на хелий-3 е желателно температурата да е най-малко 700 милиона градуса - изглежда много. Но още преди 10 години JET достигна температура от 400 милиона градуса - повече от половината от необходимото! За сравнение: когато през 1968 г. на токамака Т-3 беше възможно да се нагрее плазмата „само“ до 1 милион градуса, това се превърна в сензация, но сега, по-малко от четиридесет години по-късно, сто пъти по-високите температури станаха „ежедневие“ и не изненадват никого.
Сложността на провеждането на термоядрена реакция може да се характеризира с продукта nTt (плътност х температура х време на задържане). Според този параметър реакцията D-3He е около 100 пъти по-трудна от D-T. Голяма празнина? Да, голяма. Но за половин век термоядрени изследвания, постигнатият nTt се е увеличил средно с фактор 10 на всеки 10 години. Както виждаме, необходимите условия за запалване на реакцията D-3He могат да бъдат постигнати през следващите десетилетия.
ЗАЩО ЛУНЕН ХЕЛИЙ-3?
4000 тона земни запаси изглеждат много. Тези 4000 тона обаче са разпръснати в атмосферата и земятакора, така че получаването им "в ръка" е просто невъзможно. Наличните запаси са около 500 кг (300 кг, образуван поради разпадането на тритий в ядрените бойни глави и тежката вода на реакторите CANDU и 200 кг, съдържащи се в природен газ), като от тези петстотин реално са налични само първите 300 кг - 3He, който се съдържа в подземни запаси от природен газ, е много трудно да се извлече.
Парадоксално е, че лунният хелий има слънчев произход. В продължение на милиарди години слънчевият вятър бомбардира Луната, частици със скорост от 400 km / s пробиват повърхността на дълбочина от стотици ангстрьоми и се „забиват“ там - извършва се своеобразна имплантация на йони. Впоследствие повърхността е смачкана от микрометеорити - настъпва метеоритно смесване, в резултат на което прахови зърна, съдържащи частици от слънчевия вятър, също падат в дебелината на реголита, както се смята, на дълбочина до няколко метра. За 4 милиарда години такова бомбардиране повече от 500 милиона тона хелий-3 паднаха на Луната.
Анализът на шест проби от почвата, донесени от експедициите на Аполо, и три проби, доставени от Луната, показа, че реголитът, покриващ всички морета и плата на Луната, съдържа около 106 тона хелий-3 - около една хилядна от това, което е паднало на лунната повърхност. Къде е отишъл останалият хелий не е съвсем ясно; може би част от него е дълбоко в недрата на Луната, покрита с по-млади скали, а част се е изпарила, когато почвата е била нагрята от микрометеорити и е избягала в междупланетното пространство. Въпреки това резервите от 1 милион тона „налични“ за разработка биха осигурили земна енергия, дори увеличена в сравнение със съвременната с няколко пъти (до 6000 GW), за 1000 години. Хелий-3 се намира и в атмосферите на планетите гиганти, като според изчисленията запасите му само на Юпитер са 1020 тона, коетодостатъчно за енергията на Земята завинаги. Реголитът покрива Луната със слой с дебелина 5-15 м. Реголитът на лунните морета е по-богат на хелий от реголита на плата. 1 кг хелий-3 се съдържа в приблизително 100 000 тона реголит.
ТЕХНОЛОГИЯ ЗА ПРОИЗВОДСТВО НА ХЕЛИЙ-3 НА ЛУНАТА
За да се получи ценен изотоп, той трябва да бъде "удавен" от лунната почва. Индустрията с хелий-3 трябва да включва следните процеси:
1. Добив на реголит. Специални "комбайни" трябва да събират реголит от повърхностния слой с дебелина около 2 м и да го доставят до точки за обработка или да го обработват директно в процеса на добив. За да се получи 1 kg 3He с енергиен еквивалент 6x105 GJ, е необходимо да се съберат 100 000 тона реголит, което изисква, според оценките, енергийни разходи от порядъка на 2,2x103 GJ.
Според предложението на Святославски "комбайнът" трябва да отдели фината фракция на реголита - зърна с размер под 50 микрона - който съдържа по-голямата част от хелий-3. Фината фракция има още едно предимство - нейната топлопроводимост е по-висока от тази на "едрозърнестата", така че изпаряването на газовете може да се извърши по-бързо.
