Гелий

Гелий-3 как термоядерное топливо

Несмотря на полезность данного изотопа для вышеупомянутых сфер, главы государств рассматривают его в первую очередь как термоядерное топливо.

Как известно, современные атомные электростанции используют ядерную цепную реакцию, в результате которой происходит ядерный распад с выделением энергии. Термоядерный же реактор, синтезирующий более тяжелое вещество с выделением энергии, имеет ряд преимуществ перед ядерным реактором, работа которого основывается на реакциях распада:

Использование в реакторах гелия-3 снижает риск повторения Чернобыльской катастрофы

• Минимальная вероятность того, что мощность реакции в термоядерном реакторе внезапно подскочит.
• Отсутствие продуктов сгорания.
• Для работы термоядерного реактора не требуется топливо, которое используется для разработки ядерного оружия. Это не позволит вести террористическую деятельность, выработку термоядерного топлива для оружия, под предлогом добычи энергии за счет этого топлива.
• Радиоактивные отходы, вырабатываемые такими реакторами, несут меньше вреда для окружающей среды, а также имеют значительно меньший период полураспада.
• Водород, выступающий в роли топлива для термоядерных реакторов, может добываться из морской воды, а значит, представлен на Земле в практически неисчерпаемом объеме.

Добыча водорода достаточно проста — добыть немного можно даже в домашних условиях

Несмотря на то, что в промышленных рамках термоядерный реактор еще не будет использоваться в ближайшее десятилетие, ученым уже удалось выяснить перспективность гелия-3 как будущего топлива для такого рода реакторов.

Первым аргументом в пользу использования данного изотопа в управляемом ядерном синтезе является тот факт, что в результате реакции будет излучаться в десятки раз меньший поток нейтронов. Что не только позволит избежать значительной направленной радиоактивности, но и заметно увеличит сроки эксплуатации оборудования.

Вместо нейтронов такой реактор будет излучать протоны, что является вторым аргументом в пользу гелия-3. В отличие от нейтронов, протоны можно легко использовать для дополнительной выработки электроэнергии (в магнитогидродинамическом генераторе).

Модель магнитогидродинамической установки

Кроме того, гелий-3 не несет опасности во время хранения и не требует больших затрат на содержание, а в случае аварии на реакторе радиоактивность его выброса будет практически нулевая. Для сравнения, реакция ядерного синтеза с участием гелия-3 принесет количество энергии, равное энергии, высвободившейся в результате сгорания 15 млн тонн нефти. По оценкам американских ученых 40 000 кг гелия-3 достаточно, чтобы выработать электричество, потребляемое США за год. В 2009-м году же изотоп оценивался около 930 долларов за литр .

Зачем нужен гелий-3?

Перспективная термоядерная энергетика, использующая в качестве основы реакцию синтеза дейтерий-тритий, хотя и более безопасна, чем энергетика деления ядра атома, которая используется на современных АЭС, все же имеет ряд существенных недостатков.

• Во-первых, при этой реакции выделяется куда большее (на порядок!) число высокоэнергетичных нейтронов. Столь интенсивного нейтронного потока ни один из известных материалов не может выдержать свыше шести лет — при том, что имеет смысл делать реактор с ресурсом как минимум в 30 лет. Следовательно, первую стенку тритиевого термоядерного реактора будет необходимо заменять — а это очень сложная и дорогостоящая процедура, связанная к тому же с остановкой реактора на довольно длительный срок.
• Во-вторых, от мощного нейтронного излучения необходимо экранировать магнитную систему реактора, что усложняет и, соответственно, удорожает конструкцию.
• В-третьих, многие элементы конструкции тритиевого реактора после окончания эксплуатации будут высокоактивными и потребуют захоронения на длительный срок в специально созданных для этого хранилищах.

В случае же использования в термоядерном реакторе дейтерия с изотопом гелия-3 вместо трития большинство проблем удается решить. Интенсивность нейтронного потока падает в 30 раз — соответственно, можно без труда обеспечить срок службы в 30-40 лет. После окончания эксплуатации гелиевого реактора высокоактивные отходы не образуются, а радиоактивность элементов конструкции будет так мала, что их можно захоронить буквально на городской свалке, слегка присыпав землей.

