«Техника-молодежи» 2006 г №4, с.2-4
| ЛУННОЕ БУДУЩЕЕ ЗЕМНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ |
Дмитрий ОЗОЛ, МФТИ
Современный мир, прочувствовав приближающуюся угрозу энергетического и экологического кризиса, ищет новые пути. Волей-неволей энергетика второй половины XXI в. будет радикально отличаться от современной. Один из вариантов разрешения энергетической проблемы — энергетика термоядерная.
| О |
сознав это, наиболее развитые страны объединили усилия в проекте ИТЭР, целью которого является создание термоядерного реактора — он будет построен в городе Кадараш на юге Франции. Заметим, что за право разместить ИТЭР на своей территории боролись на самом высоком уровне Европа, Канада и Япония — несмотря на то, что по международным договоренностями «принимающая сторона— обязана взять на себя 50% расходов, а остальные участники — лишь по 10%. На сегодняшний день в проекте участвуют Россия, США, Европейский Союз, Япония, Китай, а также Южная Корея и Индия.
Создание термоядерной энергетики позволило бы многократно уменьшить радиационную опасность и полностью исключить возможность катастроф чернобыльского типа.
Из всех возможных реакций ядерного синтеза наибольший интерес вызывают две — дейтерия с тритием и дейтерия с гелием-3, лёгким изотопом гелия:
D + T → 4He+n+17.6 МэВ.
D + 3Не → 4Не+р+18.3 МэВ
Первая — из-за своей относительной простоты, вторая — из-за высоких энергетических и экологических показателей при достижимых температурах, а также некоторых «технологических» преимуществ.
Тритий радиоактивен, и имеет относительно небольшой период полураспада, поэтому в природе его нет вообще, и для нужд энергетики его придётся получать искусственно. Гелий-3 стабилен, но на Земле его запасы малы, в то время как на Луне — огромны.
Не исключено, что Луна станет «Персидским заливом» XXI в. Конечно, добывать топливо в космосе — дело непривычное и, на первый взгляд, с учётом транспортировки неприемлемо дорогое, но энергосодержание гелия-3 так велико, что всего 100 кг хватит для годовой работы электростанции гигаваттного уровня. Поэтому понятно то внимание, которое в последнее время начинает уделяться этому вопросу в России, США, даже в Китае.
Главные пропагандисты этой идеи — профессор Дж. Кульчински (G.L. Kulcinski), директор Института Термоядерной Технологии Висконсинского университета и X. Шмитт (Н.Н. Schmitt), единственный геолог, побывавший на Луне. В нашей стране пионером работ в этом направлении был известный физик И.Н. Головин (Институт Атомной Энергии им. Курчатова).
 Содержание гелиа-3 и титана в лунном грунте |
Гелий-3 позволит создать абсолютно безопасную энергетику, обеспеченную практически неограниченными запасами топлива.
Перспективная термоядерная энергетика, использующая наиболее легко осуществимую реакцию дейтерий-тритий, хоть и гораздо более безопасна, чем ядерная энергетика деления, всё же имеет ряд существенных недостатков. Основной — это большое число высокоэнергетичных нейтронов (число нейтронов на единицу мощности на порядок больше, чем у реакторов деления, энергия нейтронов примерно в 7 раз выше). Такого нейтронного потока ни один из известных материалов не может выдержать больше 6 лет — при том, что ресурс реактора должен быть не меньше 30 лет. Значит, первую стенку тритиевого термоядерного реактора необходимо регулярно заменять — а это очень сложная и недешёвая процедура, связанная к тому же с остановкой реактора на длительный срок. От мощного нейтронного излучения необходимо экранировать магнитную систему реактора — это усложняет конструкцию и удорожает её. Многие элементы конструкции тритиевого реактора после окончания эксплуатации будут высокоактивными и потребуют захоронения на длительный срок.
Источников трития в природе нет, тритий придётся нарабатывать непосредственно на электростанции — возникают дополнительные сложности с радиохимией.
