Гелий: факты и фактики

Откуда берется гелий? Большая часть его образовалась при рождении вещества во Вселенной, в так называемом первичном нуклеосинтезе, то есть от столкновения тех протонов, нейтронов и электронов, что родились в Большом взрыве. При этом в основном формировался гелий-4, с незначительной добавкой гелия-3. Именно гелий и водород оказались основными продуктами первичного нуклеосинтеза: на них приходится соответственно 76 и 23% массы всего вещества Вселенной. Оставшийся один процент — это все остальные элементы. Второй источник гелия — горение водорода в звездах; оно также дает гелий-4 и немного гелия-3.

Однако на Земле гелия мало. Причина в том, что этот легчайший газ не способен вступать в химические реакции, поэтому первичный, содержавшийся в протопланетном облаке гелий давно улетел прочь. Тот же гелий, что есть на Земле, — это продукт радиоактивного распада, прежде всего распада урана и тория, ядра которых испускают альфа-частицы, то есть ядра гелия-4. Гелия-4 на Земле относительно много: 3⋅10^-7 от массы коры и 7⋅10^-5 от массы атмосферы. Каждый год образуется примерно 30 миллионов кубометров гелия-4. А гелия-3 на нашей планете — десятки тысяч тонн, например, в атмосфере содержится лишь 35 тысяч тонн этого изотопа, то есть он весьма редок и, стало быть, дефицитен. Для физических экспериментов и других нужд его получают в результате распада трития.

Чему мешает дефицит гелия-3? Этот изотоп идеален как сырье для термоядерного синтеза, а именно с ним связаны надежды на получение безграничного количеств энергии для нужд цивилизации. Есть две реакции, которые могут быть использованы при зажигании рукотворного Солнца: реакция дейтерия с тритием, порождающая альфа-частицу и нейтрон, и реакция дейтерия с гелием-3, дающая альфа-частицу и протон. Первая идет проще — при меньшей температуре и занимает меньше времени, то есть удерживать горячую плазму легче. Однако для второй не нужен тритий, который мало того что радиоактивен, так и еще и служит для создания термоядерной бомбы, а стало быть, работа с ним строго регламентирована, чтобы это опасное вещество не попало в плохие руки. Считается, что, после того как управляемая термоядерная реакция будет зажжена на тритиевой реакции, неизбежно встанет вопрос о переходе к гелиевой реакции и тогда придется задуматься об источнике гелия-3.

Впрочем, в США об этой проблеме начали думать еще в 2009 году, ведь у гелия-3 есть применения и помимо термоядерного синтеза. Важнейшее из них — детектирование нейтронов. В рамках Договора о нераспространении ядерного оружия, ядерные государства, прежде всего США и РФ, должны оснастить международные аэропорты, пограничные переходы и другие подобные места специальными мониторами, предотвращающими незаконное перемещение ядерных материалов. А судят об их наличии как раз по повышенному потоку нейтронов. Гелий-3, как изотоп с недостатком нейтронов, оказывается прекрасным рабочим телом такого монитора: захватив нейтрон, он испускает протон и становится тритием; спектр испускаемых протонов узок, и реакция хорошо различима. Подобные мониторы нужны не только службам безопасности, но и исследователям, работающим с источниками нейтронов.

Другое важное применение связано с большим магнитным моментом этих ядер: это свойство используют для изучения легких методом ЯМР. Гелий при вдыхании прекрасно заполняет все закоулки этого органа благодаря своей легкости, а томограф, отображая картину его распределения, позволяет лучше увидеть дефекты.

Поскольку производство трития было прекращено в середине 80-х годов, сейчас гелий-3 получают, откачивая продукты распада уже наработанного оружейного трития. И вот выяснилось, что такое производство недостаточно продуктивно. В результате открытые аукционы по продаже гелия-3 в США были отменены, его стали распределять в соответствии с заявками государственных агентств и только на неотложные нужды. Одновременно начали прорабатывать идеи более масштабного производства гелия-3, например с помощью ускорителей или атомных реакторов. В любом случае для детекторов и научных целей такого производства хватит, а вот для энергетики — никак.

Где можно найти много гелия-3? Коль скоро оба изотопа гелия в большом количестве рождаются в звездах, есть смысл поискать гелий-3 в продуктах их жизнедеятельности. Таких продуктов два. Во-первых, это протозвездные облака, получающиеся при взрыве сверхновых. В ходе формирования звездной системы гелий из облака частично выдувается, частично оказывается в планетах. Считается, что на холодных планетах-гигантах, в глубинах которых гелий находится в виде жидкости, сохранилось так много гелия из первичного облака, что запасы его можно назвать неисчерпаемыми. Однако лететь за гелием-3 до Юпитера и Сатурна далековато.