В чем же проблема? Почему мы до сих пор не используем такое выгодное термоядерное топливо?

Прежде всего, потому, что на нашей планете этого изотопа чрезвычайно мало. Рождается он на Солнце, отчего иногда называется «солнечным изотопом». Его общая масса там превышает вес нашей планеты. В окружающее пространство гелий-3 разносится солнечным ветром. Магнитное поле Земли отклоняет значительную часть этого ветра, а потому гелий-3 составляет лишь одну триллионную часть земной атмосферы — примерно 4000 т. На самой Земле его еще меньше — около 500 кг.

На Луне этого изотопа значительно больше. Там он вкрапляется в лунный грунт «реголит», по составу напоминающий обычный шлак. Речь идет об огромных — практически неисчерпаемых запасах!

Высокое содержание гелия-3 в лунном реголите еще в 1970 году обнаружил физик Пепин, изучая образцы грунта, доставленные американскими космическими кораблями серии «Аполлон». Однако это открытие не привлекало внимания вплоть до 1985 года, когда физики-ядерщики из Висконсинского университета во главе с Дж.Кульчински «переоткрыли» лунные запасы гелия.

Анализ шести образцов грунта, привезенных экспедициями «Аполлон», и двух образцов, доставленных советскими автоматическими станциями «Луна», показал, что в реголите, покрывающем все моря и плоскогорья Луны, содержится до 106 т гелия-3, что обеспечило бы потребности земной энергетики, даже увеличенной по сравнению с современной в несколько раз, на тысячелетие! По современным прикидкам, запасы гелия-3 на Луне на три порядка больше — 109 т.

Кроме Луны, гелий-3 можно найти в плотных атмосферах планет-гигантов, и, по теоретическим оценкам, запасы его только на Юпитере составляют 1020 т, чего хватило бы для энергетики Земли до скончания времен.

Проекты добычи гелия-3

Реголит покрывает Луну слоем толщиной в несколько метров. Реголит лунных морей богаче гелием, чем реголит плоскогорий. 1 кг гелия-3 содержится приблизительно в 100 000 т реголита.

Следовательно для того, чтобы добыть драгоценный изотоп, необходимо переработать огромное количество рассыпчатого лунного грунта.

С учетом всех особенностей технология добычи гелия-3 должна включать следующие процессы:

1. Добыча реголита.

Специальные «комбайны» будут собирать реголит с поверхностного слоя толщиною около 2 м и доставлять его на пункты переработки или перерабатывать непосредственно в процессе добычи.

2. Выделение гелия из реголита.

При нагреве реголита до 600?С выделяется (десорбируется) 75% содержащегося в реголите гелия, при нагреве до 800?С — почти весь гелий. Нагрев пыли предлагается вести в специальных печах, фокусируя солнечный свет либо пластмассовыми линзами, либо зеркалами.

3. Доставка на Землю космическими кораблями многоразового использования.

При добыче гелия-3 из реголита извлекаются также многочисленные вещества: водород, вода, азот, углекислый газ, азот, метан, угарный газ, — которые могут быть полезны для поддержания лунного промышленного комплекса.

Проект первого лунного комбайна, предназначенного для переработки реголита и выделения из него изотопа гелия-3, был предложен еще группой Дж.Кульчински. В настоящее время частные американские компании разрабатывают несколько прототипов, которые, видимо, будут представлены на конкурс после того, как НАСА определится с чертами будущей экспедиции на Луну.

Понятно, что, кроме доставки комбайнов на Луну, там придется возвести хранилища, обитаемую базу (для обслуживания всего комплекса оборудования), космодром и многое другое. Считается, тем не менее, что высокие затраты на создание развитой инфраструктуры на Луне окупятся сторицей в плане того, что грядет глобальный энергетический кризис, когда от традиционных видов энергоносителей (уголь, нефть, природный газ) придется отказаться.

Транспортировка

Два сосуда Дьюара по 250 л с жидким гелием.

Для транспортировки газообразного гелия используются стальные баллоны (ГОСТ 949-73) коричневого цвета, помещаемые в специализированные контейнеры. Для перевозки можно использовать все виды транспорта при соблюдении соответствующих правил перевозки газов.

