Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья про элементарный изотоп. Для звукозаписывающей компании см. Helium 3 (звукозаписывающая компания) .
Гелий-3,  3 Он
He-3 atom.png
Общий
Символ3 Он
Именагелий-3, He-3, тральфий (устаревший)
Протоны2
Нейтронов1
Данные о нуклидах
Природное изобилие0,000137% (% He на Земле)
0,001% (% He в Солнечной системе)
Период полураспадастабильный
Родительские изотопы3 H  ( бета-распад трития)
Изотопная масса3,0160293 ед.
Вращение1 / 2
Изотопы гелия
Полная таблица нуклидов

Гелий-3 ( 3 Он , tralphium , [1] [2] Смотри также HELION ) представляет собой легкий, стабильный изотоп из гелия с двумя протонами и одного нейтрона (наиболее распространенный изотоп гелия-4 , имеющий два протона и два нейтрона в контраст). Помимо протия (обычного водорода ), гелий-3 является единственным стабильным изотопом любого элемента, у которого протонов больше, чем нейтронов. Гелий-3 был открыт в 1939 году.

Гелий-3 представляет собой первичный нуклид , ускользающий из земной коры в ее атмосферу и в космическое пространство в течение миллионов лет. Гелий-3 также считается естественным нуклеогенным и космогенным нуклидом , который образуется при бомбардировке лития естественными нейтронами, которые могут высвобождаться в результате спонтанного деления и ядерных реакций с космическими лучами . Часть гелия-3, обнаруженного в земной атмосфере, также является артефактом атмосферных и подводных испытаний ядерного оружия .

Было высказано много предположений о возможности использования гелия-3 в качестве источника энергии в будущем . В отличие от большинства реакций ядерного деления , синтез атомов гелия-3 высвобождает большое количество энергии, не заставляя окружающий материал становиться радиоактивным . Однако температуры, необходимые для достижения реакций синтеза гелия-3, намного выше, чем в традиционных реакциях синтеза, [3] и процесс может неизбежно вызвать другие реакции, которые сами по себе могут привести к тому, что окружающий материал станет радиоактивным. [4]

Обилие гелия-3 , как полагает, больше на Луне , чем на Земле, будучи встроено в верхнем слое реголита по солнечному ветру в течение миллиардов лет, [5] , хотя еще ниже в изобилии , чем в Солнечной системе газа гиганты . [6] [7]

История [ править ]

О существовании гелия-3 впервые предположил в 1934 году австралийский физик-ядерщик Марк Олифант, когда он работал в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета . Олифант проводил эксперименты, в которых быстрые дейтроны сталкивались с дейтронными мишенями (между прочим, первая демонстрация ядерного синтеза ). [8] Выделение гелия-3 было впервые выполнено Луисом Альваресом и Робертом Корногом в 1939 году. [9] [10] Гелий-3 считался радиоактивным изотопом, пока он не был обнаружен в образцах природного гелия, который в основном состоит из гелий-4, взятых как из земной атмосферы, так и из скважин природного газа . [11]

Физические свойства [ править ]

Из-за его низкой атомной массы, составляющей 3,02 атомных единицы массы , гелий-3 имеет некоторые физические свойства, отличные от свойств гелия-4, с массой 4,00 атомных единицы массы. Из-за слабого индуцированного диполь-дипольного взаимодействия между атомами гелия их микроскопические физические свойства в основном определяются их нулевой энергией . Кроме того, микроскопические свойства гелия-3 заставляют его иметь более высокую нулевую энергию, чем гелий-4. Это означает, что гелий-3 может преодолевать диполь-дипольные взаимодействия с меньшей тепловой энергией, чем гелий-4.

В квантово - механические эффекты на гелий-3 и гелия-4 значительно отличаются , потому что с двух протонов , двух нейтронов и двух электронов , гелий-4 имеет общий спин , равный нулю, что делает его бозон , но с одним нейтроном меньше, гелием 3 имеет общий спин равный половине, что делает его фермионом .

Гелий-3 кипит при 3,19 К по сравнению с гелием-4 при 4,23 К, и его критическая точка также ниже при 3,35 К, по сравнению с гелием-4 при 5,2 К. Плотность гелия-3 меньше половины плотности гелия-4, когда он находится в точке кипения: 59 г / л по сравнению с 125 г / л гелия-4 при давлении в одну атмосферу. Его скрытая теплота парообразования также значительно ниже и составляет 0,026 кДж / моль по сравнению с 0,0829 кДж / моль гелия-4. [12] [13]

Природное изобилие [ править ]

Земное изобилие [ править ]

Основная статья: Изотопная геохимия

3 Он - изначальное вещество в мантии Земли, которое , как считается, попало в ловушку Земли во время формирования планеты. Отношение 3 He к 4 He в земной коре и мантии меньше, чем для предположений о составе солнечного диска, полученного из метеоритов и лунных образцов, с земными материалами, обычно содержащими более низкие отношения 3 He / 4 He из-за врастания 4 He. от радиоактивного распада.

3 Он имеет космологическое соотношение 300 атомов на миллион атомов 4 He (ат. Частей на миллион) [14], что позволяет предположить, что первоначальное соотношение этих первичных газов в мантии составляло около 200-300 частей на миллион, когда Земля образовалась. Большое количество 4 He образовалось в результате альфа-распада урана и тория, и теперь в мантии содержится только около 7% первичного гелия [14], что снижает общее отношение 3 He / 4 He примерно до 20 ppm. Отношения 3 He / 4 He, превышающие атмосферное, указывают на вклад 3 He из мантии. В коровых источниках преобладает 4 He который возникает в результате распада радиоактивных элементов в коре и мантии.

