Гелий-три — энергия будущего. Гелий3 - мифическое топливо будущего

Не исключено, что в ближайшие годы мы станем свидетелями Лунной гонки-2, победитель (или победители) которой получит в свои руки практически неисчерпаемый источник энергии. Это в свою очередь, позволит человечеству выйти на качественно новый технологический уклад, о параметрах которого мы можем только догадываться.

Что такое гелий-3?

Из школьного курса физики мы помним, что атомная масса гелия равняется четырем и этот элемент является инертным газом. Его проблематично использовать в каких-либо химических реакциях, тем более с выделением энергии. Совсем другое дело - изотоп гелия с атомной массой 3. Он способен входить в термоядерную реакцию с дейтерием (изотопом водорода с атомной массой 2) в результате чего образуется гигантская энергия за счет синтеза обычного гелия-4 с выделением протона (3 Не + D → 4 Не + p + энергия). Подобным образом из всего одного грамма гелия-3 можно получить такую же энергию, как при сжигании 15-ти тонн нефти.

Тонны гелия-3 хватит для энерговыделения на уровне 10 ГВт в течение года. Таким образом, чтобы закрыть все сегодняшние энергопотребности России, ежегодно понадобится 20 тонн гелия-3, а для всего человечества потребуется примерно 200 тонн данного изотопа в год. При этом отпадет необходимость жечь нефть и газ, запасы которых не безграничны, по последним оценкам разведанных запасов углеводородов - человечеству хватит всего на полвека. Не нужно будет эксплуатировать и достаточно опасные АЭС, что после Чернобыля и Фукусимы приобрело особую актуальность.

Где взять гелий-3?

При современном развитии технологий единственным реально доступным источником этого элемента является поверхность Луны. Сам по себе гелий-3 образуется в недрах звезд (например, нашего Солнца) в результате соединения двух атомов водорода. При этом основным продуктом данной реакции является обычный гелий-4, а изотоп-3 образуется в малых количествах. Часть его выносится солнечным ветром и равномерно распределяется по планетной системе.

На Землю гелий-3 практически не выпадает, поскольку его атомы отклоняются магнитным полем нашей планеты. Зато на планетах, у которых такое поле отсутствует, элемент осаждается в верхних слоях грунта и постепенно накапливается. Ближайшим к Земле небесным телом, у которого отсутствует магнитное поле, является Луна, поэтому именно здесь сосредоточены доступные человечеству запасы этого ценного энергоносителя.

Подтверждением тому служат не только теоретические выкладки, но и результаты эмпирических исследований. Во всех пробах лунного грунта, доставленных на Землю, был обнаружен гелий-3 в относительно высоких концентрациях. В среднем - на 100 тонн реголита приходится 1 гр. данного энергоизотопа.

Таким образом, чтобы извлечь вышеупомянутые 20 тонн гелия-3 для полного удовлетворения годовых энергопотребностей РФ, понадобится «перелопатить» 2 000 млн. тонн лунного грунта.

Физически это соответствует участку на Луне размерами 20х20 км с глубиной карьера 3 м. Задача по организации столь масштабной добычи - достаточно сложная, но вполне решаемая, уверены современные инженеры. Судя по всему, более трудной и дорогостоящей проблемой станет доставка десятков тонн топлива для теромоядерных печей на Землю.

Чего не хватает человечеству для гелиевой энергореволюции?

Для развития на Земле полноценной термоядерной энергетики на базе гелия-3 людям предстоит решить три основных задачи.

1. Создание надежных и мощных средств доставки грузов по маршруту Земля-Луна и обратно.

2. Возведение лунных баз и комплексов по добыче гелия-3, которое сопряжено с множеством технологических проблем.

3. Строительство собственно термоядерных электростанций на Земле, для чего также предстоит преодолеть определенные технологические барьеры.

К решению первой задачи человечество придвинулось практически вплотную. Все четыре страны, участвующие в Лунной гонке-2 плюс Европейский Союз, уже разработали или разрабатывают ракеты тяжелого класса, способны забрасывать тонны груза на лунную орбиту. Например, к 2027 г. в России запланирована реализация «в железе» ракеты-носителя «Ангара-А5В», которая будет способна доставить к Луне не менее 10 тонн полезного груза. С обратной транспортировкой будет попроще, поскольку сила притяжения Луны в 6 раз меньше земной, но здесь проблемой будет топливо. Его придется либо завозить с Земли, либо вырабатывать на поверхности нашего спутника.