Для перевозки жидкого гелия применяются специальные транспортные сосуды Дьюара типа СТГ-10, СТГ-25 и т. п. светло-серого цвета объёмом 10, 25, 40, 250 и 500 литров, соответственно. При выполнении определённых правил транспортировки может использоваться железнодорожный, автомобильный и другие виды транспорта. Сосуды с жидким гелием обязательно должны храниться в вертикальном положении.

Применение

Гелий широко используется в промышленности и народном хозяйстве:

• в металлургии в качестве защитного инертного газа для выплавки чистых металлов;
• в пищевой промышленности (зарегистрирован в качестве пищевой добавки E939) как пропеллент и упаковочный газ;
• в качестве хладагента для получения сверхнизких температур (в частности, для перевода металлов в сверхпроводящее состояние);
• для наполнения воздухоплавающих судов (дирижабли и аэростаты) — при незначительной по сравнению с водородом потере в подъёмной силе гелий в силу негорючести абсолютно безопасен;
• в дыхательных смесях для глубоководного погружения (см. Баллон для дайвинга);
• для наполнения воздушных шариков и оболочек метеорологических зондов;
• для заполнения газоразрядных трубок;
• в качестве теплоносителя в некоторых типах ядерных реакторов;
• в качестве носителя в газовой хроматографии;
• для поиска утечек в трубопроводах и котлах (см. Гелиевый течеискатель);
• как компонент рабочего тела в гелий-неоновых лазерах;
• в качестве наполнителя в некоторых современных моделях накопителей на жестких магнитных дисках;
• для наполнения колб филаментных светодиодных ламп, что позволяет эффективно отводить тепло от светодиодных нитей.

История открытия

18 августа 1868 года французский учёный Пьер Жансен, находясь во время полного солнечного затмения в индийском городе Гунтур, впервые исследовал хромосферу Солнца. Жансену удалось настроить спектроскоп таким образом, чтобы спектр короны Солнца можно было наблюдать не только при затмении, но и в обычные дни. На следующий же день спектроскопия солнечных протуберанцев наряду с линиями водорода — синей, зелено-голубой и красной — выявила очень яркую жёлтую линию, первоначально принятую Жансеном и другими наблюдавшими её астрономами за линию D натрия. Жансен немедленно написал об этом во Французскую Академию наук. Впоследствии было установлено, что ярко-жёлтая линия в солнечном спектре не совпадает с линией натрия и не принадлежит ни одному из ранее известных химических элементов.

Спустя два месяца 20 октября английский астроном Норман Локьер, не зная о разработках французского коллеги, также провёл исследования солнечного спектра. Обнаружив неизвестную жёлтую линию с длиной волны 588 нм (более точно 587,56 нм), он обозначил её D3, так как она была очень близко расположена к Фраунгоферовым линиям D1 (589,59 нм) и D2 (588,99 нм) натрия. Спустя два года Локьер, совместно с английским химиком Эдвардом Франкландом, в сотрудничестве с которым он работал, предложил дать новому элементу название «гелий» (от др.-греч. ἥλιος — «солнце»).

Интересно, что письма Жансена и Локьера пришли во Французскую Академию наук в один день — 24 октября 1868 года, однако письмо Локьера, написанное им четырьмя днями ранее, пришло на несколько часов раньше. На следующий день оба письма были зачитаны на заседании Академии. В честь нового метода исследования протуберанцев Французская академия решила отчеканить медаль. На одной стороне медали были выбиты портреты Жансена и Локьера над скрещенными ветвями лавра, а на другой — изображение мифического бога Солнца Аполлона, правящего в колеснице четверкой коней, скачущей во весь опор.

В 1881 году итальянец Луиджи Пальмиери опубликовал сообщение об открытии им гелия в вулканических газах (фумаролах). Он исследовал светло-желтое маслянистое вещество, оседавшее из газовых струй на краях кратера Везувия. Пальмиери прокаливал этот вулканический продукт в пламени бунзеновской горелки и наблюдал спектр выделявшихся при этом газов. Ученые круги встретили это сообщение с недоверием, так как свой опыт Пальмиери описал неясно. Спустя многие годы в составе фумарол действительно были найдены небольшие количества гелия и аргона.

