Місячне майбутнє земної енергетики
Усвідомивши це, найрозвиненіші країни об'єднали зусилля у проекті ІТЕР, метою якого є створення термоядерного реактора – він буде побудований у місті Кадараш на півдні Франції. Зауважимо, що за право розмістити ІТЕР на своїй території боролися на найвищому рівні Європа, Канада та Японія - незважаючи на те, що за міжнародними домовленостями «сторона, що приймає», зобов'язана взяти на себе 50% витрат, а решта учасників - лише по 10%. На сьогоднішній день у проекті беруть участь Україна, США, Європейський Союз, Японія, Китай, а також Південна Корея та Індія.
Створення термоядерної енергетики дозволило б багаторазово зменшити радіаційну небезпеку та повністю виключити можливість катастроф чорнобильського типу. З усіх можливих реакцій ядерного синтезу найбільший інтерес викликають дві - дейтерію з тритієм і дейтерію з гелієм-3, легким ізотопом гелію:
D + T 4He+n+17,6 МеВ,
D + 3He 4He + p +18,3 МеВ.
Перша – через свою відносну простоту, друга – через високі енергетичні та екологічні показники при досяжних температурах, а також деякі «технологічні» переваги. Тритій радіоактивний, і має відносно невеликий період напіврозпаду, тому в природі його взагалі немає, і для потреб енергетики його доведеться отримувати штучно. Гелій-3 стабільний, але Землі його запаси малі, тоді як у Місяці - величезні.
Головні пропагандисти цієї ідеї - професор Дж. Кульчинскі (G.L. Kulcinski), директор Інституту Термоядерної Технології Вісконсінського університету та Х. Шмітт (H.H. Schmitt), єдиний геолог, який побував на Місяці. У нашій країні піонером робіт у цьому напрямі був відомий фізик І.М. Головін (Інститут Атомної Енергії ім. Курчатова).
Гелій-3 дозволить створити абсолютно безпечну енергетику,забезпечену практично необмеженими запасами палива. Перспективна термоядерна енергетика, що використовує найбільш легко здійсненну реакцію дейтерій-тритій, хоч і набагато безпечніша, ніж ядерна енергетика поділу, все ж таки має ряд істотних недоліків. Основний - це велика кількість високоенергетичних нейтронів (кількість нейтронів на одиницю потужності на порядок більша, ніж у реакторів поділу, енергія нейтронів приблизно в 7 разів вище). Такого нейтронного потоку жоден із відомих матеріалів не може витримати більше 6 років – при тому, що ресурс реактора має бути не менше 30 років. Отже, першу стінку тритієвого термоядерного реактора необхідно регулярно замінювати - а це дуже складна та недешева процедура, пов'язана до того ж із зупинкою реактора на тривалий термін.
Від потужного нейтронного випромінювання необхідно екранувати магнітну систему реактора – це ускладнює конструкцію та подорожчає її. Багато елементів конструкції тритієвого реактора після закінчення експлуатації будуть високоактивними і вимагатимуть поховання на тривалий термін.
Джерел тритію в природі немає, тритій доведеться напрацьовувати безпосередньо на електростанції – виникають додаткові складнощі з радіохімією. Крім того, у реакції D-T 80% енерговиходу посідає нейтрони, і лише 18% - на заряджені частинки, що зменшує ККД енергетичного реактора.
У разі використання реакції D-3He положення істотно поліпшується. Нейтронний потік падає в 30 разів (нейтрони виникають в результаті побічних реакцій D-D), до того ж енергія нейтронів значно менша, внаслідок пошкодження першої стінки стають несуттєвими, і термін служби в 30-40 років можна забезпечити легко. Після закінчення експлуатації гелієвого реактора високоактивні відходи неУтворюються, радіоактивність елементів конструкції буде така мала, що їх можна поховати буквально на міському звалищі, злегка присипавши землею. На заряджені частинки реакції D-3He припадає 60% енергії, ще приблизно 5% - на НВЧ-випромінювання, яке можна ефективно перетворити в електрику, тому ККД гелієвого реактора істотно вище, ніж тритієвого.