Гораздо более серьезной является вторая задача, поскольку помимо организации собственно добычи гелия-3 из реголита инженерам придется создать надежные лунные базы с системами жизнеобеспечения для шахтеров будущего. В этом сильно помогут технологии, наработанные благодаря многолетней эксплуатации орбитальных станций, прежде всего МКС и «Мир». Как в России, так и в других странах сегодня активно проектируются лунные базы и, пожалуй, наша страна на сегодня имеет максимум технологий для реального воплощения подобных проектов.

Что касается третьей проблемы, то работы по созданию термоядерных реакторов идут на Земле последние три десятилетия. Основной технологической трудностью здесь является проблема удержания высокотемпературной плазмы (необходимой для «розжига» термоядерного синтеза) в т.н. «магнитных ловушках».

Этот вопрос уже решен для реакторов, работающих на принципе соединения дейтерия и трития (D + T = 4 He + n + энергия). Для поддержания такой реакции достаточно температуры в 100 млн. градусов.

Однако подобные реакторы никогда не станут массовыми, поскольку они чрезвычайно радиоактивны. Для запуска реакции с участием гелия-3 и дейтерия понадобятся температуры в 300-700 млн. градусов. Пока такую плазму не удается длительно удерживать в магнитных ловушках, но возможно к прорыву в этой области приведет запуск Международного экспериментального термоядерного реактора (ITER), который сейчас строится во Франции и будет введен в эксплуатацию к 2025 г.

Таким образом, десятилетие между 2030-2040 гг. имеет все шансы оказаться стартовым в деле развития энергетики на базе гелия-3, поскольку к этому времени, судя по всему, будут преодолены технологические препятствия, указанные выше. Соответственно, останется найти деньги на реализацию энергопроекта, который способен перевести человечество в эру чрезвычайно дешевой (почти дармовой) энергии со всеми вытекающими последствиями, как для экономики, так и качества жизни каждого человека.

Состав и строение

Физические свойства

Использование

Счётчики нейтронов

Газовые счётчики, наполненные гелием-3, используются для детектирования нейтронов. Это наиболее распространённый метод измерения нейтронного потока. В них происходит реакция

n + 3 He → 3 H + 1 H + 0,764 МэВ.

Заряженные продукты реакции - тритон и протон - регистрируются газовым счётчиком, работающим в режиме пропорционального счётчика или счётчика Гейгера-Мюллера.

Получение сверхнизких температур

Путём растворения жидкого гелия-3 в гелии-4 достигают милликельвиновых температур.

Медицина

Поляризованный гелий-3 (он может долго храниться) недавно начал использоваться в магнитно-резонансной томографии для получения изображения лёгких с помощью ядерного магнитного резонанса .

Стоимость

Средняя цена гелия-3 в 2009 году составила $930 за литр .

Гелий-3 как ядерное топливо

Реакция 3 Не + D → 4 Не + p имеет ряд преимуществ по сравнению с наиболее достижимой в земных условиях дейтериево-тритиевой реакцией T + D → 4 Не + n. К этим преимуществам относятся:

К недостаткам гелий-дейтериевой реакции следует отнести значительно более высокий температурный порог. Необходимо достигнуть температуры приблизительно в миллиард градусов, чтобы она могла начаться.

В настоящее время гелий-3 не добывается из природных источников, а создаётся искусственно, при распаде трития. Последний производился для термоядерного оружия путём облучения бора-10 и лития-6 в ядерных реакторах.

Планы добычи гелия-3 на Луне

Гелий-3 является побочным продуктом реакций, протекающих на Солнце . На Земле его добывают в очень небольших количествах, исчисляемых несколькими десятками граммов за год.

Нестабильные (менее суток) : 5 He: Гелий-5, 6 He: Гелий-6, 7 He: Гелий-7, 8 He: Гелий-8, 9 He: Гелий-9, 10 He: Гелий-10

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Гелий-3" в других словарях:

- (лат. Helium) Не, химический элемент VIII группы периодической системы, атомный номер 2, атомная масса 4,002602, относится к благородным газам; без цвета и запаха, плотность 0,178 г/л. Сжижается труднее всех известных газов (при 268,93 .С);… … Большой Энциклопедический словарь

- (греч., от helyos солнце). Элементарное тело, открытое в солнечном спектре и имеющееся на земле в некоторых редких минералах; в ничтожном количестве входит в состав воздуха. Словарь иностранных слов, вошедших в состав русского языка. Чудинов А.Н … Словарь иностранных слов русского языка