Кроме того, в реакции D-T 80% энерговыхода приходится на нейтроны, и лишь 18% — на заряженные частицы, что уменьшает КПД энергетического реактора.
В случае же использования реакции D-3He положение существенно улучшается. Нейтронный поток падает в 30 раз (нейтроны возникают в результате побочных реакций D-D), к тому же энергия нейтронов значительно меньше, в результате повреждения первой стенки становятся несущественными, и срок службы в 30-40 лет можно обеспечить без труда. После окончания эксплуатации гелиевого реактора высокоактивные отходы не образуются, радиоактивность элементов конструкции будет так мала, что их можно захоронить буквально на городской свалке, слегка присыпав землёй. На заряженные частицы в реакции D-3He приходится 60% энергии, еще примерно 5% — на СВЧ-излучение, которое можно эффективно преобразовать в электричество, поэтому КПД гелиевого реактора существенно выше, чем тритиевого.
Часто говорят, что сжигание гелия-3 требует совершенно фантастических и недостижимых в ближайшие полвека условий. Это не так. В 1991 г. на европейском токамаке JET уже «жгли» гелий-3, в ходе реакции была получена мощность 140 кВт. Разумеется, на зажигание было потрачено значительно больше энергии, чем получено в результате реакции — но JET не был рассчитан на получение положительного энерговыхода. Да, для горения гелия-3 желательно иметь температуру не менее 700 млн. градусов — казалось бы, очень много. Однако уже 10 лет назад на JET'e была достигнута температура 400 млн. градусов — больше половины нужного! Для сравнения: когда в 1968 г. на токамаке T-3 удалось нагреть плазму «всего» до 1 млн градусов, это стало сенсацией, теперь же, менее сорока лет спустя, в сто раз большие температуры стали «обиходными» и никого не удивляют.
| Получение гелия-3 и попутных продуктов из лунного грунта |
Сложность проведения термоядерной реакции можно характеризовать произведением nTt (плотность х температуру х время удержания). По этому параметру реакция D-3He примерно в 100 раз сложнее, чем D-T. Большой разрыв? Да, немаленький. Но за полвека термоядерных исследований достигнутое nTt в среднем увеличивалось в 10 раз каждые 10 лет. Как видим, условия, необходимые для зажигания реакции D-3He, могут быть достигнуты в ближайшие десятилетия.
ПОЧЕМУ ЛУННЫЙ ГЕЛИЙ-3?
Потому что на Земле гелия-3 очень мало — суммарные запасы оцениваются в 4000 т (содержание гелия-3 в атмосферном гелии очень низко, и в гелии, получаемом из природного газа, не превосходит 2x10-6 от 4Не). Искусственное получение 3Не (например, в ходе распада трития) также представляет собой сложную и дорогую задачу.
4000 т земных запасов — это, казалось бы, много. Однако эти 4000 т рассеяны в атмосфере и земной коре, так что заполучить их «в руки» просто невозможно. Доступные запасы составляют около 500 кг (300 кг образующиеся за счёт распада трития в ядерных боеголовках и тяжёлой воде реакторов CANDU и 200 кг, содержащиеся в природном газе), причём из этих пятисот реально доступны лишь первые 300 кг — 3Не, содержащийся в подземных запасах природного газа, извлечь весьма непросто.
Но всё же в пределах досягаемости находится богатый источник гелия-3 — Луна.
Высокое содержание гелия-3 в лунном реголите еще в 1970 г. обнаружил Пепин, изучая образцы грунта, доставленные «Аполлонами», однако это обстоятельство не привлекало внимания вплоть до 1986 г., когда термоядерщики из Висконсинского университета во главе с Дж. Кульчински «переоткрыли» лунные запасы гелия.