2. Десорбция на хелий от реголит. При нагряване до 600 °C 75% от съдържащия се в реголита хелий-3 се десорбира, а при нагряване до 800 °C почти целият хелий-3 (около 95%) се десорбира. Предлага се отоплението да се извършва чрез фокусиране на слънчевата светлина с пластмасови лещи или огледала. Доставката на "слънчеви пещи" до Луната изисква вложена енергия от приблизително 180 GJ/kg. Комбайнът трябва да „остърже“ нагрятия от слънцето слой реголит от повърхността, да го нагрее, да събере освободените газове и след това да изхвърли отработения реголит, като го прекара през топлообменник, където ще предаде топлината си на студения „входящ“ реголит - такова възстановяване на топлината ще увеличи производителността няколко пъти.Слънчевото отопление не е единственият вариант. Отоплението с помощта на ядрен реактор може да се окаже по-рационално - ядрен комбайн, за разлика от слънчевия, със сравнима маса може да работи не само през лунния ден, но и през нощта. Един комбайн, в зависимост от мощността, може да произвежда от 3 до 30 кг хелий-3 годишно (припомняме, че за годишната работа на гигаватова електроцентрала са необходими 100 кг).
3. Разделяне на изотопите 3He и 4He. Предлага се разделянето на изотопите 3He и 4He да се извърши на два етапа. На първия етап се извършва криогенна дестилация, като се използва разликата в температурите на втечняване на изотопа. Вторият етап използва свръхфлуидността на 4He при охлаждане под 2,1 K. Препоръчително е изотопите да се разделят през лунна нощ, когато температурата на повърхността спадне до 120 K. Енергийните разходи за него се оценяват на 180 MJ/kg.
Трябва да се каже, че Луната има изобилни запаси от студ, което значително опростява задачата за отделяне - на дълбочина от 1 m температурата винаги е около 250 K, повърхността на реголита се охлажда до 100 K преди изгрев слънце, а на сянка можете да получите почти "космическата температура" - 4 K, което вече е достатъчно за втечняване на хелия.
4. Доставка до Земята. След всички процедури получаваме крайния продукт - течен хелий-3. При достъпни температури той (за разлика от хелий-4) не е свръхфлуиден, което означава, че „свиването и свиването“ на ценния изотоп ще бъде незначително. Енергийните разходи за доставка на течен хелий-3 до Земята се оценяват на 1 GJ/kg. Имайте предвид, че в товарния отсек на совалката ще се поберат 25 тона хелий-3 - повече от достатъчно, за да задоволи нуждите на България от електроенергия за една година.
Така общият разход на енергия за доставка на хелий-3 до Земята е 2,4 x 103 GJ/kg. Когато хелий-3 се изгаря в термоядренреактор отделя 6 х 105 GJ/kg, т.е. получаваме печалба в енергия до 250 пъти. За сравнение: енергийната печалба от изгаряне на изкопаеми горива не е по-висока от 30 (16 за въглища, 20 за уран).
По време на извличането на хелий-3 от реголита се извличат и множество съпътстващи вещества (водород, вода, азот, въглероден диоксид, метан, въглероден оксид), които могат да бъдат полезни за поддържането на лунния индустриален комплекс. По-специално Кулчински предлага да се изгарят водород и кислород в горивни клетки, за да се осигури енергия за комбайн за обработка на реголит. Изгарянето на метан и CO също може да допринесе за нагряването на реголита.
Добивът на хелий-3 на Луната изглежда доста печеливш, както от чисто енергийна, така и от икономическа гледна точка - разбира се, при условие, че на Земята работят значителен брой термоядрени реактори, изгарящи хелий-3. Създаването на такива реактори по принцип изглежда съвсем осъществимо, въпреки че изисква значителни усилия и време - едва ли по-малко,над 30 години. Много? Но създаването на лунната инфраструктура за производство на хелий-3 ще отнеме същото, ако не и повече време. Поради това е желателно „лунната“ и „термоядрената“ част от програмата, насочена към създаване на енергия през втората половина на 21 век, да бъдат координирани.