- (символ Не), газообразный неметаллический элемент, БЛАГОРОДНЫЙ ГАЗ, открытый в 1868 г. Впервые получили из минерала клевита (разновидности уранита) в 1895 г. В настоящее время основным источником его является природный газ. Содержится также в… … Научно-технический энциклопедический словарь

Я, муж. , стар. Елий, я.Отч.: Гелиевич, Гелиевна.Производные: Геля (Гела); Еля.Происхождение: (От греч. hēlios солнце.)Именины: 27 июля Словарь личных имён. Гелий См. Эллий. День Ангела. Справоч … Словарь личных имен

ГЕЛИЙ - хим. элемент, символ Не (лат. Helium), ат. н. 2, ат. м. 4,002, относится к инертным (благородным) газам; без цвета и запаха, плотность 0,178 кг/м3. В обычных условиях Г. одноатомный газ, атом которого состоит из ядра и двух электронов; образуется … Большая политехническая энциклопедия

- (Helium), He, химический элемент VIII группы периодической системы, атомный номер 2, атомная масса 4,002602; относится к благородным газам; самое низкокипящее вещество (tкип 268,93шC), единственное не отвердевающее при нормальном давлении;… … Современная энциклопедия

«Мы говорим сейчас о термоядерной энергетике будущего и новом экологическом типе топлива, которое нельзя добыть на Земле. Речь идет о промышленном освоении Луны для добычи гелия-3». Это заявление главы ракетно-космической корпорации «Энергия» Николая Севастьянова, если и не потрясло воображение законопослушных россиян (им сейчас, как раз, накануне нового отопительного сезона только с гелием-3 разбираться), то уж воображение специалистов и людей заинтересованных не оставило равнодушным.

Оно и понятно: при, мягко говоря, не блестящем состоянии дел в отечественной аэрокосмической отрасли (космический бюджет России в 30 раз меньше, чем в США и в 2 раза меньше, чем в Индии; с 1989 по 2004-й годы мы запустили всего 3 исследовательских КА), вдруг, вот так, ни больше, ни меньше – россияне будут добывать гелий-3 на Луне! Напомню, что, теоретически, этот легкий изотоп гелия способен вступать в термоядерную реакцию с дейтерием. Соответственно, термояд многие ученые считают потенциально безграничным источником дешевой энергии. Однако проблемка есть: гелий-3 составляет менее одной миллионной доли от общего количества гелия на Земле. А вот в лунном грунте этот легкий изотоп содержится в изобилии: по оценке академика Эрика Галимова – около 500 млн. тонн...

Говорят, в свое время в США перед входом в Диснейленд висел огромный плакат: «Мы и наша страна можем все, единственное, что нас лимитирует, это границы нашего воображения». Все это было недалеко от истины: быстрый и эффективный атомный проект, фантастически успешная лунная программа, стратегическая оборонная инициатива (СОИ), вконец доконавшая советскую экономику. ...

По существу, одной из главных функций государства, особенно в XX веке, было как раз формулирование перед научным сообществом задач на грани воображения. Это касается и советского государства: электрификация, индустриализация, создание атомной бомбы, первый спутник, поворот рек┘ Кстати, и у нас был свой «плакат» перед Диснейлендом – «Мы рождены, чтоб сказку сделать былью!»

«Я просто думаю, что есть дефицит в какой-то крупной технологической задаче, – подчеркнул в беседе со мной доктор физико-математических наук, ученый секретарь Института космических исследований РАН Александр Захаров. – Может быть, из-за этого и возникли в последнее время все эти разговоры о добыче на Луне гелия-3 для термоядерной энергетики. Если Луна – источник полезных ископаемых, и оттуда везти этот гелий-3, а на Земле не хватает энергии┘ Все это понятно, звучит очень красиво. И под это легко, может быть, уговорить влиятельных людей выделить деньги. Я думаю, что это так».

Но все дело в том, что сейчас на Земле нет технологии – и в ближайшие, как минимум, 50 лет не предвидится ее появления, – сжигания гелия-3 в термоядерной реакции. Нет даже эскизного проекта такого реактора. Строящийся сейчас во Франции международный термоядерный реактор ITER проектируется на «сжигание» изотопов водорода – дейтерия и трития. Расчетная температура «поджига» термоядерной реакции – 100–200 млн. градусов. Для использования гелия-3 температура должна быть на порядок-два выше.

Значит, руководитель крупнейшей в России ракетно-космической корпорации Николай Севастьянов, извините за выражение, пудрит нам мозги своим гелием-3? Не похоже. Зачем!?

«Космическая отрасль, естественно, заинтересована в таком крупном и дорогостоящем проекте, – считает Александр Захаров. – Но с точки зрения его практического использования, абсолютно очевидно, что это преждевременно».