Только через 27 лет после своего первоначального открытия гелий был обнаружен на Земле — в 1895 году шотландский химик Уильям Рамзай, исследуя образец газа, полученного при разложении минерала клевеита, обнаружил в его спектре ту же ярко-жёлтую линию, найденную ранее в солнечном спектре. Образец был направлен для дополнительного исследования известному английскому ученому-спектроскописту Уильяму Круксу, который подтвердил, что наблюдаемая в спектре образца жёлтая линия совпадает с линией D3 гелия. 23 марта 1895 года Рамзай отправил сообщение об открытии им гелия на Земле в Лондонское королевское общество, а также во Французскую академию через известного химика Марселена Бертло.

Загадочный протонный радиус: в чем проблема и почему это беспокоит физиков

Шесть лет назад коллаборация CREMA, коллектив экспериментаторов из швейцарского Института Пауля Шеррера (Paul Scherrer Institute, PSI) огорошили физиков неожиданным заявлением: их эксперимент по измерению размера протона дал результат на 4% меньше, чем считалось до этого. Стремясь улучшить точность измерений этой довольно-таки изученной величины, они поставили новаторский эксперимент: измерили радиус протона через сдвиг уровней энергии в мюоном водороде (атом μp). Точность у них в самом деле оказалась превосходной — как минимум в двадцать раз лучше, чем у любого из многочисленных предыдущих измерений. Но только результат на пять стандартных отклонений отличался от значения, полученного комитетом CODATA при усреднении по всем предыдущим экспериментам (а они до тех пор проводились только с электрон-протонным взаимодействием). В 2013 году эта же группа обновила измерения и повысила точность — и расхождение достигло уже 7σ.

Так в фундаментальную физику ворвалась загадка протонного радиуса — и, несмотря на усилия сотен специалистов, она до сих пор остается неразрешенной.

Более того, в этой ситуации даже толком непонятно, где подвох. Одно дело, когда эксперимент расходится с теорией — такое в физике микромира бывает нередко и помогает улучшать теоретические модели или отбраковывать не относящиеся к нашему миру гипотезы. Бывает — правда, куда реже — и так, что разные методы измерения одной и той же величины дают различающиеся результаты. Самый яркий пример — это измерения гравитационной постоянной: там есть уже аж четыре (!) экспериментальных значения, которые отличаются друг от друга на десяток сигм. Бесспорно, это конфузная ситуация, ведь результат может быть только один. Но по крайней мере понятно, что проблема здесь кроется в неучтенных погрешностях экспериментов.

А в ситуации с радиусом протона непонятно, на что пенять. На вот эти эксперименты с мюонными атомами? Трудно поверить, что экспериментаторы ошиблись на сотню (!) своих сигм, особенно когда в своем спектре они прекрасно видят опорные калибровочные линии там, где они должны находиться. К тому же измеренные ими другие спектроскопические величины, например сверхтонкое расщепление, хорошо согласуются с теоретическими расчетами.

Или надо пенять на все предыдущие эксперименты с электронами? Но их был не один десяток (вообще, их сотни, только у большинства погрешность больше обнаруженного расхождения). Или, может быть, проблема не в самих результатах измерений, а в тех теоретических формулах, через которые из них вычисляется радиус протона? Ведь они получаются из очень нетривиальных расчетов и содержат множество подводных камней. Эта неприятная возможность, особенно для таких, казалось бы, элементарных систем как (мюонный) атом водорода, очень нервирует теоретиков. Ну и наконец, может оказаться, что и с экспериментами, и с формулами все в порядке, а расхождение привносит совершенно новый, неизвестный ранее физический эффект, какой-то из вариантов Новой физики, которую так давно и пока безуспешно ищут на коллайдерах.

Чтобы как-то разобраться с этим клубком вопросов, полезно поставить эксперименты не с протоном, а с другими ядрами, и проверить, как согласуются здесь электронный и мюонный метод измерения. На днях та же самая группа из Института Пауля Шеррера опубликовала в журнале Science статью с результатами спектроскопических измерений в мюонном дейтерии. Из них физики извлекли радиус дейтрона (связанное состояние протона и нейтрона), сравнили его со значением, полученным в обычном, электронном дейтерии, — и тоже обнаружили сильное расхождение. Таким образом, загадочное расхождение между мюонным и электронным методом подтверждается и крепнет; и распространяется оно не только на протон, но и на другие ядра.

