211service.com
Wydobywanie księżyca
Na początku XXI wieku niewielu przewidziało, że do 2007 r. rozpocznie się drugi wyścig o Księżyc. Jednak wszystko wskazuje na to, że tak jest teraz. Co więcej, w dzisiejszym wyścigu księżycowym, w przeciwieństwie do tego, który miał miejsce między Stanami Zjednoczonymi a ZSRR w latach 60., konkuruje pełna lista światowych potęg XXI wieku, w tym Chiny i Indie.
Gorące gazy: Naukowcy z Instytutu Technologii Fuzji Uniwersytetu Wisconsin-Madison testują ten reaktor termojądrowy, pokazany z widokiem na siatkę, w której odbywa się wewnętrzne uwięzienie elektrostatyczne.
Jeszcze bardziej zaskakujące jest to, że jednym z powodów dużego zainteresowania wydaje się być plan wydobycia helu-3 – podobno idealnego paliwa do reaktorów termojądrowych, ale prawie niedostępnego na Ziemi – z powierzchni Księżyca. NASA Vision for Space Exploration zakłada, że amerykańscy astronauci mają wrócić na Księżyc w 2020 roku i na stałe obsadzić tam bazę do 2024 roku. Chociaż amerykańska agencja kosmiczna nie ogłosiła ani nie zaprzeczyła chęci wydobycia helu-3, niemniej jednak umieściła zwolenników wydobycie He3 na wpływowych stanowiskach. Ze swojej strony Rosja twierdzi, że celem każdego własnego programu księżycowego – co jest warte, jest korporacja rakietowa Energia niedawno zaczął się chlać, w stylu sowieckim, że zbuduje stała baza księżycowa do 2015-2020 – będzie wydobywać He3.
Chińczycy też najwyraźniej wierzą, że hel-3 z Księżyca może umożliwić roślinom fuzyjnym na Ziemi. Tej jesieni Republika Ludowa spodziewa się okrążenia satelity wokół Księżyca, a następnie wylądowania tam bezzałogowego pojazdu w 2011 roku.
Indie też nie zamierzają zostać pominięte. (Patrz India’s Space Ambitions Soar). Minionej wiosny jej prezes, A.P.J. Kalam i jego premier Manmohan Singh wygłosili ważne przemówienia, twierdząc, że oprócz budowy gigantycznych kolektorów słonecznych na orbicie i na Księżycu, największa demokracja na świecie również zamierza wydobywać He3 z powierzchni Księżyca. sonda indyjska, Chandrayaan-1 , wystartuje w przyszłym roku, a ISRO, Indyjska Organizacja Badań Kosmicznych, mówi o wysłaniu Chandrayaan-2 , łazik powierzchniowy, w 2010 lub 2011 roku. Jednocześnie Japonia i Niemcy również głośno mówią o rozpoczęciu własnych misji księżycowych w tym czasie i rozmawiają o możliwości wydobycia He3 i sprowadzenia go z powrotem do reaktorów jądrowych opartych na fuzji paliwowej na Ziemia.
Czy He3 z księżyca naprawdę może być realnym rozwiązaniem dla naszych potrzeb energetycznych na Ziemi? Obecnie przewiduje się, że praktyczna fuzja jądrowa będzie o pięć dekad odległa od tej samej prognozy, która pojawiła się na konferencji Atomy dla Pokoju w 1958 r. w Brukseli. Jeśli data nadejścia energii termojądrowej wciąż pozostaje 50 lat od 1958 roku, dlaczego hel-3 miałby nagle uczynić ją bardziej wykonalną?