Часто кажуть, що спалювання гелію-3 потребує абсолютно фантастичних та недосяжних у найближчі півстоліття умов. Це не так. У 1991 р. на європейському токамаку JET вже «палили» гелій-3, під час реакції було отримано потужність 140 кВт. Зрозуміло, на запалення було витрачено значно більше енергії, ніж отримано результаті реакції - але JET був розрахований отримання позитивного энерговыхода. Так, для горіння гелію-3 бажано мати температуру не менше ніж 700 млн. градусів - здавалося б, дуже багато. Проте вже 10 років тому на JET'і було досягнуто температури 400 млн. градусів - більше половини потрібного! Для порівняння: коли в 1968 р. на токамаку Т-3 вдалося нагріти плазму «всього» до 1 млн градусів, це стало сенсацією, тепер, менше ніж через сорок років, у сто разів більші температури стали «повсякденними» і нікого не дивують.
Складність проведення термоядерної реакції можна характеризувати добутком nTt (щільність x температуру x час утримання). За цим параметром реакція D-3He приблизно у 100 разів складніша, ніж D-T. Великий розрив? Так, великий. Але за півстоліття термоядерних досліджень досягнуте nTt в середньому збільшувалося в 10 разів кожні 10 років. Як бачимо, умови, необхідні запалювання реакції D-3He, можуть бути досягнуті в найближчі десятиліття.
ЧОМУ МІСЯЧНИЙ ГЕЛІЙ-3?
4000 т земних запасів - це, начебто, багато. Однак ці 4000 т розсіяні в атмосфері та земнійкорі, так що отримати їх "в руки" просто неможливо. Доступні запаси становлять близько 500 кг (300 кг утворюються за рахунок розпаду тритію в ядерних боєголовках і важкій воді реакторів CANDU і 200 кг, що містяться в природному газі), причому з цих п'ятисот реально доступні лише перші 300 кг - 3He, що міститься в під газу, витягти дуже непросто.
Хоч як парадоксально, місячний гелій має сонячне походження. Протягом мільярдів років сонячний вітер бомбардував Місяць, частки зі швидкістю 400 км/с встромлялися в поверхню на глибину сотні ангстрем, і «застрягали» там – відбувалася своєрідна іонна імплантація. Згодом поверхня дробилася мікрометеоритами - відбувалося метеоритне перемішування, в результаті якого порошинки, що містять частинки сонячного вітру, потрапляли і в товщу реголіту, як вважають, на глибину аж до кількох метрів. За 4 мільярди років такого бомбардування на Місяць висипалося понад 500 млн т гелію-3.
Аналіз шести зразків ґрунту, привезених експедиціями «Аполлонів» і трьох зразків, доставлених «Лунами», показав, що в реголіті, що покриває всі моря та плоскогір'я Місяця, міститься близько 106 т гелію-3 - приблизно тисячна частка місячної поверхні. Куди подівся решта гелію - не зовсім зрозуміло; можливо, частина знаходиться глибоко в надрах Місяця, вкрита молодішими породами, а частина випарувалася при нагріванні ґрунту мікрометеоритами і випарувалася в міжпланетний простір. Однак і «доступні» для розробки запаси в 1 млн. т забезпечили б земну енергетику, навіть збільшену в порівнянні з сучасною в кілька разів (до 6000 ГВт), на 1000 років. Гелій-3 також міститься в атмосферах планет-гігантів, і, за оцінками, запаси його лише на Юпітері становлять 1020 т, чоговистачить для енергетики Землі назавжди. Реголіт покриває Місяць шаром завтовшки 5-15 м. Реголіт місячних морів багатший гелієм, ніж реголіт плоскогір'я. 1 кг гелію-3 міститься приблизно 100000 т реголіту.
ТЕХНОЛОГІЯ ВИДОБУТТЯ ГЕЛІЯ-3 НА МІСЯЦІ
Щоб отримати дорогоцінний ізотоп, його необхідно витопити з місячного грунту. Промисловість з видобутку гелію-3 повинна включати такі процеси:
1. Видобуток реголіту. Спеціальні «комбайни» повинні збирати реголіт з поверхневого шару завтовшки близько 2 м і доставляти його на пункти переробки або переробляти безпосередньо в процесі видобутку. Для отримання 1 кг 3He з енергетичним еквівалентом 6×105 ГДж необхідно зібрати 100000 т реголіту, для чого потрібні, за оцінками, енерговитрати порядку 2,2×103 ГД ж .