Как ни парадоксально, лунный гелий имеет солнечное происхождение. В течение миллиардов лет солнечный ветер бомбардировал Луну, частицы со скоростью 400 км/с вонзались в поверхность на глубину сотни ангстрем, и «застревали» там — происходила своеобразная ионная имплантация. Впоследствии поверхность дробилась микрометеоритами — происходило метеоритное перемешивание, в результате которого пылинки, содержащие частицы солнечного ветра, попадали и в толщу реголита, как полагают, на глубину вплоть до нескольких метров. За 4 миллиарда лет такой бомбардировки на Луну высыпалось более 500 млн т гелия-3.
Анализ шести образцов грунта, привезенных экспедициями «Аполлонов» и трёх образцов, доставленных «Лунами», показал, что в реголите, покрывающем все моря и плоскогорья Луны, содержится порядка 106 т гелия-3 — примерно тысячная доля выпавшего на лунную поверхность. Куда делся остальной гелий — не вполне понятно; возможно, часть находится глубоко в недрах Луны, покрытая более молодыми породами, а часть испарилась при нагреве грунта микрометеоритами и улетучилась в межпланетное пространство. Однако и «доступные» для разработки запасы в 1 млн т обеспечили бы земную энергетику, даже увеличенную по сравнению с современной в несколько раз (до 6000 ГВт), на 1000 лет. Гелий-3 также содержится в атмосферах планет-гигантов, и, по оценкам, запасы его только на Юпитере составляют 1020 т, чего хватит для энергетики Земли навсегда.
Реголит покрывает Луну слоем толщиной в 5-15 м. Реголит лунных морей богаче гелием, чем реголит плоскогорий. 1 кг гелия-3 содержится приблизительно в 100000 т реголита.
Известно, что существует связь между концентрацией 3Не в реголите и содержанием оксида титана ТO2, что позволяет путём зондирования с окололунной орбиты приблизительно оценить количество гелия-3 в выбранном районе. Как выяснилось в результате картирования, проведенного «Клементиной», наиболее «гелиеносным» районом Луны является Море Спокойствия.
ТЕХНОЛОГИЯ ДОБЫЧИ ГЕЛИЯ-3 НА ЛУНЕ
Чтобы получить драгоценный изотоп, его необходимо «вытопить» из лунного грунта. Промышленность по добыче гелия-3 должна включать следующие процессы:
1. Добыча реголита. Специальные «комбайны» должны собирать реголит с поверхностного слоя толщиною около 2 м и доставлять его на пункты переработки или же перерабатывать непосредственно в процессе добычи. Для получения 1 кг 3He с энергетическим эквивалентом 6x105 ГДж необходимо собрать 100000 т реголита, для чего требуются, по оценкам, энергозатраты порядка 2,2x103 ГДж.
По предложению Святославского, «комбайн» должен отделять тонкую фракцию реголита — зерна размером менее 50 микрон — в которой содержится большая часть гелия-3. У тонкой фракции есть и еще одно преимущество — её теплопроводность выше, чем у «крупнозернистой», поэтому выпаривание газов можно произвести быстрее.
 Лунный завод |
2. Десорбция гелия из реголита. При нагреве до 600°С десорбируется 75% содержащегося в реголите гелия-3. при нагреве до 800 "С — почти весь гелий-3 (порядка 95%).
Нагрев предлагается вести, фокусируя солнечный свет либо пластмассовыми линзами, либо зеркалами. Доставка «солнечных печей» на Луну требует энергозатрат примерно 180 ГДж/кг. Комбайн должен «соскребать» с поверхности прогретый солнцем слой реголита, нагревать его, собирать выделившиеся газы, а затем выбрасывать отработанный реголит наружу, пропустив его через теплообменник, где он отдаст своё тепло холодному «входящему» реголиту — такая рекуперация тепла позволит в несколько раз увеличить производительность. Солнечный нагрев — не единственный возможный вариант. Более рациональным может оказаться нагрев с помощью ядерного реактора — ядерный комбайн, в отличие от солнечного, при сравнимой массе сможет работать не только в течение лунного дня, но и ночью. Один комбайн, в зависимости от мощности, мог бы за год добыть от 3 до 30 кг гелия-3 (напомним, что для годовой работы гигаваттной электростанции необходимо 100 кг).