Zwolennicy fuzji opartej na He3 wskazują na fakt, że obecne wysiłki na rzecz rozwoju wytwarzania energii opartej na fuzji, jak ITER megaprojekt, użyj cyklu paliwowego deuter-tryt, co jest problematyczne. (Patrz International Fusion Research .) Zarówno deuter, jak i tryt są izotopami wodoru, a kiedy łączą się w przegrzanej plazmie, dwa jądra łączą się, tworząc jądro helu – składające się z dwóch protonów i dwóch neutronów – oraz neutronu o wysokiej energii . Reakcja syntezy deuteru z trytem uwalnia 80 procent swojej energii w strumieniu wysokoenergetycznych neutronów, które są wysoce niszczące dla wszystkiego, w co uderzą, w tym zbiornika bezpieczeństwa reaktora. Tryt jest wysoce radioaktywny, co sprawia, że powstrzymywanie jest dużym problemem, ponieważ struktury słabną i wymagają wymiany. Zatem jakiekolwiek materiały użyte w elektrowni syntezy deuterowo-trytowej będą musiały wytrzymać poważne kary. A jeśli jest to możliwe, kiedy reaktor termojądrowy zostanie ostatecznie zlikwidowany, nadal będzie dużo odpadów radioaktywnych.
Zwolennicy helu-3 twierdzą, że z drugiej strony byłby on nieradioaktywny, co pozwoliłoby uniknąć wszystkich tych problemów. Ale poważny krytyk zarzucił, że w rzeczywistości fuzja oparta na He3 nie jest nawet wykonalną opcją. W sierpniowym numerze Fizyka Świat , fizyk teoretyczny Frank Close z Oksfordu w Wielkiej Brytanii opublikował artykuł zatytułowany Obawy przed faktoidami w którym, między innymi, podsumowuje niektóre twierdzenia miłośników helu, a następnie odrzuca te twierdzenia jako zasadniczo fantazje.
Close wskazuje, że w tokamaku – maszynie, która generuje pole magnetyczne w kształcie pączka, aby ograniczyć przegrzaną plazmę niezbędną do fuzji – deuter reaguje do 100 razy wolniej z helem-3 niż z trytem. W plazmie zawartej w tokamaku, naprężenia Close, wszystkie jądra w paliwie mieszają się ze sobą, więc najbardziej prawdopodobne jest to, że dwa jądra deuteru szybko się połączą i wytworzą jądro trytu i proton. Ten tryt z kolei prawdopodobnie połączy się z deuterem i ostatecznie da jeden atom helu-4 i neutron. Krótko mówiąc, Close mówi, że jeśli hel-3 zostanie wydobyty z Księżyca i sprowadzony na Ziemię, w standardowym tokamaku ostatecznym wynikiem będzie fuzja deuteru z trytem.
Po drugie, Close odrzuca twierdzenie, że dwa jądra helu-3 można realistycznie połączyć ze sobą w celu wytworzenia deuteru, cząstki alfa i energii. Ta reakcja zachodzi nawet wolniej niż fuzja deuteru z trytem, a paliwo musiałoby zostać podgrzane do niepraktycznie wysokich temperatur — według niektórych obliczeń — sześciokrotnie wyższych niż temperatura wnętrza Słońca — które byłyby poza zasięgiem jakiegokolwiek tokamaka. Stąd, konkluduje Close, historia księżycowego helu-3 jest moim zdaniem bimbrem.
Sprzeciw Close zakłada jednak, że fuzja deuteru z helem-3 i czystego helu-3 miałyby miejsce w reaktorach na bazie tokamaka. Mogą istnieć alternatywy: na przykład Gerald Kulciński , profesor inżynierii jądrowej na Uniwersytecie Wisconsin-Madison, utrzymuje jedyny na świecie reaktor termojądrowy z helem-3 z rocznym budżetem wynoszącym zaledwie sześć cyfr.
Reaktor termojądrowy Kulciński He3, zlokalizowany w Instytucie Technologii Fuzji na Uniwersytecie Wisconsin, jest bardzo mały. Podczas działania zawiera sferyczną plazmę o średnicy około 10 centymetrów, która może wytworzyć trwałą fuzję z 200 milionami reakcji na sekundę. Aby wyprodukować miliwat mocy, reaktor zużywa niestety kilowat. Odpowiedź Close jest zatem wystarczająco słuszna: kiedy zachodzi praktyczna fuzja z wykazaną mocą wyjściową netto, ja – i światowa społeczność zajmująca się fuzją – możemy to zauważyć.