Чтобы реализовать проект «гелий-3» нужно создавать специальную программу дополнительных исследований Луны, запускать целую эскадру космических аппаратов, решать вопросы с добычей гелия-3, его переработкой┘ Это разорит страну почище всякой СОИ.

«Я не хочу сказать, что Луна с научной точки зрения полностью закрыта – там остались и научные задачи, – подчеркивает Александр Захаров. – Но, как говорится, этим надо заниматься step by step, не забываю о других научных задачах. А то мы как-то шарахаемся: как только американцы объявили о программе пилотируемого полета на Марс – и сразу мы заявляем, что тоже готовы этим заниматься. Услышали про лунные программы – давайте тоже этим заниматься┘ У нас нет обдуманной, взвешенной, стратегической национальной задачи».

Вот, опять вернулись к тому, с чего начали, – к стратегической национальной задаче. Беда в том, что в отличие от американцев мы лимитированы не столько своим воображением – с этим-то, как показывает заявление Николая Севастьянова, у нас все в порядке. Но вот на программу «гелий-3» (условно назовем ее так), по самым скромным расчетам, потребуется 5 млрд. долл. на пять лет исследований.

С чисто научной точки зрения, в проблеме термояда на основе ТОКАМАКов, даже несмотря на принятое решение о строительстве международного экспериментального реактора ITER, наметился некий застой. (Впрочем, это тема для отдельного разговора.) Как мне кажется, проблема гелия-3 для некоторой части влиятельного термоядерного лобби – новая ниша для реанимации и реализации профессиональных амбиций.

Мало того – и это уж совсем сенсационная вещь, и только поэтому я не начал с нее свою статью, - как нам сообщил эксперт из аэрокосмической отрасли, на российский проект добычи легкого изотопа гелия на Луне выделен┘ 1 млрд. долларов! Деньги эти, якобы, имеют американское происхождение.

Несмотря на всю замысловатость подобной комбинации, концы с концами в ней сходятся вполне успешно. Чтобы добиться выделения 104-х млрд. долл. на объявленную недавно программу создания лунной базы, Национальному агентству США по аэронавтике и космическим исследованиям надо было показать, что «стратегические конкуренты» тоже не дремлют. То есть, «российский» миллиард - это, своего рода, накладные расходы NASA... Отсюда и необъяснимый рациональными мотивами всплеск интереса к добыче гелия-3 в России.

Если это действительно так, то лишний раз нам всем придется убедиться в справедливости формулы, напечатанной лет десять назад в журнале Physics Today. Вот она: «Ученые – это не бескорыстные искатели истины, а скорее участники острой конкурентной борьбы за научное влияние, победители которой срывают банк».

Нужно понять, что сегодня исследование Солнечной системы, изучение внеземного вещества, химического строения Луны и планет, поиск внеземных форм жизни, понимание физики Вселенной — это передовая линия фундаментальной науки. Современные космические исследования следует рассматривать не как одно из направлений или разделов науки, а как этап развития науки. Без результатов, полученных в космических исследованиях, неполноценны ни физика, ни биология, ни химия, ни геологические науки.

Отступление на задний план страны, имеющей богатый опыт и традиции космических исследований, не может не вызывать тревогу и желание понять причины.

Э. М. Галимов

Гелий 3 - мифическое топливо будущего

Наверное мало чего в области термоядерной энергетики окружено мифами, как Гелий 3. В 80х-90х он был активно популяризирован, как топливо, которое решит все проблемы управляемого термоядерного синтеза, а так же как один из поводов выбраться с Земли (т.к. на земле его буквально считанные сотни килограмм, а на луне миллиард тонн) и заняться, наконец, освоением Солнечной системы. Все это базируется на очень странных представлениях о возможностях, проблемах и потребностях несуществующей сегодня термоядерной энергетики, о чем мы и поговорим

Помните, я писал, что магниты тороидального поля ИТЭР, которые создают противодавление плазме - абсолютно рекордные изделия, единственные по параметрам в мире? Так вот, поклонники He3 предлагают сделать магниты в 500 раз мощнее.

Добыча гелия-3 на Луне обеспечит землян энергией на 5 тыс лет

Имеющиеся на Луне запасы гелия-3 могут обеспечить землян энергией на пять тысяч лет вперед, заявил в среду на мультимедийной лекции в РИА Новости доктор физико-математических наук, заведующий отделом исследований Луны и планет Государственного астрономического института МГУ им. Ломоносова Владислав Шевченко.