Отношение гелия-3 к гелию-4 в естественных земных источниках сильно различается. [15] [16] Образцы сподумена литиевой руды из рудника Эдисон, Южная Дакота, содержат от 12 частей гелия-3 до миллиона частей гелия-4. Пробы с других шахт показали 2 части на миллион. [15]

Гелий также присутствует в некоторых источниках природного газа до 7% [17], а в крупных источниках содержится более 0,5% (более 0,2% делает возможным его извлечение). [18] Доля 3 He в гелии, выделенном из природного газа в США, составляет от 70 до 242 частей на миллиард. [19] [20] Следовательно, запасы гелия-3 в США на 2002 год в 1 миллиард нормальных м 3 [18] должны были содержать от 12 до 43 килограммов. По данным американского физика Ричарда Гарвина , около 26 м 3 или почти 5 кг 3 He ежегодно доступно для выделения из потока природного газа США. Если процесс выделения 3Он мог бы использовать в качестве сырья сжиженный гелий, который обычно используется для транспортировки и хранения больших объемов, оценка дополнительных затрат на энергию колеблется от 34 до 300 долларов США за литр NTP, без учета стоимости инфраструктуры и оборудования. [19] Предполагается, что годовая добыча газа Алжиром составляет 100 миллионов нормальных кубических метров [18], и это будет содержать от 7 до 24 м 3 гелия-3 (примерно от 1 до 4 килограммов), если принять аналогичную долю 3 He.

3 Он также присутствует в атмосфере Земли . Природное содержание 3 He в природном газообразном гелии составляет 1,38 × 10 - 6 (1,38 частей на миллион). Парциальное давление гелия в атмосфере Земли составляет около 0,52 Па, и, таким образом, гелий составляет 5,2 частей на миллион от общего давления (101325 Па) в атмосфере Земли, а 3 He составляет 7,2 частей на триллион атмосферы. Поскольку масса атмосферы Земли составляет около 5,14 × 10 15 тонн, [21] масса 3 He в атмосфере Земли является произведением этих чисел, или около 37 000 тонн3 Он. (На самом деле эффективная цифра в десять раз меньше, так как указанные выше ppm - это ppmv, а не ppmw. Нужно умножить на 3 (молекулярная масса гелия-3) и разделить на 29 (средняя молекулярная масса атмосферы), в результате чего в 3828 тоннах гелия-3 в земной атмосфере.)

3 Он производится на Земле из трех источников: расщепления лития , космических лучей и бета-распада трития ( 3 H). Вклад космических лучей незначителен во всех материалах реголита, за исключением самых старых, а реакции расщепления лития вносят меньший вклад, чем образование 4 He за счет выбросов альфа-частиц .

Общее количество гелия-3 в мантии может находиться в пределах 0,1–1 млн тонн . Однако большая часть мантии недоступна напрямую. Некоторое количество гелия-3 просачивается через горячие вулканы с глубокими источниками, например, на Гавайских островах , но в атмосферу выбрасывается только 300 граммов в год. Срединно-океанические хребты выбрасывают еще 3 килограмма в год. Вокруг зон субдукции различные источники производят гелий-3 в месторождениях природного газа, которые, возможно, содержат тысячу тонн гелия-3 (хотя их может быть 25 тысяч тонн, если все древние зоны субдукции имеют такие месторождения). Виттенберг подсчитал, что в коровых источниках природного газа США может быть всего полтонны.[22] Виттенберг процитировал оценку Андерсона еще 1200 метрических тоннчастиц межпланетной пыли на дне океана. [23] В исследовании 1994 года извлечение гелия-3 из этих источников потребляет больше энергии, чем выделение при синтезе. [24]

Лунная поверхность [ править ]

См. # Внеземная добыча

Изобилие (изначальной) солнечной туманности [ править ]

Одной из первых оценок изначального отношения 3 He к 4 He в солнечной туманности было измерение их отношения в атмосфере Юпитера, измеренное масс-спектрометром зонда входа в атмосферу Галилео. Это соотношение составляет примерно 1: 10 000, [25] или 100 частей 3 He на миллион частей 4 He. Это примерно такое же соотношение изотопов, как и в лунном реголите, который содержит 28 частей на миллион гелия-4 и 2,8 частей на миллиард гелия-3 (что находится в нижней части фактических измерений образца, которые варьируются от 1,4 до 15 частей на миллиард). Однако земные отношения изотопов ниже в 100 раз, в основном из-за обогащения запасов гелия-4 в мантии за миллиарды лет альфа-распада отуран и торий .

Человеческое производство [ править ]

Распад трития [ править ]

Смотрите также: тритий

Практически весь гелий-3, используемый сегодня в промышленности, производится в результате радиоактивного распада трития , учитывая его очень низкое естественное содержание и очень высокую стоимость.

Производство, продажа и распределение гелия-3 в Соединенных Штатах контролируется Программой изотопов Министерства энергетики США (DOE) . [26]

В то время как тритий имеет несколько различных экспериментально определенных значений периода полураспада , NIST перечисляет 4500 ± 8 дней ( 12,32 ± 0,02 года ). [27] Он распадается на гелий-3 в результате бета-распада, как в этом ядерном уравнении:

3
1ЧАС
 		→ 3
2Он1+
 		+ е- + νе

Среди общей выделенной энергии 18,6 кэВ, часть принимается электрон «ы кинетическая энергия изменяется, при среднем 5,7 кэВ, в то время как остальная энергия уносится почти незаметного электронного антинейтрино . Бета-частицы из трития могут проникать только через 6,0 мм воздуха, и они неспособны пройти через самый верхний мертвый слой кожи человека. [28] Необычайно низкая энергия, выделяемая при бета-распаде трития, делает этот распад (наряду с распадом рения-187 ) подходящим для измерения абсолютной массы нейтрино в лаборатории (последний эксперимент - KATRIN ).

Низкая энергия излучения трития затрудняет обнаружение соединений, меченных тритием, за исключением использования жидкостного сцинтилляционного счета .