На пропозицію Святославського, «комбайн» має відокремлювати тонку фракцію реголіту - зерна розміром менше 50 мікрон - у якій міститься більша частина гелію-3. У тонкої фракції є ще одна перевага - її теплопровідність вища, ніж у «крупнозернистої», тому випарювання газів можна зробити швидше.
2. Десорбція гелію з реголіту. При нагріванні до 600 OС десорбується 75% гелію-3, що міститься в реголіті, при нагріванні до 800 O С - майже весь гелій-3 (порядку 95%). Нагрівання пропонується вести, фокусуючи сонячне світло або пластмасовими лінзами, або дзеркалами. Доставка «сонячних печей» на Місяць потребує енерговитрат приблизно 180 ГДж/кг. Комбайн повинен «зіскребати» з поверхні прогрітий сонцем шар реголіту, нагрівати його, збирати гази, що виділилися, а потім викидати відпрацьований реголіт назовні, пропустивши його через теплообмінник, де він віддасть своє тепло холодному «вхідному» реголіту - така рекуперація тепла продуктивність.Сонячне нагрівання - не єдиний можливий варіант. Більш раціональним може виявитися нагрівання за допомогою ядерного реактора - ядерний комбайн, на відміну від сонячного, за порівнянної маси зможе працювати не лише протягом місячного дня, а й уночі. Один комбайн, залежно від потужності, міг би за рік видобути від 3 до 30 кг гелію-3 (нагадаємо, що для річної роботи гігаватної електростанції потрібно 100 кг).
3. Поділ ізотопів 3He та 4He. Поділ ізотопів 3He та 4He пропонується вести у два щаблі. На першій виробляється криогенна дистиляція, що використовує різницю в температурах зрідження ізотопів. На другому ступені використовується надплинність 4He при охолодженні нижче 2,1 К. Поділ ізотопів рекомендується вести місячної ночі, коли температура поверхні падає до 120 К. Витрати енергії на нього оцінюються 180 МДж/кг.
Треба сказати, що Місяць має рясні запаси холоду, що значно спрощують завдання поділу - на глибині 1 м завжди тримається температура порядку 250 К, поверхня реголіту перед сходом остигає до 100 К, а в тіні можна отримати практично «температуру відкритого космосу» - 4 К, що вже достатньо для зрідження гелію.
4.Доставка на Землю. Після всіх процедур отримуємо кінцевий продукт – рідкий гелій-3. При доступних температурах він (на відміну від гелію-4) не надтекучий, а значить, «усушка та утруска» дорогоцінного ізотопу буде незначною. Енерговитрати на доставку рідкого гелію-3 на Землю оцінюються в 1 ГДж/кг. Зауважимо, що у вантажний відсік «Шаттла» помістилося б 25 т гелію-3 – більше, ніж достатньо, щоб на рік забезпечити потребу України в електроенергії.
Таким чином, сумарні енерговитрати на доставку гелію-3 Землю становлять 2,4 х 103 ГДж/кг. При спалюванні гелію-3 у термоядерномуреакторі виділяється 6 x 105 ГДж/кг, тобто. отримуємо виграш енергії до 250 разів. Для порівняння: виграш енергії при спалюванні копалин не вище 30 (16 для вугілля, 20 для урану).
При видобуванні гелію-3 з реголіту вилучаються також численні супутні речовини (водень, вода, азот, вуглекислий газ, метан, чадний газ), які можуть бути корисними для підтримки місячного промислового комплексу. Зокрема, водень та кисень Кульчинськи пропонує спалювати у паливних елементах для забезпечення енергією реголітопереробного комбайна. Спалювання метану і СО також може зробити внесок у прогрів реголіту.
Видобуток гелію-3 на Місяці виглядає цілком вигідним, як з суто енергетичного, так і з економічного погляду - зрозуміло, за умови, що на Землі експлуатується значна кількість термоядерних реакторів, що спалюють гелій-3. Створення таких реакторів видається в принципі цілком здійсненним, хоч і вимагає значних зусиль та часу - навряд чи меншого,30 років. Великий термін? Але таке ж, якщо не більше часу займе і створення місячної інфраструктури для видобутку гелію-3. Тому бажано, щоб «місячна» та «термоядерна» частини програми, спрямованої на створення енергетики другої половини XXI ст., були скоординовані.