Есть менее мощный, но более близкий источник — солнечный ветер, приносящий к Земле ионы этого элемента. Увы, плотность вещества в солнечном ветре слишком мала, чтобы можно было собирать гелий из него в режиме реального времени. Но вот поверхность Луны миллиарды лет аккумулирует компоненты солнечного ветра. Исследования лунного грунта показали, что гелия-3 в нем не так уж и мало — если развернуть его добычу, то нужды человечества в таком источнике энергии будут обеспечены, по разным оценкам, на столетия или тысячелетия. Однако неужели добыча какого бы то ни было вещества на Луне может оказаться выгодной? Как ни странно, да — соответствующий расчет американские исследователи представили, например, в 1986 году на конференции в Ялте по проблемам управляемого термоядерного синтеза (см. «Химию и жизнь» 1991 №2). Расчет делали не в деньгах, а в энергетических единицах, и оказалось, что добыча гелия-3 и его доставка на Землю даст в 250 раз больше энергии, чем будет затрачено на производство. Для сравнения: сжигание угля дает лишь 16-кратный выигрыш энергии, а урана — 20-кратный.

Из этого расчета следует интересный вывод. Возникновение термоядерной энергетики выведет человеческую цивилизацию на качественно иной уровень не потому, что люди получат мощный источник энергии, а потому, что выход в космос и освоение, по крайней мере, нашего спутника превратятся в экономически состоятельное мероприятие. Колония на Луне, занятая добычей гелия-3, окажется не дорогой игрушкой, заводить которую никто не жаждет, а самоокупаемым предприятиям, которое неизбежно будет развивать межпланетную транспортную инфраструктуру. Еще одна причина, по которой вызывает разочарование очередной перенос срока запуска первого экспериментального термоядерного реактора ИТЕР с 2016 года на 2020-й.

Чем опасен гелий? Этот газ легко проходит сквозь воздух, воду, пластики, стекло. А сквозь тяжелые металлы — железо, платиноиды — и многие минералы он пройти не может. При этом гелий еще и плохо растворяется в металле, то есть, попав в него, склонен собираться в разного рода полостях. Такая особенность вызывает сильную головную боль у инженеров-ядерщиков, ведь гелий легко оказывается в металле, из которого сделаны их объекты, — он влетает туда в виде альфа-частицы, рожденной при распаде ядра либо в термоядерной реакции. Иначе говоря, в металлических конструкциях реактора АЭС, прямо в топливных сборках и в конструкциях строящегося термоядерного реактора неизбежно станет накапливаться гелий. В металле альфа-частица обретает электрон и становится атомом газа, который перемещается по решетке и скапливается возле дефектов кристаллического строения. Со временем там формируются газовые пузыри и металл распухает — это явление так и называют «гелиевое распухание». Если пузыри формируются вблизи поверхности, то она крошится. Материаловеды, занятые созданием сплавов для ядерной энергетики, тратят много времени на решение проблемы гелиевого распухания — в этом легко убедиться, просмотрев свежие публикации научных журналов с ключевым словом «гелий».

Что еще интересует в гелии исследователей? Его можно использовать для датировки всевозможных геологических пород. Поскольку гелий получается при распаде радиоактивных элементов, по его накоплению можно судить о возрасте минерала. Это не главный, но неплохой рабочий метод при построении разного рода хронологии.

Зачем гелий нужен непосредственно человеку? В 20-х годах XX века его начали использовать как компонент дыхательных смесей. Первоначальная идея состояла в том, что гелий — легкий газ, поэтому, заменив им азот, можно сделать смесь, дышать которой гораздо легче, — и эта смесь поможет восстанавливать здоровье или даже спасать жизни людям, испытывающим трудности с дыханием. Удивительно, но почти за столетие врачи так и не смогли разобраться, работает эта идея или нет — в клинической практике гелиево-кислородные подушки применяют, однако исследования в рамках доказательной медицины можно пересчитать по пальцам одной руки, причем и по их результатам сделать вразумительные выводы не удается. Время от времени составляются обзоры тех немногочисленных работ, что все-таки появляются в научных журналах, авторы которых неизменно призывают провести больше клинических испытаний метода и разгадать в конце концов эту загадку.