Тритий - это радиоактивный изотоп водорода, который обычно получают путем бомбардировки лития-6 нейтронами в ядерном реакторе. Ядро лития поглощает нейтрон и распадается на гелий-4 и тритий. Тритий распадается на гелий-3 с периодом полураспада 12,3 года, поэтому гелий-3 можно получить, просто храня тритий, пока он не подвергнется радиоактивному распаду.

Тритий - важнейший компонент ядерного оружия, и исторически он производился и складировался в основном для этого применения. Распад трития на гелий-3 снижает взрывную мощность термоядерной боеголовки, поэтому периодически накопленный гелий-3 должен удаляться из резервуаров боеголовки и тритий в хранилище. Гелий-3, удаленный во время этого процесса, продается для других целей.

На протяжении десятилетий он был и остается основным источником гелия-3 в мире. [29] Однако с момента подписания Договора СНВ-1 в 1991 году количество ядерных боеголовок, которые хранятся в готовности к использованию, уменьшилось [30] [31] Это уменьшило количество гелия-3, доступного из этого источника. Запасы гелия-3 еще больше сократились из-за возросшего спроса [19], главным образом для использования в детекторах нейтронного излучения и медицинских диагностических процедурах. Промышленный спрос на гелий-3 в США достиг пика в 70 000 литров (примерно 8 кг) в год в 2008 году. Цена на аукционе, составлявшая исторически около 100 долларов за литр, достигла 2000 долларов за литр. [32] С тех пор спрос на гелий-3 снизился примерно до 6000 литров в год из-за высокой стоимости и усилий Министерства энергетики по его переработке и поиску заменителей.

МЭ признал развивающийся дефицит как трития и гелия-3, и начал производить тритий облучения литии на Tennessee Valley Authority «ы станции Ватты Бар ядерной генерирующей в 2010 г. [19] В этом процессе тритий производит выгорающие поглощающие стержни (TPBARs ), содержащие литий в керамической форме, вставляются в реактор вместо обычных регулирующих стержней, содержащих бор [33]. Периодически TPBAR заменяются и тритий извлекается.

В настоящее время для производства трития используется только один реактор, но при необходимости этот процесс можно было бы значительно расширить, чтобы удовлетворить любые мыслимые потребности, просто за счет использования большего количества национальных энергетических реакторов. Значительные количества трития и гелия-3 могут быть также извлечены из тяжеловодного замедлителя в ядерных реакторах CANDU . [19] [34]

Использует [ редактировать ]

Обнаружение нейтронов [ править ]

Гелий-3 - важный изотоп в приборах для обнаружения нейтронов . Он имеет высокое сечение поглощения пучков тепловых нейтронов и используется в качестве конвертирующего газа в детекторах нейтронов. Нейтрон превращается в ядерную реакцию

n + 3 He → 3 H + 1 H + 0,764 МэВ

в заряженные частицы ионы трития (T, 3 H) и ионы водорода или протоны (p, 1 H), которые затем обнаруживаются путем создания облака заряда в останавливающем газе пропорционального счетчика или трубки Гейгера – Мюллера . [35]

Кроме того, процесс поглощения сильно зависит от спина , что позволяет спин-поляризованному объему гелия-3 передавать нейтроны с одной компонентой спина, поглощая другую. Этот эффект используется в нейтронном поляризационном анализе , методе исследования магнитных свойств вещества. [36] [37] [38] [39]

США Министерство национальной безопасности понадеялись развертывания детекторов обнаружить контрабандные плутония в морских контейнерах по их эмиссии нейтронов, но во всем мире дефицит гелия-3 после сокращения производства ядерного оружия со времен холодной войны до некоторой степени предотвратить это. [40] По состоянию на 2012 год DHS определило, что коммерческие поставки бора-10 поддержат преобразование инфраструктуры обнаружения нейтронов на эту технологию. [41]

Криогеника [ править ]

В холодильнике с гелием-3 используется гелий-3 для достижения температуры от 0,2 до 0,3 кельвина . Разбавления холодильник использует смесь гелия-3 и гелия-4 , чтобы достичь криогенных температур до нескольких тысячного кельвина . [42]

Важное свойство гелия-3, который отличает его от более общего гелия-4, в том , что его ядро является фермионное , так как он содержит нечетное число спиновых 1 / 2 частиц. Ядра гелия-4 являются бозонами , содержащее четное число спина 1 / 2 частиц. Это прямой результат правил сложения для квантованного углового момента. При низких температурах (около 2,17 К) гелий-4 претерпевает фазовый переход : часть его переходит в сверхтекучую фазу, которую можно грубо понять как тип конденсата Бозе – Эйнштейна.. Такой механизм недоступен для атомов гелия-3, которые являются фермионами. Тем не менее, было широко распространено предположение , что гелий-3 также может стать сверхтекучей при значительно более низких температурах, если атомы образуются в пар , аналогичных куперовских пар в теории БКШ о сверхпроводимости . Каждую куперовскую пару с целым спином можно рассматривать как бозон. В 1970-е годы Дэвид Ли , Дуглас Ошерофф и Роберт Коулман Ричардсон обнаружили два фазовых перехода вдоль кривой плавления, которые вскоре были обнаружены как две сверхтекучие фазы гелия-3. [43] [44]Переход в сверхтекучую среду происходит при 2,491 милликельвине на кривой плавления. За свое открытие они были удостоены Нобелевской премии по физике 1996 года . Алексей Абрикосов , Виталий Гинзбург и Тони Леггетт получили Нобелевскую премию по физике 2003 г. за работу по уточнению понимания сверхтекучей фазы гелия-3. [45]