Возможности обеспечения жителей Земли энергоносителями небезграничны, их запасы на нашей планете будут исчерпаны в ближайшие столетия. Вместе с тем, в США уже подсчитали, что имеющиеся на Луне запасы гелия-3 могут обеспечить землян энергией, как минимум, на пять тысяч лет вперед, - сказал Шевченко.

Да, стоимость одной тонны гелия-3 составит примерно миллиард долларов при том, что будет создана необходимая инфраструктура добычи и доставки с Луны. Но при этом 25 тонн - а это всего 25 миллиардов долларов, что не так уж много в масштабах государств нашей планеты - хватит для обеспечения энергией землян в течение года. В настоящее время в год только США тратит на энергоносители примерно 40 миллиардов долларов. Выгода очевидна, - отметил Шевченко.

По его словам, в ближайшем будущем партнерам по Международной космической станции (МКС) следует постепенно переходить от ее эксплуатации к созданию Международной лунной станции (МЛС). Наш путь сейчас - от МКС к МЛС. Получим большую практическую пользу, - заключил ученый.

В настоящее время изотоп гелий-3 на Земле добывают в очень небольших количествах, исчисляемых несколькими десятками граммов в год.

На Луне же запасы этого ценного изотопа составляют, по минимальным оценкам, около 500 тысяч тонн. При термоядерном синтезе, когда в реакцию вступает 1 тонна гелия-3 с 0,67 тоннами дейтерия, высвобождается энергия, эквивалентная сгоранию примерно 15 миллионов тонн нефти.

В интервью газете «Труд» академик Роальд Зиннурович Сагдеев назвал, сенсацию, поднятую вокруг добычи гелия-3 на Луне. не стоящей и выеденного яйца.

Академик Сагдеев сказал, что на недавно прошедших 30-х Королёвских чтениях тон задавали сторонники лунных проектов, которые доказывали, что добыча гелия-3 на Луне выгодная и перспективная задача. Считается, что термоядерные реакторы. работающие на гелии-3, обеспечат человечество энергией на тысячелетия.

Планы создания базы на Луне к 2015 году и добыча и транспортировка гелия-3, которые были представлены на чтениях— совершенно нереальны. Да и гелий-3 понадобится не ранее чем через 80— 100 лет.

Академик Сагдеев сказал, что всё еще не существуют реакторы, работающие на дейтерии и тритии. Хотя, запасы дейтерия в морской воде практически неограничены. Для создания термоядерного реактора, работающего на гелии-3, понадобится ещё около 100 лет. «Словом, построение гелиевого реактора— задача даже не XXI, а XXII века»— говорит Сагдеев.

Поэтому планы создания базы на Луне и добыча там гелия-3— это иллюзия: «На самом деле вся эта шумиха, связанная с предложением добывать гелий-3 на Луне, не стоит и выеденного яйца».

Слова Сагдеева из интервью: «Когда о добыче гелия-3 на Луне рассказывает, например, руководитель РКК „Энергия“ Николай Севастьянов, я внутренне улыбаюсь и даже где-то сочувствую такому увлеченному человеку, оказавшемуся, как это ни удивительно, в плену иллюзий».

Гелий-3 был открыт австралийским ученым Марком Олифантом, во время работы в Кембриджском университете.

Применение 3 He

Гелий-3 применяется при исследовании термоядерного синтеза. Он является побочным продуктом реакций, протекающих на Солнце. На Земле его добывают в очень небольших количествах, исчисляемых несколькими десятками граммов за год. Причиной тому служит наша атмосфера. способствующая процессам реакции Гелия-3 с другими веществами. При термоядерном синтезе 1 тонны гелия-3 высвобождается энергия, равная 15 млн. т. нефти.

Запасы 3 He на Земле

На Земле его запасы приблизительно оцениваются в 500 -1000 килограмм и крайне распылены в атмосфере и горных породах.

Запасы 3 He на Луне

Лунные ресурсы Гелия-3 весьма велики и их должно хватить как минимум на ближайшее тысячелетие. Основной проблемой остаётся то, что управляемый термоядерный синтез до сих пор неосуществлён, и по самым оптимистическом прогнозам, возможность коммерческого использования наступит не раньше 2050 года.

Источники: znaniya-sila.narod.ru, hodar.ru, ria.ru, ru.wikinews.org, traditio-ru.org

Призрачный замок Глэмис

Тайна Фобоса

Американский космический челнок Dream Chaser

Святая гора Афон

Тайна Стоунхенджа

Таинственные места на земле - факты и предания

Башня Дьявола - столбчатая скала, напоминающая башню, состоящую из сложенных пучком отдельных каменных столбов, расположенная в штате Вайоминг, США. Эта...