А вот водолазами воздушные смеси с гелием вполне подошли. У них проблема в том, что азот при высоком давлении — а оно возникает при погружении глубже пятидесяти метров — вызывает опьянение. Значит, его содержание в смеси для дыхания надо уменьшить, заменив азот другим химически инертным газом. Но тяжелые инертные газы способны вызывать наркоз, накапливаясь в жировых тканях. Легкий гелий в этом не замечен, но и у него есть недостаток — высокая теплопроводность. Из-за нее человек в помещении, заполненном смесью гелия и кислорода, сильно мерзнет. Поэтому сейчас водолазам лишь часть азота заменяют гелием.

Есть идеи заполнять такой смесью космические корабли, особенно межпланетные. Здесь возможны два выигрыша. Во-первых, более легкий газ требует меньших усилий при прокачке в системе вентиляции, стало быть, снижается вес оборудования. А во-вторых, при выходе за пределы радиационных поясов Земли космический корабль станет подвергаться бомбардировке быстрыми частицами солнечного ветра и космических лучей. Возникнет наведенная радиация: в частности, атомы азота становятся радиоактивными. Гелий же при облучении не порождает радиоактивных изотопов. При полетах внутри поясов — а именно там сейчас проходят все пилотируемые экспедиции — этой проблемы не возникает, но при возобновлении полетов людей на Луну, а тем более на Марс этот фактор придется учитывать.

Как люди начали использовать гелий? Гелий как новый элемент обнаружили при изучении спектров Солнца в 1868 году, с разницей в несколько месяцев, француз Жюль Жансен и англичанин Норман Локьер. (Последний знаменит не только как человек, давший гелию его имя, но и как создатель и первый главный редактор журнала «Нейчур», а также как основатель археоастрономии — направления науки, которое ищет астрономическое значение в памятниках древности.) Письма об открытии попали в Парижскую академию наук одновременно и были зачитаны с интервалом в несколько минут. Это совпадение так поразило академиков, что была выпущена специальная памятная медаль с изображением обоих ученых. С высоты сегодняшнего знания можно сказать, что так было зафиксировано проявление парадокса Шелдрейка: если человек в одном месте научился делать что-то, в другом месте люди обучаются делать то же самое быстрее (см. «Химию и жизнь» 1984 №8, 2001 №2).

Первым же «подержал в руках» гелий неутомимый Уильям Рамзай. В 1895 году он выделил этот газ при разложении клевеита — минерала, содержащего много урана и тория. А жидкий гелий в 1908 году сделал Хейке Камерлинг-Оннес и благодаря этому сумел открыть сверхпроводимость — в подавляющем большинстве веществ она если и возникает, то как раз при гелиевой температуре. Промышленность сжиженных газов дала возможность получать гелий в больших количествах, и, естественно, это дорогое вещество нашло применение там, где затрат не считают, — в военной технике, например, в дирижаблях, заправленных гелием. Преимущество этого газа понятно — водород, более широко применявшийся для заправки ранних дирижаблей, весьма взрывоопасен.

Как сейчас используют гелий? Основное его количество идет на криогенику. И это отнюдь не Большой адронный коллайдер, в котором жидкий гелий охлаждает сверхпроводящие магниты, или другие гигантские приборы, где нужно охлаждать детекторы. Пятую часть мирового производства гелия расходуют при проведении магнитно-резонансных исследований в клиниках: он поддерживает низкую температуру установленных в томографах электромагнитов, чтобы перевести их в сверхпроводящее состояние. Далее идет аргонно-дуговая сварка — добавка гелия в газ для создания дуги повышает качество швов при сварке толстых изделий из-за высокой теплопроводности. Надувные шарики-игрушки и прочие шары, например метеорологические зонды или дирижабли для доставки грузов в отдаленные районы, которые всё обещают возродить, но никак не соберутся, — третье по объему применение гелия. Еще он нужен в металлургии для создания защитных атмосфер или продувания отливок — вместе с гелием из растворенного металла выходят другие газы, и качество изделия повышается; преимущество гелия в том, что он гораздо меньше растворяется в металлах, чем другие инертные газы. Гелием выдавливают жидкости из резервуаров, например топливо из баков космического корабля; каждый запуск американского шаттла требовал 20 тысяч м³ гелия. Нужен гелий и в приборах для поиска разного рода течей. Незаменим он при испытаниях изделий, которым предстоит работать в вакууме. Так, «Буран» перед полетом испытывали на герметичность в криокамере объемом 10 тысяч м³ — ее стенки охлаждали гелием, чтобы выморозить все неоткачанные газы и обеспечить глубокий вакуум. Гелий широко применяют при производстве микроэлектроники и оптических волокон. Короче говоря, годовое производство гелия ныне превысило 200 млн м³ и стабильно растет последние полвека со скоростью 5% в год. Используют его в основном промышленно развитые страны, и лидер тут — США, где годовое потребление составляет более 100 млн м³. В Евросоюзе — 40 млн, Канаде — 25 млн, КНР — 15 млн, Индии около 10 млн. Данные по РФ весьма неопределенные — от 1 до 10 млн м³ в год.