В нулевом магнитном поле есть две различные сверхтекучей фазы 3 He, A-фаза и B-фаза. B-фаза - это фаза с низкой температурой и низким давлением, которая имеет изотропную запрещенную зону. A-фаза - это фаза с более высокой температурой и более высоким давлением, которая дополнительно стабилизируется магнитным полем и имеет два точечных узла в своем зазоре. Наличие двух фаз является явным признаком того, что 3 He является нетрадиционной сверхтекучей жидкостью (сверхпроводником), поскольку наличие двух фаз требует нарушения дополнительной симметрии, отличной от калибровочной. Фактически, это сверхтекучая жидкость с p- волной, со спином один, S = 1, и одним угловым моментом, L = 1. Основное состояние соответствует нулевому полному моменту импульса, Дж= S + L = 0 (сложение векторов). Возможны возбужденные состояния с ненулевым полным угловым моментом J > 0, которые являются возбужденными парными коллективными модами. Из-за чрезвычайной чистоты сверхтекучего 3 He (поскольку все материалы, кроме 4 He, затвердели и опустились на дно жидкого 3 He, а любой 4 He полностью разделился на фазы, это наиболее чистое состояние конденсированной материи), эти коллективные режимы были изучены с гораздо большей точностью, чем в любой другой нетрадиционной системе пар.

Медицинская визуализация [ править ]

Ядра гелия-3 обладают собственным ядерным спином из 1 / 2 , и относительно высокого гиромагнитное отношения . Гелий-3 может быть гиперполяризован с использованием неравновесных средств, таких как спин-обменная оптическая накачка. [46] Во время этого процесса инфракрасный лазерный свет с круговой поляризацией , настроенный на соответствующую длину волны, используется для возбуждения электронов в щелочном металле , таком как цезий или рубидий, внутри герметичного стеклянного сосуда. Угловой моментпередается от электронов щелочного металла к ядрам благородных газов в результате столкновений. По сути, этот процесс эффективно выравнивает ядерные спины с магнитным полем для усиления сигнала ЯМР . Затем гиперполяризованный газ может храниться при давлении 10 атм до 100 часов. После ингаляции газовые смеси, содержащие гиперполяризованный газ гелий-3, могут быть визуализированы с помощью сканера МРТ для получения анатомических и функциональных изображений вентиляции легких. Этот метод также позволяет получать изображения дерева дыхательных путей, обнаруживать невентилируемые дефекты, измерять парциальное давление кислорода в альвеолах и измерять соотношение вентиляция / перфузия.. Этот метод может иметь решающее значение для диагностики и лечения хронических респираторных заболеваний, таких как хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ) , эмфизема , кистозный фиброз и астма . [47]

Поглотитель энергии для плазменных экспериментов на токамаках [ править ]

И токамак Alcator C-Mod Массачусетского технологического института, и Joint European Torus (JET) экспериментировали с добавлением небольшого количества He-3 в плазму HD для увеличения поглощения радиочастотной (RF) энергии для нагрева ионов H и D, трехионный »эффект. [48] [49]

Ядерное топливо [ править ]

Смотрите также: анейтронный синтез
Сравнение нейтронности для различных реакций [50] [51] [52] [53] [54]
РеагентыТоварыQн / МэВ
Термоядерное топливо первого поколения
2 Д + 2 Д→3 Он +1
0п
3,268 МэВ0,306
2 Д + 2 Д→3 т +1
1п
4.032 МэВ0
2 д + 3 т→4 Он +1
0п
17,571 МэВ0,057
Термоядерное топливо второго поколения
2 D + 3 He→4 Он +1
1п
18,354 МэВ0
Термоядерное топливо третьего поколения
3 Он + 3 Он→4 Он + 21
1п
12,86 МэВ0
11 млрд +1
1п
→3 4 Он8,68 МэВ0
Чистый результат сжигания D (сумма первых 4 строк)
6 Д→2 ( 4 He + n + p)43,225 МэВ0,046
Текущее ядерное топливо
235 U + n→2 FP + 2,5n~ 200 МэВ0,0075

3 Он может быть получен низкотемпературным плавлением (ДП)2 ч + 1 п → 3 He + γ + 4.98 МэВ. Если температура слияния ниже температуры слияния ядер гелия, в результате реакции образуется высокоэнергетическая альфа-частица, которая быстро приобретает электрон, производящий стабильный легкий ион гелия, который можно использовать непосредственно в качестве источника электричества без образования опасных нейтронов.

Скорость реакции синтеза быстро увеличивается с температурой до максимума, а затем постепенно снижается. Скорость DT достигает пика при более низкой температуре (около 70 кэВ, или 800 миллионов кельвинов) и при более высоком значении, чем другие реакции, обычно рассматриваемые для получения энергии термоядерного синтеза.

3 He может быть использован в реакциях синтеза по любой из реакций 2 H + 3 He → 4 He + 1 p + 18,3 МэВ или 3 He + 3 He → 4 He + 2 1 p + 12,86 МэВ.

Обычный процесс синтеза дейтерий + тритий («DT») производит энергичные нейтроны, которые делают компоненты реактора радиоактивными с продуктами активации . Привлекательность синтеза гелия-3 проистекает из анейтронной природы его продуктов реакции. Сам гелий-3 нерадиоактивен. Единственный побочный продукт с высокой энергией, протон , можно удерживать с помощью электрических и магнитных полей. Энергия импульса этого протона (созданного в процессе термоядерного синтеза) будет взаимодействовать с содержащим его электромагнитным полем, что приведет к непосредственной выработке чистой электроэнергии. [55]

Из-за более высокого кулоновского барьера температуры, необходимые для синтеза 2 H + 3 He , намного выше, чем для обычного DT-синтеза . Более того, поскольку оба реагента необходимо смешать вместе для слияния, будут происходить реакции между ядрами одного и того же реагента, и реакция DD ( 2 H + 2 H ) действительно производит нейтрон . Скорость реакции зависит от температуры, но скорость реакции D- 3 He никогда не превышает 3,56 раза скорость реакции DD (см. График). Таким образом, синтез с использованием D- 3 HeТопливо с правильной температурой и топливная смесь, обедненная D, может производить гораздо более низкий поток нейтронов, чем DT-синтез, но не является чистым, что сводит на нет некоторые из его главных преимуществ.