Автомобили нового поколения

Не секрет, что в наше время активно развивается машиностроение. Производители предлагают улучшенное качество и экологичность современных авто. Последнее слово автомобильной...

Древний город Фивы

На самом деле Фивы отнюдь не настоящее название древнего города на восточном берегу Нила. Так греки называли столицу Египта, город...

Зависимость прически от формы лица

Если есть что-то вроде идеальной формы лица, к которой подходят большинство причесок, то это овальное лицо. Некоторые укладки особенно хорошо смотрятся...

Мед и пчелы

Медоносная пчела замечательный природный фармацевт. Все вырабатываемые ею продукты находят применение в медицине: мёд. воск. забрус. пчелиный клей, пчелиный...

Вещая Кассандра

Кассандра родилась в городе Троя и являлась дочерью царя Приама и его супруги Гекубы. По свидетельству многочисленных авторов древности, девушка...

Химические катастрофы

Услышав сообщение об аварии, нужно надеть средства защиты органов дыхания, простейшие средства защиты кожи, по возможности быстро покинуть район...

Общее количество гелия-3 в атмосфере Земли оценивается всего лишь в 35 000 т. Его поступление из мантии в атмосферу (через вулканы и разломы в коре) составляет несколько килограммов в год. В лунном реголите гелий-3 постепенно накапливался в течение сотен миллионов лет облучения солнечным ветром. В результате тонна лунного грунта содержит 0,01 г гелия-3 и 28 г гелия-4; это изотопное соотношение (~0,04%) значительно выше, чем в земной атмосфере.

Амбициозные планы добычи гелия-3 на Луне, на полном серьезе рассматриваемые не только космическими лидерами (Россия и США), но и новичками (Китай и Индия), связаны с надеждами, которые возлагают на этот изотоп энергетики. Ядерная реакция 3Не+D→4Не+p имеет ряд преимуществ по сравнению с наиболее достижимой в земных условиях дейтериево-тритиевой реакцией T+D→4Не+n.

К этим преимуществам относится в десятки раз более низкий поток нейтронов из зоны реакции, что резко уменьшает наведенную радиоактивность и деградацию конструкционных материалов реактора. Кроме того, один из продуктов реакции — протоны — в отличие от нейтронов, легко улавливаются и могут быть использованы для дополнительной генерации электроэнергии. При этом и гелий-3, и дейтерий неактивны, их хранение не требует особых мер предосторожности, а при аварии реактора с разгерметизацией активной зоны радиоактивность выброса близка к нулю. Есть у гелий-дейтериевой реакции и серьезный недостаток — значительно более высокий температурный порог (для начала реакции требуется температура порядка миллиарда градусов).

Хотя все это дело будущего, гелий-3 чрезвычайно востребован и сейчас. Правда, не для энергетики, а для ядерной физики, криогенной промышленности и медицины.

Магнитно-резонансная томография

С момента своего появления в медицине магнитно-резонансная томография (МРТ) стала одним из основных диагностических методов, позволяющих без всякого вреда заглянуть «внутрь» различных органов.

Примерно 70% массы человеческого тела приходится на водород, ядро которого, протон, обладает определенным спином и связанным с ним магнитным моментом. Если поместить протон во внешнее постоянное магнитное поле, спин и магнитный момент ориентируются либо вдоль поля, либо навстречу, причем энергия протона в первом случае будет меньше, чем во втором. Протон можно перевести из первого состояния во второе, передав ему строго определенную энергию, равную разнице между этими энергетическими уровнями, — например, облучая его квантами электромагнитного поля с определенной частотой.

Как намагнитить гелий-3

Простейшим и самым прямым способом намагнитить гелий-3 является его охлаждение в сильном магнитном поле. Однако эффективность этого метода весьма низка, к тому же он требует сильных магнитных полей и низких температур. Поэтому на практике применяют метод оптической накачки — передачи атомам гелия спина от поляризованных фотонов накачки. В случае с гелием-3 это происходит в два этапа — оптическая накачка в метастабильном состоянии и спиновый обмен между атомами гелия в основном и метастабильном состоянии. Технически это реализуется путем облучения лазерным излучением с круговой поляризацией ячейки с гелием-3, переведенного в метастабильное состояние слабым высокочастотным электрическим разрядом, в присутствии слабого магнитного поля. Поляризованный гелий можно хранить в сосуде с внутренним покрытием из цезия при давлении 10 атмосфер в течение порядка 100 часов.

