Получение изотопа гелия-3

ПОЛУЧЕНИЕ ИЗОТОПА ГЕЛИЯ-3.
главная
Солнечный ветер представляет собой поток плазмы из изотопов 1Н, 2Н и 3Н, а также ионов 3Не и
Не. Такой поток плазмы можно захватывать и сортировать по изотопам. Оценим параметры
солнечной плазмы как источника изотопов. Принимаем магнитный диффузор с радиусом захвата
спокойного солнечного ветра rп = 100 км. И при расходе солнечного ветра до 2,1 .10-4 кг/с
потенциальный сбор 1Н составит до 6,6 .10 кг= 6,6 т. Для солнечных вспышек с резким
повышением расхода плазмы и возрастанием потока протонов на один-два порядка и
продолжительности времени вспышек до 1...4% за год, дополнительный расход 1Н составит до
1...10 т. Таким образом, такая станция в зависимости от периода активности Солнца собирает в
год от 5 т до 16 т 1Н. А за 11-летний цикл солнечной активности станция соберет в среднем до
80...100 т 1Н. Для изотопа гелия 4Не имеем содержание этих частиц в широком диапазоне от
менее чем 1% до 25% и даже более относительно содержания протонов. Причем содержание 15%
и более следует за солнечными вспышками, а среднее содержание гелия-4 в спокойном
солнечном ветре составляет ~ 5%. Однако эта цифра относится к концентрации атомов 4Не , и
учитывая 4-х кратную массу атома по отношению к протону, это соответствует массовому
содержанию 4Не до 20% от массы протонов. Тогда этот же диффузор станции соберет в год до
1...5 т изотопа 4Не , в зависимости от активности Солнца. А за 11-летний цикл солнечной
активности станция соберет 20...50 т 4Не .
Наибольший интерес представляет изотоп гелия-3, 3Не, и для спокойного солнечного ветра,
отражающего состав внешних оболочек Солнца, отношение изотопов 3Не к 4Не составляет ~ 4 .10-4 .
Таким образом, диффузор станции позволяет из спокойного солнечного ветра извлечь за год
0,4...2 кг изотопа 3Не. Однако прямые измерения в космосе привели к открытию "вспышек,
богатых гелием-3", в которых содержание 3Не велико, в частности, известны вспышки, после
которых отношение потоков гелия и водорода близко к 1 или даже больше. Так, после вспышки 5
сентября 1973 года получено отношение 3Не/4Не равное 6, а отношение 3Не/Н равно 1,15, то есть
поток заряженных частиц более чем на 50% состоит из ионов 3Не. Возникает вопрос о количестве
таких вспышек. Так, за период с 22.02.1977 года по 12.1.1978 в течение 127 суток проводился
эксперимент АЯКС, в ходе которого зарегистрировано 11 вспышек, из них 3 - вспышки, богатые
гелием-3, причем все они по мощности относятся к классу 1, то есть достаточно слабое и частое
явление. В целом в таких вспышках среднее массовое содержание ионов 3Не до 1...10% от массы
протонов, а длительность такого потока до 2-х суток. Однако подчеркнем, что здесь речь идет об
увеличении содержания изотопа 3Не, но принципиально в мощных солнечных вспышках с
высокой концентрацией частиц абсолютное массовое содержание ионов гелия-3 может не
уступать абсолютному массовому содержанию гелия-3 в маломощных "вспышках, богатых
гелием-3". И даже малая доля изотопа 3Не в таких сильных потоках частиц от солнечной вспышки
приводит к получению большого массового расхода 3Не. Таким образом, в зависимости от
солнечной активности и параметров вспышек, можно оценить сбор изотопа величиной от 5 до
500 кг для диффузора станции с rп = 100 км. А за 11-летний цикл солнечной активности станция
соберет до 0,1...2 т гелия-3.
Отметим, что такая станция с диффузором может и собирать изотоп трития 3Н, при этом
ожидаемая масса трития составит до 100 кг за 11-летний цикл активности.
Рассматриваемый способ и устройство для его реализации были предложены давно:
Патент России № 999839 "Способ получения изотопов гелия-3 и трития"/ Солодов Б.М. Приоритет
изобретения (авторское свидетельство) - 7 мая 1981 года, патент РФ - с 1 октября 1994 г.
Отметим (без технических подробностей и расчетов), что такая станция с диффузором на радиус
захвата плазмы rп = 100 км, имеет массу порядка 100 т, и она выводится на околоземную орбиту
высотой до 85...100 тысяч км, то есть вне магнитосферы Земли.
Заметим, что при желании разобраться более подробно, можно воспользоваться брошюрой
Б.М. Солодов "Солнечная плазма и возможности ее использования в космической технике".
Самара: ЗАО "Самарский информационный концерн", 2004.
Касаясь сравнения с широко известной концепцией по получению гелия-3 из лунного грунта, то
эта концепция требует большого комплекта горнодобывающих устройств и узлов для добычи
гелия-3 из извлеченного грунта, и эти сотни тонн массы устройств надо доставить на поверхность
4
Луны. То есть необходима лунная база с техниками (питание, воздух и т.п.) для обслуживания и
ремонта этих устройств, солидная энергоустановка и т.п. Главным недостатком, а с точки зрения
космической отрасли - главным достоинством - является очень высокая стоимость этого проекта
(есть что "освоить" отрасли на многие десятилетия). Проект добычи гелия-3 из солнечного ветра
намного проще конструктивно, требует доставки оборудования лишь на высокую околоземную
орбиту, и по стоимости такая станция в 10...100 раз дешевле лунного проекта (ее «главный
недостаток» для космической отрасли).
В перспективе, при необходимости удовлетворения потребностей энергетиков (для топлива
термоядерных электростанций на основе гелия-3), нет ограничений по увеличению числа таких
станций и радиуса захвата плазмы, а в случае необходимости эти станции можно располагать
ближе к Солнцу, что увеличивает концентрацию солнечной плазмы (уменьшение расстояния в 2
раза повышает концентрацию в 4 раза). Заметим, что принципиально в далекой перспективе
такие станции можно использовать и для работы на орбите вокруг Юпитера, для захвата плазмы
в магнитосфере Юпитера, в которой накоплено большое количество гелия-3. Таким образом,
предлагаемый способ получения гелия-3 обеспечивает получение больших количеств этого
изотопа в течение любого необходимого времени (хоть миллионы лет) , при этом способ
экологически чист, а конструкция таких станций относительно простая и вполне соответствует
современному уровню техники.