Проблема

До 2010 года зарядовый радиус протона измерялся одним из двух методов: одним методом спектроскопии и ядерным рассеянием.

Метод спектроскопии

В методе спектроскопии используются уровни энергии электронов, вращающихся вокруг ядра. Точные значения уровней энергии чувствительны к радиусу ядра. Для водорода, ядро ​​которого состоит только из одного протона, это косвенно измеряет радиус протона. Измерения уровней энергии водорода теперь настолько точны, что радиус протона является ограничивающим фактором при сравнении экспериментальных результатов с теоретическими расчетами. Этот метод дает протон с радиусом около (8.768±0.069)×10−16 м (или же 0.8768±0.0069 FM) с относительной погрешностью около 1%.

Ядерное рассеяние

Ядерный метод похож на Эксперименты Резерфорда по рассеянию что установило существование ядра. Маленькие частицы, такие как электроны, могут стрелять в протон, и, измеряя, как электроны рассеиваются, можно сделать вывод о размере протона. В соответствии с методом спектроскопии это дает протон с радиусом около (8.775±0.005)×10−16 м (или же 0.8775 FM), .

2010 эксперимент

В 2010 году Pohl et al. опубликовал результаты эксперимента, опираясь на мюонный водород в отличие от обычного водорода. Концептуально это похоже на метод спектроскопии. Однако из-за гораздо большей массы мюона он движется по орбите в 207 раз ближе, чем электрон, к ядру водорода, поэтому он гораздо более чувствителен к размеру протона. Результирующий радиус записывался как 0.842±0,001 фм, 5 Стандартное отклонение (5σ) меньше, чем предыдущие измерения. Вновь измеренный радиус на 4% меньше, чем предыдущие измерения, точность которых считалась не более 1%. (Предел неопределенности нового измерения всего 0,1% вносит незначительный вклад в расхождение.)

С 2010 г. дополнительные измерения с использованием электронов немного снизили расчетный радиус до (8.751±0.061)×10−16 м (0.8751±0.0061 FM), но при еще большем уменьшении неопределенности разногласия усилились до более чем 7σ.

Последующий эксперимент Pohl et al. в августе 2016 г. использовали дейтерий атом, чтобы создать мюонный дейтерий и измерил радиус дейтрона. Этот эксперимент позволил сделать измерения в 2,7 раза более точными, но также обнаружил расхождение на 7,5 стандартных отклонений меньше ожидаемого значения. В 2017 году группа Поля провела еще один эксперимент, на этот раз с использованием атомов водорода, возбужденных двумя разными лазерами. Измеряя энергию, выделяемую, когда возбужденные электроны возвращаются в состояния с более низкой энергией, Постоянная Ридберга можно вычислить, и отсюда вывести радиус протона. Результат снова на ~ 5% меньше общепринятого радиуса протона. В 2019 году в другом эксперименте сообщалось об измерении размера протона с использованием метода, который не зависел от Постоянная Ридберга — его результат 0,833 фемтометра еще раз совпал с меньшим значением 2010 года.

Методы измерения радиуса протона

Теперь погрузимся в эту тему чуть серьезнее. Атомные ядра в сто тысяч раз меньше самих атомов, поэтому никаким «миниатюрным штангенциркулем» ядро напрямую не измеришь. Однако размер ядра можно почувствовать косвенно, через влияние, которое неточечное ядро оказывает на разные явления.

Здесь надо сразу сделать пояснение. У одного и того же ядра может быть несколько разных размеров. В зависимости от того, каким процессом мы его прощупываем, даже отдельный протон может казаться больше или меньше. В этой новости речь будет идти исключительно об электромагнитном взаимодействии между ядром (например, протоном) и электроном, поскольку это самый удобный для измерения процесс. Оно зависит от того, как распределены электрические заряды внутри протона. Детали этого распределения, к счастью, несущественны; эффект выражается через усредненный «электрический размер» протона — зарядовый радиус r_p.

Есть две разновидности экспериментов по измерению зарядового радиуса протона. Первый — это столкновение протонов со свободно летающими электронами. В эксперименте измеряется угловое распределение рассеявшихся электронов, это распределение сравнивают с теоретическим предсказанием для точечного ядра и видят различие, которое возникает как раз за счет внутренней структуры ядра. Из этого различия и вычисляется его зарядовый радиус.