Вторая возможность, синтез 3 He с самим собой ( 3 He + 3 He ), требует еще более высоких температур (так как теперь оба реагента имеют заряд +2) и, таким образом, даже более трудна, чем реакция D- 3 He . Однако он предлагает возможную реакцию, которая не производит нейтронов; произведенные заряженные протоны можно удерживать с помощью электрических и магнитных полей, что, в свою очередь, приводит к прямому производству электроэнергии. Синтез 3 He + 3 He осуществим, как было продемонстрировано в лаборатории, и имеет огромные преимущества, но коммерческая жизнеспособность - это еще много лет. [56]

Количество гелия-3, необходимое для замены обычного топлива, является значительным по сравнению с количествами, доступными в настоящее время. Общее количество энергии, произведенной в реакции 2 D  +  3 He, составляет 18,4 M эВ , что соответствует примерно 493 мегаватт-часам (4,93 × 10 8 Вт · ч) на три грамма (один моль ) 3 He, если общее количество энергии может быть преобразовано в электрическую энергию со 100% -ным КПД (физическая невозможность), это будет соответствовать примерно 30 минутам мощности гигаваттной электрической установки на моль 3 He. Таким образом, для годового производства (при 6 граммах на каждый час работы) потребуется 52,5 кг гелия-3. Количество топлива, необходимого для крупномасштабных применений, также можно выразить в терминах общего потребления: потребление электроэнергии 107 миллионами домохозяйств США в 2001 году [57] составило 1,140 миллиардов кВт · ч (1,14 × 10 15 Вт · ч). Снова предполагая 100% эффективность преобразования, для этого сегмента энергопотребления Соединенных Штатов потребуется 6,7 тонны гелия-3 в год, то есть от 15 до 20 тонн в год, учитывая более реалистичную эффективность сквозного преобразования. [ необходима цитата ]

Подход второго поколения с контролируемым плавлением мощности включает в себя объединение гелия-3 и дейтерий ( 2 D ). В результате этой реакции образуется ион гелия-4 ( 4 He ) (как альфа-частица , но другого происхождения) и протон высокой энергии (положительно заряженный ион водорода). Наиболее важное потенциальное преимущество этой реакции синтеза для производства энергии, а также для других приложений заключается в ее совместимости с использованием электростатических полей для управления ионами топлива и протонами синтеза. Кинетическая энергия протонов с высокой скоростью, как положительно заряженных частиц, может быть преобразована непосредственно вэлектричество , за счет использования твердотельных конверсионных материалов, а также других методов. Потенциальный КПД конверсии 70% может быть возможным, так как нет необходимости преобразовывать энергию протонов тепла для того , чтобы управлять турбина Приведена электрическим генератор . [ необходима цитата ]

Было много заявлений о возможностях электростанций с гелием-3. По мнению сторонников, термоядерные электростанции, работающие на дейтерии и гелии-3, будут предлагать более низкие капитальные и эксплуатационные затраты, чем их конкуренты из-за меньшей технической сложности, более высокой эффективности преобразования, меньшего размера, отсутствия радиоактивного топлива, отсутствия загрязнения воздуха или воды и только требования к захоронению низкоактивных радиоактивных отходов. По последним оценкам, для разработки и строительства первой термоядерной электростанции с гелием-3 потребуется около 6 миллиардов долларов инвестиционного капитала . Финансовая безубыточность при сегодняшних оптовых ценах на электроэнергию (5 центов США закиловатт-час ) произойдет после того, как пять 1- гигаваттных станций будут задействованы, заменяя старые традиционные станции или удовлетворяя новый спрос. [58]

Реальность не так однозначна. Наиболее продвинутыми программами термоядерного синтеза в мире являются термоядерный синтез с инерционным удержанием (например, National Ignition Facility ) и термоядерный синтез с магнитным удержанием (например, ITER и Wendelstein 7-X ). В первом случае нет твердой дорожной карты для выработки электроэнергии. В случае последнего коммерческое производство электроэнергии ожидается не ранее 2050 года. [59] В обоих случаях обсуждаемый тип термоядерного синтеза является самым простым: термоядерный синтез. Причина этого - очень низкий кулоновский барьер этой реакции; для D + 3 He барьер намного выше, а для 3 He– 3 еще выше.Он. Огромная стоимость реакторов, таких как ИТЭР и Национальная установка зажигания , во многом объясняется их огромными размерами, однако для масштабирования до более высоких температур плазмы потребуются реакторы еще большего размера. Протон с энергией 14,7 МэВ и альфа-частица с энергией 3,6 МэВ от синтеза D– 3 He плюс более высокая эффективность преобразования означает, что на килограмм получается больше электричества, чем при синтезе DT (17,6 МэВ), но не намного больше. Еще одним недостатком является то, что скорости реакции синтеза гелия-3 не особенно высоки, и для производства того же количества электроэнергии требуется реактор большего размера или несколько реакторов.

Чтобы попытаться обойти эту проблему очень больших электростанций, которые могут быть даже неэкономичными с DT-синтезом, не говоря уже о гораздо более сложном синтезе D– 3 He, был предложен ряд других реакторов - Fusor , Polywell , Focus. и многие другие, хотя многие из этих концепций имеют фундаментальные проблемы с достижением чистого прироста энергии и, как правило, пытаются достичь термоядерного синтеза при тепловом неравновесии, что потенциально может оказаться невозможным [60], и, следовательно, эти долгосрочные программы имеют тенденцию к имеют проблемы с получением финансирования, несмотря на свой небольшой бюджет. Однако, в отличие от «больших», «горячих» систем термоядерного синтеза, если бы такие системы работали, они могли бы масштабироваться до более высокого барьера ».аневтронные топлива, и поэтому их сторонники стремятся продвигать синтез pB , который не требует экзотических видов топлива, таких как гелий-3.

