ДЕМОКРАТИЧНА УКРАЇНА НАУКА
ЕНЕРГЕТИКА: СТАВКА НА ГЕЛІЙ
Серед нових завдань людства в Космосі — колонізація Місяця заради привабливої ідеї використання унікальних запасів ізотопу гелію-3 для одержання термоядерної енергії на Землі. Останнім часом ця ідея все частіше стає предметом наукових дискусій та сенсаційних повідомлень.

Вихід з кризи існує
Ми живемо в епоху енергетичної кризи. Нафти й газу залишилося на кілька десятиліть. Вугілля — трохи більше. Але теж не на великий термін. Що ж замість цього? Поки тільки атомна енергія. Звичайно, Чорнобильська аварія загальмувала розвиток атомної енергетики в нашій країні. Але світовий досвід доводить, що проблеми безпеки АЕС можуть бути вирішені. Будівництво таких станцій триває. Їх внесок у загальне виробництво електроенергії у світі невпинно зростає. Однак і атомна енергетика не може вирішити енергетичну проблему повністю — запаси ізотопів, того ж урану, також обмежені. Та й забруднювати природу радіоактивними відходами небезпечно. За прогнозами фахівців, на зміну атомній енергетиці має прийти термоядерна. Вона заснована на реакціях керованого термоядерного синтезу. Такі реакції протікають у глибоких надрах Сонця: зливаються ядра водню і ядро гелію. Виділяється величезна енергія, яку ми одержуємо у вигляді світла й тепла.
Нагадаємо: термоядерних реакцій нині відкрито безліч. Спільним для них є те, що кілька легких ядер (скажімо, водню і гелію) зливаються в одне важче ядро. За такого синтезу на одиницю маси виділяється значно більше енергії, ніж під час ядерного розпаду, наприклад, того ж урану. Та помітної швидкості ці реакції досягають тільки за температури в десятки і сотні мільйонів градусів за Цельсієм. У цьому — одна з головних причин труднощів, які постають на шляху практичного застосування термоядерних реакцій в енергетиці. Найскромніші вимоги до температури пред’являє реакція сполучення ізотопів дейтерію з тритієм. У ній синтезується ядро гелію-4, виділяються нейтрон і 17,6 мега електрон-вольт (мев) енергії. Щоб «запалити» цю реакцію, потрібно «лише» 100 мільйонів градусів. Для інших реакцій температура «запалювання» ще вища. Тому всі сучасні проекти керованих термоядерних реакторів орієнтовані на синтез дейтерію з тритієм. Підрахунки засвідчують: запасів дейтерію в складі важкої води рік, морів і океанів вистачить на мільйони років за найбільш бурхливого розвитку термоядерної енергетики на Землі. Принагідно нагадаю, що в СРСР український вчений академік О. Бродський вперше створив установку для одержання чистої важкої води (1934 р.), використовуючи звичайну водопровідну воду Дніпра та електроенергію Дніпрогесу.
Складніше з іншим компонентом палива — ізотопом водню тритієм. Цей ізотоп радіоактивний. Розпадається на електрон, гелій-3 і нейтрино з періодом напіврозпаду близько 12 років. Через такий короткий час життя природна концентрація тритію на Землі незначна. Тому необхідний для роботи термоядерних реакторів тритій доведеться одержувати штучно, опромінюючи нейтронами ядра літію. Перспективи термоядерної енергетики, заснованої на реакції дейтерію з тритієм, визначаються запасами літію. За оцінками, легкодоступних ресурсів літію вистачить приблизно на 100 років. Однак коли врахувати, що літій необхідний й для інших потреб (металургія, акумуляторні батареї тощо), то термін скорочується приблизно до 50—70 років. Так що розвиток термоядерної енергетики на основі реакції дейтерію з тритієм не вирішує проблему обмеженості енергетичних ресурсів Землі, а лише знімає її гостроту на певний час.
Нині температуру, що близька до необхідних 100 мільйонів градусів, одержують на установках типу ТОКАМАК (скорочення від «тороїдна камера з магнітними котушками») — установки, винайдені за радянських часів для утримування високотемпературної плазми магнітними полями з метою генерування реакції керованого термоядерного синтезу. Поки в цих дослідах замість суміші дейтерію з тритієм вчені використовують лише дейтерій. Адже за нагрівання до десятків мільйонів градусів у чистому дейтерії теж відбуваються термоядерні реакції. Щоправда, з набагато меншою інтенсивністю, ніж це було б у суміші дейтерію з тритієм. То чому ж не беруть суміш? А тому, що утворені під час злиття ядер дейтерію і тритію нейтрони вимагають спеціального захисту приладів і персоналу від опромінення. Це надто ускладнює дослідження.