Считается, что потребность в гелии и далее будет расти, поскольку могут появиться новые области его использования. Прежде всего это монорельсовый транспорт на сверхпроводящей магнитной подушке. Если ориентироваться на низкотемпературные сверхпроводники, то гелий будет незаменим — без него никак не удастся охладить магнит до нужной температуры. Пока что на планете есть один такой поезд: он возит пассажиров из центра Шанхая в аэропорт, преодолевая 35 км за 7 минут. Инженеры надеются на развитие этой технологии в основном в густонаселенных странах вроде Японии, где строить обычные дороги непросто из-за дефицита места. Так вот, запуск этого поезд сразу на четверть увеличил потребность КНР в гелии.

Другое, не менее интересное направление — полностью безопасный атомный реактор. В него вместо стержней насыпают гранулы с ядерным топливом, а они омываются гелиевым теплоносителем. В таком перспективном реакторе атомный взрыв невозможен, и даже при аварии не происходит разрушение активной зоны и загрязнение радиоактивными элементами. Гелий как теплоноситель хорош не только из-за своей высокой теплоемкости, но и потому, что не порождает радиоактивных элементов при облучении. Правда, пока что проектирование такого реактора продвигается медленно и намеченные в конце XX века сроки давно сорваны. Подобный реактор должен был послужить для уничтожения советского оружейного плутония.

Слева: так выглядел корпус токамака ИТЕР в апреле 2017 года. Справа: в этом ангаре площадью 8 тысяч м2 станут изготавливать и хранить жидкие азот и гелий. Ежедневный объем производства жидкого азота составит 50 тонн, и он послужит для предварительного охлаждения газа при получении жидкого гелия. В системе ИТЕР будет циркулировать 25 тонн этого вещества при температуре ­269 °С, чего должно хватить для поддержания 10 тысяч тонн магнитов в сверхпроводящем состоянии Фото: ITER Organization / EJF Riche

Как получают гелий? Его добывают из природного газа, точнее, из остатков, получающихся после сжижения. Вообще, именно в природном газе концентрируется более половины всего гелия планеты. Причина в том, что гелий, как и метан, путешествуя сквозь земную кору, в конце концов разделяет его участь — оказывается запертым в породах-коллекторах. Содержание гелия в газе разных месторождений сильно различается; добыча гелия считается рентабельной, когда оно достигает 0,05%. В СССР прекрасный завод по получению гелия был построен в начале 80-х в Оренбургской области (см. «Химию и жизнь» 1981 №3). На заводе очищают природный газ от сероводорода, разделяют его на фракции, например отделяя этан от метана, а в итоге получают и гелий. Сейчас это единственный завод такого профиля в РФ, хотя гелий можно извлекать из газа и других месторождений.

На самом деле человечество крайне расточительно обращается с гелием. По сути, это невозобновляемое сырье, поскольку число радиоактивных элементов, порождающих гелий, на планете только уменьшается. И при этом в трубу вместе со сгоревшим газом ежегодно улетают сотни миллионов кубометров гелия. Понятно, что объем производства определяется спросом, однако можно принимать меры по сохранению ценного газа. В США в середине XX века попытались создать стратегический запас гелия — извлекали его из природного газа и закачивали в подземные хранилища; в 1996 году программа была свернута, хранилища приватизировали, и сейчас этот госзапас успешно распродают.

Поскольку РФ добывает огромные количества газа, на нас в значительной степени лежит ответственность за сохранение гелиевого богатства. Отечественные специалисты не первый год бьют тревогу и требуют принять программу по более полному извлечению гелия из природного газа с тем, чтобы расширять рынок, а заодно формировать запас на черный день.

В этой колонне Оренбургского гелиевого завода происходит выделение гелия из природного газа Оренбургского нефтегазоконденсатного месторождения