Именно так и устроен МР-томограф, только обнаруживает он не отдельные протоны. Если поместить образец, содержащий большое количество протонов в мощное магнитное поле, то количества протонов с магнитным моментом, направленным вдоль и навстречу полю, окажутся примерно равными. Если начать облучать этот образец электромагнитным излучением строго определенной частоты, все протоны с магнитным моментом (и спином) «вдоль поля» перевернутся, заняв положение «навстречу полю». При этом происходит резонансное поглощение энергии, а во время процесса возвращения к исходному состоянию, называемому релаксацией, — переизлучение полученной энергии, которое можно обнаружить. Это явление и называется ядерным магнитным резонансом, ЯМР. Средняя поляризация вещества, от которой зависит полезный сигнал при ЯМР, прямо пропорциональна напряженности внешнего магнитного поля. Чтобы получить сигнал, который можно обнаружить и отделить от шумов, требуется сверхпроводящий магнит — только ему под силу создать магнитное поле с индукцией порядка 1−3 Тл.

Магнитный газ

МР-томограф «видит» скопления протонов, поэтому отлично подходит для изучения и диагностики мягких тканей и органов, содержащих большие количества водорода (в основном в виде воды), а также дает возможность различать магнитные свойства молекул. Таким способом можно, скажем, отличить артериальную кровь, содержащую гемоглобин (основной переносчик кислорода в крови), от венозной, содержащей парамагнитный дезоксигемоглобин, — именно на этом основана фМРТ (функциональная МРТ), позволяющая отслеживать активность нейронов головного мозга.

Но, увы, такая замечательная методика, как МРТ, совершенно не приспособлена для изучения заполненных воздухом легких (даже если наполнить их водородом, сигнал от газообразной среды с низкой плотностью будет слишком слаб на фоне шумов). Да и мягкие ткани легких не слишком хорошо видны с помощью МРТ, поскольку они «пористые» и содержат мало водорода.

Можно ли обойти это ограничение? Можно, если использовать «намагниченный» газ — в этом случае средняя поляризация будет определяться не внешним полем, потому что все (или почти все) магнитные моменты будут ориентированы в одном направлении. И это вовсе не фантастика: в 1966 году французский физик Альфред Кастлер получил Нобелевскую премию с формулировкой «За открытие и разработку оптических методов исследования резонансов Герца в атомах». Он занимался вопросами оптической поляризации спиновых систем — то есть как раз «намагничиванием» газов (в частности, гелия-3) с помощью оптической накачки при резонансном поглощении фотонов с круговой поляризацией.

Ядерный магнитный резонанс использует магнитные свойства ядер водорода — протонов. Без внешнего магнитного поля магнитные моменты протонов ориентированы произвольно (как на первом изображении). При наложении мощного магнитного поля магнитные моменты протонов ориентируются параллельно полю — либо «вдоль», либо «навстречу». Два этих положения имеют разную энергию (2). Радиочастотный импульс с резонансной частотой, соответствующей разнице энергий, «переворачивает» магнитные моменты протонов «навстречу» полю (3). После окончания радиочастотного импульса происходит обратный «переворот», и протоны излучают на резонансной частоте. Этот сигнал принимается радиочастотной системой томографа и используются компьютером для построения изображения (4).

Дышите глубже

Пионерами использования поляризованных газов в медицине стала группа исследователей из Принстона и Нью-йоркского университета в Стони-Брук. В 1994 году ученые опубликовали в журнале Nature статью, в которой впервые было продемонстрировано изображение легких мыши, полученное с помощью МРТ.

Правда, МРТ не совсем стандартной — методика была основана на отклике не ядер водорода (протонов), а ядер ксенона-129. К тому же газ был не совсем обычным, а гиперполяризованным, то есть заранее «намагниченным». Так родился новый метод диагностики, который вскоре начали применять и в человеческой медицине.

Гиперполяризованный газ (обычно в смеси с кислородом) попадает в самые дальние закоулки легких, что дает возможность получить МРТ-снимок с разрешением на порядок выше лучших рентгеновских снимков. Можно даже построить детальную карту парциального давления кислорода в каждом участке легких и потом сделать заключение о качестве кровяного потока и диффузии кислорода в капиллярах. Эта методика позволяет изучить характер вентиляции легких у астматиков и контролировать процесс дыхания критических пациентов на уровне альвеол.