Внеземная добыча [ править ]

Лунная поверхность [ править ]

Дополнительная информация: Лунные ресурсы § Гелий-3

Материалы на поверхности Луны содержат гелий-3 в концентрациях от 1,4 до 15 частей на миллиард в освещенных солнцем областях [61] [62] и могут содержать концентрации до 50 частей на миллиард в постоянно затененных областях. [7] Ряд людей, начиная с Джеральда Кульчински в 1986 году, [63] предложили исследовать Луну , добыть лунный реголит и использовать гелий-3 для термоядерного синтеза . Из-за низких концентраций гелия-3 любое горнодобывающее оборудование должно обрабатывать чрезвычайно большие количества реголита (более 150 тонн реголита для получения одного грамма гелия-3) [64]и в некоторых предложениях предлагалось, чтобы извлечение гелия-3 было совмещено с более крупной добычей и разработкой. [ необходима цитата ]

Согласно некоторым источникам, основной целью первого лунного зонда Индийской организации космических исследований под названием Chandrayaan-1 , запущенного 22 октября 2008 года, было нанесение на поверхность Луны гелий-3-содержащих минералов. [65] Однако такая цель не упоминается в официальном списке целей проекта, хотя многие из его научных полезных нагрузок отметили приложения, связанные с гелием-3. [66] [67]

Космохимик и геохимик Оуян Цзыюань из Китайской академии наук, который в настоящее время отвечает за Китайскую программу исследования Луны , уже неоднократно заявлял, что одной из основных целей программы будет добыча гелия-3, в результате чего " каждый год три космических челнока могут доставить достаточно топлива для всех людей во всем мире ». [68]

В январе 2006 года российская космическая компания РКК Энергия объявила, что считает лунный гелий-3 потенциальным экономическим ресурсом, который будет добыт к 2020 году [69], если удастся найти финансирование. [70] [71]

Не все авторы считают, что добыча лунного гелия-3 возможна, или даже, что он будет востребован для синтеза. Дуэйн Дэй , писавший в The Space Review в 2015 году, характеризует извлечение гелия-3 с Луны для использования в термоядерном синтезе как магическое / религиозное мышление и ставит под сомнение возможность извлечения из Луны по сравнению с производством на Земле. [72]

Planetoid Mines Corporation [73], занимающаяся раскопками, объявила 7 мая 2020 года о лунной миссии по добыче гелия-3 с использованием запатентованного оборудования ISRU , запуск которой начнется в 2023 году.

Другие планеты [ править ]

Также предлагалась добыча газовых гигантов для гелия-3. [74] Британское межпланетное общество гипотетического «ы Проект Дедал дизайн межзвездного зонд был вызван гелием-3 мин в атмосфере Юпитера , например. Однако высокая гравитация Юпитера делает эту операцию менее энергетически выгодной, чем извлечение гелия-3 из других газовых гигантов Солнечной системы.

См. Также [ править ]

  • Гелий
  • Тритий
  • Анейтронный синтез
  • Список элементов, испытывающих нехватку

Примечания и ссылки [ править ]