Jednak krytyka ta dotyczy w równym stopniu ITER, jak i reaktora opartego na tokamaku, które również nie osiągnęły jeszcze progu rentowności (punktu, w którym reaktor termojądrowy wytwarza tyle energii, ile zużywa). W reaktorze w Wisconsin ważne jest to, że, jak mówi Kulciński, przeprowadzamy zarówno reakcje deuteru-He3, jak i He3-He3. Codziennie przeprowadzamy reakcje fuzji deuteru z He3, więc bardzo dobrze znamy tę reakcję. Robimy również He3-He3, ponieważ jeśli będziemy w stanie to kontrolować, będzie to miało ogromny potencjał.
Reaktor w Instytucie Technologii Fusion wykorzystuje technologię o nazwie inercyjne ograniczenie elektrostatyczne (IEC). Kulciński wyjaśnia: Gdybyśmy użyli tokamaka do wykonania deuteru-helu-3, musiałby być większy niż urządzenie ITER, które i tak już przekracza granice wiarygodności. Z drugiej strony, nasze urządzenia IEC są wielkości blatu, a podczas naszych przebiegów deuteru-He3 otrzymujemy trochę neutronów wytwarzanych w reakcji ubocznej z deuterem. Niemniej jednak Kulciński kontynuuje, gdy zachodzą reakcje uboczne, w których dwa jądra deuteru łączą się w celu wytworzenia jądra trytu i protonu, wytwarzany tryt ma tak wyższy poziom energii niż system uwięzienia, że natychmiast ucieka. W konsekwencji radioaktywność w naszym układzie deuter-He3 stanowi tylko 2 procent radioaktywności w układzie deuter-tryt.
Bardziej znacząca jest reakcja syntezy He3-He3, którą Kulciński i jego asystenci wytwarzają za pomocą reaktora opartego na IEC. W reaktorze Kulcińskiego dwa jądra helu-3, każde z dwoma protonami i jednym neutronem, łączą się, tworząc jedno jądro helu-4, składające się z dwóch protonów i dwóch neutronów oraz dwóch wysokoenergetycznych protonów.
He3-He3 nie jest łatwą reakcją na promocję, mówi Kulciński. Ale fuzja He3-He3 ma największy potencjał. Dzieje się tak dlatego, że hel-3, w przeciwieństwie do trytu, jest nieradioaktywny, co po pierwsze oznacza, że reaktor Kulcińskiego nie potrzebuje masywnego pojemnika zabezpieczającego, którego wymaga fuzja deuteru z trytem. Po drugie, protony, które wytwarza – w przeciwieństwie do neutronów wytwarzanych w reakcjach deuteru z trytem – posiadają ładunki i mogą być powstrzymywane za pomocą pól elektrycznych i magnetycznych, co z kolei skutkuje bezpośrednim wytwarzaniem elektryczności. Kulciński mówi, że jeden z jego asystentów w Instytucie Technologii Fusion pracuje nad urządzeniem półprzewodnikowym do przechwytywania protonów i przekształcania ich energii bezpośrednio w energię elektryczną.
Jednak reaktor Kulcińskiego dowodzi jedynie teoretycznej wykonalności i zalet fuzji He3-He3, a opłacalność komercyjna leży kilkadziesiąt lat w przyszłości. Obecnie, jak mówi, Departament Energii powie nam: „Zrobimy fuzję. Ale nigdy nie wrócisz na Księżyc, a to jedyny sposób, w jaki dostaniesz ogromne ilości helu-3. Więc zapomnij”. Tymczasem ludzie z NASA mówią nam: „Możemy zdobyć hel-3. Ale nigdy nie dostaniesz, że fuzja zadziała”. Tak więc DOE nie uważa, że NASA może wykonać swoją pracę, NASA nie uważa, że DOE może wykonać swoją pracę, a my jesteśmy pomiędzy próbami zmuszenia ich do współpracy. Obecnie środki finansowe Kulcńskiego pochodzą od dwóch zamożnych osób, które, jak mówi, są zainteresowane tylko badaniami i nie oczekują zysku finansowego.
Ogólnie rzecz biorąc, hel-3 to nie nisko wiszący owoc wśród potencjalnych paliw, aby wytworzyć praktyczną moc syntezy jądrowej, i to jest taki, który będziemy musieli dotrzeć do księżyca, aby go zerwać. To powiedziawszy, jeśli możliwe jest zrealizowanie czystej energii termojądrowej opartej na He3, miałoby to ogromne zalety.