3. Разделение изотопов 3Не и 4Не. Разделение изотопов 3Не и 4Не предлагается вести в две ступени. На первой производится криогенная дистилляция, использующая разницу в температурах ожижения изотопов. На второй ступени используется сверхтекучесть 4Не при охлаждении ниже 2,1 К. Разделение изотопов рекомендуется вести лунной ночью, когда температура поверхности падает до 120 К. Затраты энергии на него оцениваются в 180 МДж/кг.
Надо сказать, что Луна располагает обильными запасами холода, значительно упрощающими задачу разделения — на глубине 1 м всегда держится температура порядка 250 К, поверхность реголита перед восходом остывает до 100 К, а в тени можно получить практически «температуру открытого космоса» — 4 К, что уже достаточно для ожижения гелия.
4. Доставка на Землю. После всех процедур получаем конечный продукт — жидкий гелий-3. При доступных температурах он (в отличие от гелия-4) не сверхтекуч, а значит, «усушка и утруска» драгоценного изотопа будет незначительна. Энергозатраты на доставку жидкого гелия-3 на Землю оцениваются в 1 ГДж/кг, Заметим, что в грузовой отсек «Шаттла» поместилось бы 25 т гелия-3 — больше, чем достаточно, чтобы на год обеспечить потребность России в электроэнергии.
Таким образом, суммарные энергозатраты на доставку гелия-3 на Землю составляют 2,4 x 103 ГДж/кг. При сжигании гелия-3 в термоядерном реакторе выделяется 6·105 ГДж/кг, т.е. получаем выигрыш в энергии до 250 раз. Для сравнения: выигрыш энергии при сжигании ископаемых топлив не выше 30 (16 для угля, 20 для урана).
При добыче гелия-3 из реголита извлекаются также многочисленные сопутствующие вещества (водород, вода, азот, углекислый газ, метан, угарный газ), которые могут быть полезны для поддержания лунного промышленного комплекса. В частности, водород и кислород Кульчински предлагает сжигать в топливных элементах для обеспечения энергией реголитоперерабатывающего комбайна. Сжигание метана и СО также может внести вклад в прогрев реголита.
ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ОЦЕНКИ
Как ни парадоксально, по энергетическому эквиваленту лунный гелий-3 может оказаться дешевле земного каменного угля.
По оценкам Дж. Кульчински, затраты на организацию системы транспортировки составят 3,5-4 млрд $ + 750 млн $ через каждые 10 рейсов к Луне. Доставка 7 т гелия-3 на околоземную орбиту — порядка 30 млн $.
В 1990 г. США потратили на топливо для производства электроэнергии 50 млрд $. Такое же количество энергии можно получить из 25 т гелия-3. Таким образом, цена в 2 млрд S за тонну гелия-3 была бы вполне приемлемой. Цена даже в 1 млрд $ за тонну гелия-3 эквивалентна цене 7$ за баррель нефти или 15$ за тонну угля, что заметно ниже современных рыночных цен (70$ и выше за баррель нефти!). Значит, цена за 1 т гелия-3 в 10 млрд $ и даже выше более чем приемлема.
Добыча гелия-3 на Луне выглядит вполне выгодной, как с чисто энергетической, так и с экономической точки зрения — разумеется, при условии, что на Земле эксплуатируется значительное число термоядерных реакторов, сжигающих гелий-3. Создание таких реакторов представляется в принципе вполне осуществимым, хотя и требует значительных усилий и времени — вряд ли меньшего, чем 30 лет.
Большой срок? Но такое же, если не большее, время1 займет и создание лунной инфраструктуры для добычи гелия-3. Поэтому желательно, чтобы «лунная» и «термоядерная» части программы, нацеленной на создание энергетики второй половины XXI в., были скоординированы.
1 Руководство PKK «Энергия», например, настроено куда оптимистичнее... — Ред.