  1. ↑ Галли, Д. (сентябрь 2004 г.). Pasquini, L .; Рэндич, С. (ред.). Космическая сага о 3 He . Химическое содержание и смешение в звездах Млечного Пути и его спутников. arXiv : astro-ph / 0412380v1 .
  2. ^ Лей, Вилли (октябрь 1966 г.). «Отложенное открытие» . Довожу до вашего сведения. Научная фантастика Галактики . С. 116–127.
  3. ↑ Матсон, Джон (12 июня 2009 г.). «Является ли научно-фантастическое видение добычи лунного гелия 3 MOON основанным на реальности?» . Scientific American - новостной блог . Дата обращения 29 августа 2017 .
  4. Перейти ↑ Close, Frank (август 2007). «Опасения по поводу фактоидов» (PDF) . Сервер документов ЦЕРН . Physicsworld.com . Проверено 8 июля 2018 .
  5. ^ Fa WenZhe & Jin YaQiu (декабрь 2010). «Глобальная инвентаризация гелия-3 в лунных реголитах, оцененная с помощью многоканального микроволнового радиометра на лунном спутнике Chang-E 1» .CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  6. ^ Слюта, EN; Абдрахимов А.М.; Галимов Е.М. (12–16 марта 2007 г.). Оценка вероятных запасов гелия-3 в лунном реголите (PDF) . 38-я Конференция по изучению Луны и планет. п. 2175.
  7. ^ a b Cocks, FH (2010). « 3 Он в постоянно затененных полярных поверхностях Луны». Икар . 206 (2): 778–779. Bibcode : 2010Icar..206..778C . DOI : 10.1016 / j.icarus.2009.12.032 .
  8. ^ Олифант, MLE; Harteck, P .; Резерфорд, Э. (1934). «Эффекты трансмутации, наблюдаемые с тяжелым водородом» . Труды Королевского общества А . 144 (853): 692–703. Bibcode : 1934RSPSA.144..692O . DOI : 10.1098 / RSPA.1934.0077 . JSTOR 2935553 . 
  9. ^ Альварес, Луис; Корног, Роберт (1939). «Гелий и водород массы 3». Физический обзор . 56 (6): 613. Полномочный код : 1939PhRv ... 56..613A . DOI : 10.1103 / PhysRev.56.613 .
  10. ^ Альварес, Луис W; Питер Троуэр, Вт (1987). Открытие Альвареса: избранные работы Луиса В. Альвареса с комментариями его учеников и коллег . Издательство Чикагского университета. стр.  26 -30. ISBN 978-0-226-81304-2.
  11. ^ «Лоуренс и его лаборатория: эпизод: производственная ошибка» . Публикация новостного журнала. 1981 . Проверено 1 сентября 2009 .
  12. ^ Краткое изложение криогенных свойств компании Teragon Исследования Teragon, 2005 г.
  13. ^ Чейз, CE; Циммерман Г.О. (1973). «Измерения PVT и критических показателей He 3 ». Журнал физики низких температур . 11 (5–6): 551. Bibcode : 1973JLTP ... 11..551C . DOI : 10.1007 / BF00654447 . S2CID 123038029 . 
  14. ^ а б Виттенберг 1994
  15. ^ a b Aldrich, LT; Nier, Alfred O. Phys. Ред. 74, 1590 - 1594 (1948). Появление He3 в природных источниках гелия. Стр. 1592, Таблицы I и II.
  16. ^ Холден, Нормен Э. 1993. Изменение изотопного содержания гелия в природе. копия бумаги BNL-49331 "Таблица II. 3He Содержание природного газа ... 3He в ppm ... Aldrich 0,05 - 0,5 ... Sano 0,46 - 22,7", "Таблица V. ... воды ... 3He в миллионных долях ... 1,6 - 1,8 Восточная часть Тихого океана ... 0,006 - 1,5 Меловая река Манитобы ... 164 Японское море »(Олдрич измерил гелий из американских скважин, Сано - из тайваньского газа: Сано, Юджи; Вакита, Хироши; Хуанг, Чин-Ван (сентябрь 1986 г.). «Поток гелия в континентальной части суши, оцененный по соотношению 3He / 4He на севере Тайваня». Nature . 323 (6083): 55–57. Bibcode : 1986Natur.323 ... 55S . Doi : 10.1038 / 323055a0 . ISSN 1476-4687 . S2CID  4358031 .)
  17. ^ WebElements Periodic Table: Professional Edition: Helium: основная информация . Webelements.com. Проверено 11 ноября 2011.
  18. ^ a b c Смит, DM «любая концентрация гелия выше примерно 0,2 процента считается целесообразной для изучения» ... «Правительство США по-прежнему владеет примерно 1 миллиардом нм 3 гелия», «Ближний Восток и Северная Африка ... многие очень большие, богатые гелием (до 0,5 процента) месторождения природного газа »(Смит использует 3 нм для обозначения« нормальный кубический метр », в другом месте называемый« кубический метр в NTP » )
  19. ^ a b c d e Shea, Dana A .; Морган, Дэниел (22 декабря 2010 г.). Дефицит гелия-3: предложение, спрос и возможности для Конгресса (PDF) (Отчет). Исследовательская служба Конгресса США . 7-5700.
  20. ^ Дэвидсон, Томас А .; Эмерсон, Дэвид Э. (1990). Метод и установка для прямого определения гелия-3 в природном газе и гелии (Отчет). Бюро шахт , Департамент внутренних дел США . Отчет о расследованиях 9302.
  21. ^ Масса атмосферы: ограничение на глобальный анализ . Ams.allenpress.com (01.01.1970). Проверено 11 ноября 2011.
  22. ^ Виттенберг 1994 стр. 3, таблица 1; п. 9.
  23. ^ Виттенберг 1994 Страница A-1 со ссылкой на Андерсона 1993, "1200 метрических тонов"
  24. ^ Wittenberg 1994 Page A-4 "1 кг (3He), мощность накачки будет 1,13 × 10 6 млн. Лет ... полученная термоядерная мощность ... 19 МВт / год"
  25. ^ Niemann, Hasso B .; Атрея, Сушил К .; Кариньян, Джордж Р .; Донахью, Томас М .; Haberman, John A .; Harpold, Dan N .; Хартл, Ричард Э .; Hunten, Donald M .; и другие. (1996). "Масс-спектрометр зонда Галилео: Состав атмосферы Юпитера". Наука . 272 (5263): 846–9. Bibcode : 1996Sci ... 272..846N . DOI : 10.1126 / science.272.5263.846 . PMID 8629016 . S2CID 3242002 .  
  26. ^ "Разработка и производство изотопов для исследований и приложений (IDPRA)" . Управление науки Министерства энергетики США . 18 октября 2018 . Проверено 11 января 2019 .
  27. ^ Лукас, LL & Unterweger, MP (2000). «Всесторонний обзор и критическая оценка периода полураспада трития» . Журнал исследований Национального института стандартов и технологий . 105 (4): 541–549. DOI : 10,6028 / jres.105.043 . PMC 4877155 . PMID 27551621 .  
  28. ^ Паспорт безопасности нуклидов: Водород-3 . ehso.emory.edu
  29. ^ Саванна Ривер Тритиевое предприятие: Информационный бюллетень