Как работает МРТ. МР-томограф обнаруживает скопления протонов — ядер атомов водорода. Поэтому МР-томография показывает различия в содержании водорода (в основном воды) в различных тканях. Существуют и другие способы отличать одну ткань от другой (скажем, различия в магнитных свойствах), которые применяются в специализированных исследованиях.

Достоинства МРТ с использованием гиперполяризованных газов этим не ограничиваются. Поскольку газ гиперполяризован, уровень полезного сигнала оказывается значительно выше (примерно в 10000 раз). Это означает, что отпадает необходимость в сверхсильных магнитных полях, и приводит к конструкции так называемых слабопольных МР-томографов — они дешевле, мобильнее и гораздо просторнее. В таких установках используются электромагниты, создающие поле порядка 0,005 Тл, что в сотни раз слабее стандартных МР-томографов.

Маленькое препятствие

Хотя первые эксперименты в этой области проводились с гиперполяризованным ксеноном-129, вскоре его заменил гелий-3. Он безвреден, позволяет получать более четкие изображения, чем ксенон-129, имеет в три раза больший магнитный момент, что обусловливает более сильный сигнал в ЯМР. Кроме того, обогащение ксенона-129 из-за близости массы с другими изотопами ксенона — дорогой процесс, да и достижимая поляризация газа существенно ниже, чем у гелия-3. К тому же ксенон-129 обладает седативным эффектом.

Но если слабопольные томографы просты и дешевы, почему же метод МРТ с гиперполяризованным гелием не используется сейчас в каждой поликлинике? Есть одно препятствие. Но зато какое!

Наследие холодной войны

Единственный способ получения гелия-3 — распад трития. Большая часть запасов 3He обязана своим происхождением распаду трития, произведенного во время ядерной гонки вооружений в период холодной войны. В США к 2003 году было накоплено примерно 260 000 л «сырого» (неочищенного) гелия-3, а к 2010 году осталось только 12000 л незадействованного газа. В связи с возрастанием спроса на этот дефицитный газ в 2007 году даже было восстановлено производство ограниченных количеств трития, и до 2015 года планируется дополнительно получать по 8000 л гелия-3 ежегодно. При этом годовой спрос на него уже сейчас составляет не менее 40 000 л (из них только 5% используется в медицине). В апреле 2010 года американский Комитет по науке и технологии США сделал вывод, что нехватка гелия-3 приведет к реальным негативным последствиям для многих областей. Даже ученые, работающие в ядерной отрасли США, испытывают трудности с приобретением гелия-3 из запасов государства.

Охлаждение смешиванием

Еще одна отрасль, которая не может обойтись без гелия-3 — это криогенная промышленность. Для достижения сверхнизких температур применяется т.н. рефрижератор растворения, который использует эффект растворения гелия-3 в гелии-4. При температуре ниже 0.87 К смесь разделяется на две фазы — богатую гелием-3 и гелием-4. Переход между этими фазами требует энергии, и это дает возможность охлаждения до очень низких температур — до 0,02 К. Простейшее такое устройство имеет достаточный запас гелия-3, который постепенно перемещается через границу раздела фаз в фазу, богатую гелием-4 с поглощением энергии. Когда запас гелия-3 закончится, устройство не сможет работать далее — оно «одноразовое».
Именно такой способ охлаждения, в частности, использовался в орбитальной обсерватории Planck Европейского космического агентства. В задачу «Планка» входила регистрация анизотропии реликтового излучения (с температурой около 2,7 К) с высоким разрешением с помощью 48 болометрических детекторов HFI (High Frequency Instrument), охлаждаемых до 0,1 К. До того, как запас гелия-3 в системе охлаждения был исчерпан, «Планк» успел сделать 5 снимков неба в микроволновом диапазоне.

Аукционная цена гелия-3 колеблется в районе $2000 за литр, причем никаких тенденций к снижению не наблюдается. Дефицит этого газа обусловлен тем, что основная часть гелия-3 используется для изготовления нейтронных детекторов, которые применяются в устройствах для обнаружения ядерных материалов. Такие детекторы регистрируют нейтроны по реакции (n, p) — захвату нейтрона и испусканию протона. А чтобы засечь попытки завоза ядерных материалов, таких детекторов требуется очень много — сотни тысяч штук. Именно по этой причине гелий-3 стал фантастически дорог и малодоступен для массовой медицины.

Впрочем, надежды есть. Правда, возлагаются они не на лунный гелий-3 (его добыча остается отдаленной перспективой), а на тритий, образующийся в тяжеловодных реакторах типа CANDU, которые эксплуатируются в Канаде, Аргентине, Румынии, Китае и Южной Корее.