Второй способ — спектроскопический, через взаимодействие ядра со связанным электроном. Электрон в атоме размазан по объему, который намного больше ядра. Однако крошечная часть электронного облака все-таки залезает внутрь ядра — и чем крупнее ядро, тем больше эта доля. Внутри ядра электрическое поле не такое, как было бы от заряженной точки, и это слегка изменяет энергию связи ядра с электроном, то есть сдвигает уровень энергии

Обратите внимание: этот эффект работает только для электронов на S-орбитали; электроны на более высоких орбиталях вращаются вокруг ядра и непосредственно в центральную область проникнуть не могут (рис. 4)

Поэтому если очень точно измерить разницу энергии двух электронных уровней, то по теоретическим формулам можно вычислить радиус ядра.

У этого метода есть две разновидности. Во-первых, можно сравнивать два электронных уровня с одинаковым главным квантовым числом, например уровни 2S и 2P (рис. 5). Эта разница называется лэмбовским сдвигом. Она маленькая, всего 4 микроэлектронвольт для 2S–2P расщепления в атоме водорода, но современные спектроскопические методы без труда ее измеряют. Возникает она в основном за счет квантовых флуктуаций электромагнитного поля, но свой вклад в него дают еще два эффекта: радиус ядра (это как раз нужный нам эффект) и двухфотонный обмен между электроном и ядром (для обычного водорода он, впрочем, очень мал).

Во-вторых, можно измерять переходы между сильно различающимися уровнями, например 1S и 2S. Тут, правда, есть нюанс: чтобы отсюда вычислить радиус ядра, надо знать постоянную Ридберга — фундаментальную величину, в единицах которой считаются энергии связи. Но постоянная Ридберга сама извлекается из таких спектроскопических измерений. Поэтому, чтобы извлечь и ее, и радиус ядра, требуются две пары уровней.

На рис. 6 показаны значения зарядового радиуса протона, полученные из многочисленных спектроскопических измерений. Первые три точки — измерения через лэмбовский сдвиг, остальные — измерения через две пары уровней. Каждое конкретное измерение не слишком впечатляет, но объединение результатов позволяет достичь погрешности меньше процента (широкая голубая полоса на графике).

На рис. 7 этот суммарный спектроскопический результат показан одной точкой, а в дополнение приведены два результата из экспериментов по рассеянию электронов на протонах. Заметьте: все электронные результаты, полученные разными методами, прекрасно согласуются друг с другом. Черным цветом показан объединенный результат по всем электронным измерениям. Когда в 2010 году комитет CODATA обновил свои рекомендации по физическим величинам, он выдал такое значение для зарядового радиуса протона:

r_p (CODATA 2010) = 0,8775 ± 0,0051 фм (фемтометров; 1 фм = 10-15 м).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе проведены исследования спектра энергии мюонного гелия. Для этого использовался
не метод теории возмущений, как в предыдущей работе [], а стохастический вариационный метод. В результате проведенных расчетов были получены
следующие значения энергий связи мюонного гелия, поправки на структуру ядра (стр),
релятивистской поправки (рел) и поправки на поляризацию вакуума (ПВ):

Полные значения энергий связи с учетом поправок имеют вид:

В сверхтонкой структуре спектра принято записывать вклады в МГц, и в результате наших
расчетов получены следующие значения коэффициентов a, b, c и сверхтонких расщеплений основного состояния:

Полученные значения согласуются с . Имеющиеся расхождения связаны с меньшим размером базиса в наших расчетах и, как
следствие, меньшей точностью энергии основного состояния. Численные результаты зависят
от выбора исходных параметров, в том числе от масс частиц. Значения масс частиц в
несколько отличаются от значений, рекомендованных КОДАТА [], которые мы используем в расчетах. В работах расчет матричных элементов дельта-функций a, b, c, которые определяют сверхтонкое расщепление, выполнен с очень высокой точностью,
достичь которую в рамках стохастического вариационного метода не удается при используемом
нами размере базиса. Нам удалось получить совпадение c до пяти значащих цифр. Также необходимо отметить, что в работах при вычислении используется четверная точность, в то время как в наших расчетах
используется двойная точность. Это также вносит различия в результаты.

Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (проект № 18-12-00128).