Сонячний дарунок
Більшість розглянутих проблем відпадає, коли використовувати замість реакції дейтерію з тритієм термоядерну реакцію дейтерію з гелієм-3. Характерно, що в цьому разі радіоактивних ізотопів не утворюється. Їх немає ні у вихідних компонентах, ні серед продуктів реакції. Вивільнювана енергія ділиться тільки серед утворених заряджених часток: 3,6 мев дістаються ядру гелію-4 і 14,7 мев — протону. До цього ж, зауважимо, що поведінкою заряджених часток легко керувати за допомогою електричних і магнітних полів. Зокрема, можна прямо перетворити їхню енергію в електричну з високим коефіцієнтом корисної дії. То чому ж цю реакцію дотепер не розглядали? Існує дві причини. По-перше, взаємодія дейтерію з гелієм-3 відбувається значно складніше, ніж дейтерію з тритієм. Швидкість сполучення дейтерію з гелієм-3 досягає максимуму за температури 800 мільйонів градусів, а для реакції дейтерію з тритієм потрібно «лише» 100 мільйонів градусів. По-друге, навіть за оптимальної температури дейтерій сполучається з гелієм-3 у п’ятдесят разів повільніше, ніж із тритієм. Відповідно потрібно довше втримувати у керованому реакторі нагріту плазму.
Пригадаймо, що на початку термоядерних досліджень рубіж 100 мільйонів справедливо вважали головними труднощами на шляху до керованого термоядерного синтезу. Кожен новий мільйон понад тим загрожував зробити цей рубіж недосяжним. Інша річ тепер. Зусиллями вчених різних країн створено науку фізики плазми, знайдено способи термоізоляції та утримання її в магнітному полі, опрацьовано методи нагрівання, які роблять 100 і навіть 800 мільйонів градусів не настільки недосяжними. Отже, перша причина, через яку в первісних проектах було відкинуто реакцію дейтерію з гелієм-3, втратила гостроту. Набагато серйозніше виглядає друга причина: звідки взяти гелій-3?
Хімічний елемент гелій (від гр. — Сонце) — один із найпоширеніших елементів у природі. Відповідно до загальноприйнятої нині моделі утворення Всесвіту в результаті Великого вибуху, первозданний склад речовини — 93,5% атомів водню й 6% атомів гелію. Ізотопний склад гелію: 140 атомів гелію-3 на мільйон атомів гелію-4. Спостереження доводять: приблизно таке співвідношення збереглося дотепер у зірках і в більших газових планетах — Юпітері й Сатурні. Але в планетах типу нашої Землі це співвідношення істотно відрізняється від первозданного. Адже маса Землі недостатньо велика, щоб утримувати легкі атоми водню і гелію. Водень зберігається на планеті в хімічних сполуках із важчими елементами. Гелій практично не вступає в хімічні реакції з іншими речовинами, тому швидко зникає в космічному просторі. У глибинах Землі гелій утворюється під час розпаду радіоактивних елементів. Тому він є у вулканічних газах і газових родовищах. Його добувають, головним чином, для потреб кріогенної техніки. Але дістається нам переважно ізотоп гелію-4. Відносний уміст ізотопу гелію-3 у газових родовищах значно нижчий, ніж у космічному просторі. В усьому світі вдалося нагромадити всього кілька десятків кілограмів гелію-3. У розвіданих надрах його міститься не більш як 200—400 кілограмів. Для безперервної роботи протягом одного року термоядерного реактора потужністю мільйон кіловат потрібно мати близько 50 кг гелію-3. Так що його земних запасів вистачить тільки на дослідження й налагодження кількох перших керованих термоядерних реакторів. Для постачання промислових електростанцій гелій-3 потрібно шукати поза Землею.

Сировинна база — в Космосі
Під час аналізу місячного ґрунту (реголіту), що був доставлений на Землю радянськими автоматичними станціями та американськими експедиціями за програмою «Аполлон», виявлено, що в зразках, узятих з місячних гір, міститься 7 г гелію-3 на тонну ґрунту. А з місячних «морів» — до 36 г на тонну. Відносний уміст ізотопу гелію-3 майже такий, як у сонячному вітрі. Вдалося оцінити й загальні запаси гелію-3 на Місяці. Вийшло приблизно мільйон тонн. Порівняно зі скромними земними запасами ця цифра вражає. Якщо енергетику Землі побудувати на основі термоядерної реакції дейтерію з гелієм-3, то вона споживатиме близько 500 тонн гелію-3 за рік. Так що запасів місячного гелію вистачить більше, ніж на тисячу років. Тож місячний гелій-3 тільки відсуває глобальну енергетичну кризу, але не усуває її. Енергетичні проблеми Землі будуть вирішені, коли почнуться польоти до далеких планет-гігантів — Юпітера й Сатурна. В їхніх величезних об’ємах міститься практично невичерпний запас гелію-3, якого (як і дейтерію в земних океанах і морях) вистачить на мільйони років.
Попри цей оптимістичний висновок, спорудження заводу із видобутку гелію-3 на Місяці поки не планується. Адже спочатку потрібно принаймні продемонструвати успішну роботу першого термоядерного реактора хоча б на реакції дейтерію з тритієм. Та все-таки не випадково майже в кожній доповіді, де обговорюється проект майбутнього термоядерного реактора, йдеться про можливість переходу на реакцію дейтерію з гелієм-3.
За словами президента США Буша, до 2020 року на Місяці буде збудовано базу, яка забезпечить «постійну людську присутність». «Завдяки досвіду та знанням, отриманим на Місяці, ми будемо готові зробити наступні кроки у підкоренні Космосу: людським польотам на Марс і до інших світів», — сказав Буш. Промислове освоєння Місяця потрібне для виходу людства до запасів унікального енергоносія гелію-3, якого немає на землі, вважає голова Російської ракетно-космічної корпорації «Енергія» Микола Севастьянов. Видобуток гелію-3 на Місяці й вивезення його космічними кораблями, на думку академіка РАН Еріка Галімова, можна буде почати через 30—40 років. Зрозуміло, що ці повідомлення на іноземних сайтах розраховані на сенсацію. Та все ж можливість створити колись, нехай навіть через кілька десятиліть, екологічно чисте і практично вічне джерело енергії — надто приваблива.

Григорій КОВТУН,
член-кореспондент НАН України
також у паперовій версії читайте:

• НУ, ПЛАЗМО, ЗАЧЕКАЙ!
• ПІВНІЧНИЙ ЛЬОДОВИТИЙ ОКЕАН... У СУБТРОПІКАХ
• «ЗАГОВОРИВ» НАЙСТАРІШИЙ ЛІТЕРАТУРНИЙ ПАПІРУС

назад »»»