Найти в Дзене
Цитадель адеквата

Сокровища Луны: Термоядерное горючее

Есть мнение, что экономически колонизацию Луны могла бы оправдать добыча гелия-3. Его там много. Не защищённые атмосферой и магнитным полем породы поверхности спутника миллиардами лет поливаются солнечным ветром. «Ветер» же представляет собой поток заряженных частиц высокой энергии. Главным образом это ядра водорода – протоны. Но попадаются и дейтроны, и ядра гелия, в том числе гелия «недоделанного», – всё что образует в сумме «материю Солнца». Протоны, врезаясь в капельки импактного стекла и щебень, из которых лунный реголит состоит по преимуществу, растрачивают энергию на электромагнитное взаимодействие, застревают, остывают и рекомбинируют, превращаясь в водород. Последний потом выходит и улетучивается, либо реагирует с кислородом, образуя «связанные» в силикатах молекулы воды… В реголите, таким образом, копится вода. И гелий. Гелий не умеет, как водород, убегать из сплошного камня. Но если образец реголита нагреть до плавления, гелий выйдет. ...Такое мнение есть уже более полувека,

Есть мнение, что экономически колонизацию Луны могла бы оправдать добыча гелия-3. Его там много. Не защищённые атмосферой и магнитным полем породы поверхности спутника миллиардами лет поливаются солнечным ветром. «Ветер» же представляет собой поток заряженных частиц высокой энергии. Главным образом это ядра водорода – протоны. Но попадаются и дейтроны, и ядра гелия, в том числе гелия «недоделанного», – всё что образует в сумме «материю Солнца».

Протоны, врезаясь в капельки импактного стекла и щебень, из которых лунный реголит состоит по преимуществу, растрачивают энергию на электромагнитное взаимодействие, застревают, остывают и рекомбинируют, превращаясь в водород. Последний потом выходит и улетучивается, либо реагирует с кислородом, образуя «связанные» в силикатах молекулы воды… В реголите, таким образом, копится вода. И гелий. Гелий не умеет, как водород, убегать из сплошного камня. Но если образец реголита нагреть до плавления, гелий выйдет.

...Такое мнение есть уже более полувека, – с тех пор, как в привезённых американскими экспедициями образцах был обнаружен не встречающийся на Земле гелий-3. Но воз и ныне там, так как развёртывание на естественном спутнике промышленной инфраструктуры, позволяющей перерабатывать миллиард тонн реголита, добывая до 100 тонн гелия-3 в год, экономически оправданным станет не прежде появления термоядерного реактора, способного переводить в электрическую форму разрушительную энергию релятивистских частиц. Пусть бы и только заряженных… Футурологи предсказывают, что проблема будет решена если не к середине этого века, то к середине следующего точно. Причины затруднений, связанных с созданием термоядерного реактора были рассмотрены в предыдущей публикации.

Следовательно, остаётся вопрос, причём здесь гелий-3, и почему нельзя обойтись обычным гелием, которого на Земле много… И кстати, почему на Земле есть гелий-4, но нет гелия-3?

Сначала о гелии. Изначально, этот газ – инертный, не образующий соединений, и очень лёгкий, – в состав планеты не вошёл. Что-то вытопилось и ударном переплавлении хондритов, что-то было захвачено из туманности в состав первичной атмосферы, но всё это давно утекло в космос. Так что, гелий, которым наполняют воздушные шарики сейчас, уже полостью земной – радиогенный. При распаде нестабильных изотопов среди продуктов очень часто встречается альфа-частица – ядро «правильного» гелия-4.

Гелий-3 также стабилен. Но производится он в звёздах, как промежуточный продукт термоядерного водород-гелиевого цикла. «Горение» водорода в ядре Солнца происходит в три этапа. Сначала два ядра водорода сливаются в дейтрон (с излучением позитрона и «солнечного» нейтрино). Потом, дейтрон с протоном сливаются в гелий-3. И, наконец, два гелия-3 сливаются в гелий-4 с излучением двух протонов…

И тут нужно заметить, что «простое» преобразование водорода в гелий просто только для звёзд. В ядрах светил водород содержится в сверхплотной, фактически, твёрдой форме, так что, промежуточные продукты не могут покинуть зону реакции, и выделившаяся энергия расходуется на преодоление потенциального барьера на следующем этапе. Техническими средствами на обозримом этапе такой подход невоспроизводим. Так что, цикл приходится разбирать на отдельные реакции… Ну и какую выбрать?

Очевидный вариант «водород-водород» не продуктивен. На этом этапе выделяется энергия 0.42 МэВ (ни о чём, по меркам термояда), да и та большей частью уносится неуловимым нейтрино. Как следствие, «простейшей» промышленной реакцией видится следующий этап: «протон-дейтрон». Тут потенциальный барьер даже ниже (инициировать реакцию проще), а выделяется – преимущественно в форме очень жёсткой гаммы, – энергия в 13 раз большая, – 5.5 МэВ…

Дейтерий доступен, так что, именно эта реакция в основном и практикуется в экспериментальных термоядерных установках. Но проблема, как отмечалось выше, давно уже не в том, чтобы слияние ядер инициировать. Нужно добиться того, чтобы выделившаяся энергия не уходила целиком на разрушение установки, а как-то поглощалась. В данном же случае из активной зоны вылетает не такой фотон, который может быть поглощён стенкой котла без массивной ионизации вещества, – то есть, разрушения стенки на уровне молекул.

Зато уж на третьем этапе слияние двух гелиев-3 даёт 12.8 МэВ в форме только заряженных частиц: альфы и двух протонов. А заряженные частицы можно, – как минимум, проблема потенциально разрешима на современном уровне технологий, – «тормозить» магнитным полем, добиваясь постепенного перехода энергии в мягкое излучение. Так что, дело остаётся за сущей мелочью, – как раз, гелия-3 на Земле и нет. Его, правда, можно получить искусственно. Но из трития. А радиоактивный, имеющий период полураспада всего 12 лет тритий, в свою очередь, производится в ядерных реакторах и продаётся по цене30 миллионов долларов за килограмм. Так что, даже в случае удорожания «чёрного золота» до 1600 долларов за баррель, дейтерий-тритиевая энергетика не станет оправданной экономически. Ведь, для получения трития всё равно требуются ядерные реакторы, потребляющие уран, а значит, и электричество всегда будет дешевле вырабатывать на АЭС.

...Есть другие варианты. Но все они не без греха. Например, обладающие наименьшим порогом и приличным энергетическим выходом реакции дейтерий-дейтерий или дейтерий-тритий дают этот выход в форме релятивистского нейтрона. То есть, дешевле обошлось бы, если б вообще не давали. Релятивистский нейтрон проходит сквозь десятки метров бетона и свинца, способен разрушать атомные ядра, захватываться, образуя радиоактивные изотопы… А потом превращается в протон и рекомбинирует в водород, изменяя свойства материалов.

Следующей за слиянием ядер гелия-3 реакцией с «хорошими» продуктами оказывается сразу протон-литий-7, дающая на выходе две альфа-частицы. Но она отличается очень высоким порогом инициации. Тем не менее, работы сейчас ведутся в данном направлении.