  30. ^ Charmian Schaller Accelerator Производство трития - это может означать 40 лет работы . Los Alamos Monitor. 1 марта 1998 г.
  31. ^ Наука для демократических действий Vol. 5 №1 . IEER. Проверено 11 ноября 2011 г .;
  32. ^ Физические проекты сдуваются из-за недостатка гелия-3 . Spectrum.ieee.org. Проверено 11 ноября 2011.
  33. ^ Комиссия по ядерному регулированию производства трития , 2005.
  34. ^ CA 2810716 , Сур, Бхаскар; Лакшман Родриго и Ричард Дидсбери, «Система и метод сбора газа 3he из тяжелых ядерных реакторов», опубликовано 30 сентября 2013 г., выпущено в 2013 г. 
  35. ^ Модульный детектор нейтронов | Лето 2003 г. | Лос-Аламосская национальная лаборатория . Lanl.gov. Проверено 11 ноября 2011.
  36. ^ Нейтронные спиновые фильтры NCNR . Ncnr.nist.gov (28 апреля 2004 г.). Проверено 11 ноября 2011.
  37. ^ ILL 3He спин-фильтры . Ill.eu (22.10.2010). Проверено 11 ноября 2011.
  38. ^ Gentile, TR; Джонс, GL; Томпсон, AK; Barker, J .; Глинка, CJ; Hammouda, B .; Линн, Дж. В. (2000). "Поляризационный анализ МУРН с ядерным спин-поляризованным 3He" (PDF) . J. Appl. Cryst . 33 (3): 771–774. DOI : 10.1107 / S0021889800099817 .
  39. ^ Нейтронные спиновые фильтры: поляризованный 3He . NIST.gov
  40. ^ Вальд, Мэтью Л. (2009-11-22) Детекторы ядерных бомб остановлены из-за нехватки материалов . Nytimes.com. Проверено 11 ноября 2011.
  41. ^ "Офис науки" (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 26 июля 2014 года . Проверено 18 июля 2014 .
  42. ^ Разбавление охлаждения . cern.ch
  43. ^ Ошеров, ДД; Richardson, RC; Ли, DM (1972). «Свидетельства новой фазы твердого He 3 » . Письма с физическим обзором . 28 (14): 885–888. Bibcode : 1972PhRvL..28..885O . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.28.885 .
  44. ^ Ошеров, ДД; Галли, WJ; Richardson, RC; Ли, DM (1972). «Новые магнитные явления в жидком He 3 ниже 3 мК». Письма с физическим обзором . 29 (14): 920–923. Bibcode : 1972PhRvL..29..920O . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.29.920 .
  45. ^ Leggett, AJ (1972). «Интерпретация последних результатов по He 3 ниже 3 мК: новая жидкая фаза?». Письма с физическим обзором . 29 (18): 1227–1230. Bibcode : 1972PhRvL..29.1227L . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.29.1227 .
  46. ^ Leawoods, Джейсон С .; Яблонский, Дмитрий А .; Саам, Брайан; Gierada, David S .; Конради, Марк С. (2001). «Производство гиперполяризованного газа 3 He и МРТ легких». Концепции магнитного резонанса . 13 (5): 277–293. CiteSeerX 10.1.1.492.8128 . DOI : 10.1002 / cmr.1014 . 
  47. ^ Altes, Talissa; Салерно, Майкл (2004). «Визуализация гиперполяризованного газа в легких». J Thorac Imaging . 19 (4): 250–258. DOI : 10.1097 / 01.rti.0000142837.52729.38 . PMID 15502612 . 
  48. ^ MIT достигает прорыва в ядерном синтезе, август 2017 г.
  49. ^ "Эффективная генерация энергичных ионов в многоионной плазме за счет радиочастотного нагрева" . Физика природы . 19 июня 2017.
  50. ^ "Инерционный синтез электростатического удержания" . Проверено 6 мая 2007 .
  51. ^ «Ядерное деление и синтез» . Архивировано из оригинала на 2007-04-04 . Проверено 6 мая 2007 .
  52. ^ "Реакция синтеза" . Проверено 6 мая 2007 .
  53. ^ Джон Santarius (июнь 2006). "Стратегия для D -3ОнDevelopment " (PDF) . Дата обращения 6 мая 2007 .
  54. ^ «Ядерные реакции» . Проверено 6 мая 2007 .
  55. ^ Джон Santarius (28 сентября 2004). "Лунный3Они Fusion Power» (PDF) . Источник 2007-05-06 .
  56. ↑ Марк Уильямс (23 августа 2007 г.). «Добыча на Луне: лабораторные эксперименты показывают, что в будущих термоядерных реакторах может использоваться гелий-3, собранный с Луны» . MIT Technology Review . Проверено 25 января 2011 .
  57. ^ Дата из Управления энергетической информации США.
  58. ^ Пол DiMare (октябрь 2004). «Добыча Луны» . Популярная механика . Архивировано из оригинала на 2007-08-14 . Проверено 6 мая 2007 .
  59. ^ «ИТЭР и не только» . Архивировано из оригинала на 2009-05-20 . Проверено 4 августа 2009 .
  60. ^ Тодд Райдер. «Общая критика термоядерных систем с инерционно-электростатическим удержанием». hdl : 1721,1 / 29869 .
  61. ^ Исследовательские проекты FTI :: 3He Lunar Mining . Fti.neep.wisc.edu. Проверено 11 ноября 2011.
  62. ^ EN Слюта; Абдрахимов А.М. Е.М. Галимов (2007). «Оценка вероятных запасов гелия-3 в лунном реголите» (PDF) . Наука о Луне и планетах XXXVIII (1338): 2175. Bibcode : 2007LPI .... 38.2175S .
  63. ↑ Эрик Р. Хедман (16 января 2006 г.). «Увлекательный час с Джеральдом Кульчински» . Космическое обозрение .
  64. ↑ И. Н. Святославский (ноябрь 1993 г.). «Проблема добычи He-3 на поверхности Луны: как все части сочетаются друг с другом» (PDF) . Технический отчет Висконсинского центра космической автоматизации и робототехники WCSAR-TR-AR3-9311-2.
  65. ^ "Имея в виду He-3, Индия готовится к лунной миссии" . Таймс оф Индия . 19 сентября 2008 г.
  66. ^ Научные архивации 2009-10-12 в Wayback Machine . Isro.org (11 ноября 2008 г.). Проверено 11 ноября 2011.
  67. ^ Luna C / I :: Chandrayaan-1 Функция полезной нагрузки # 2: Атомно-отражающий анализатор с субкэВ (SARA) . Luna-ci.blogspot.com (12 ноября 2008 г.). Проверено 11 ноября 2011.
  68. ^ Просил луну - и получил . Chinadaily.com.cn (26 июля 2006 г.). Проверено 11 ноября 2011.
  69. ↑ Российский ракетостроитель нацелен на Лунную базу к 2015 году, говорится в отчете . Ассошиэйтед Пресс (через space.com). 26 января 2006 г.
  70. ↑ Джеймс Оберг (6 февраля 2006 г.). «Moonscam: русские пытаются продать Луну за иностранную валюту» .
  71. ↑ Дуэйн А. День (5 марта 2007 г.). «Смертельные агонии и великие заблуждения» . Космическое обозрение .
  72. ↑ Day, Dwayne (28 сентября 2015 г.). «Заклинание гелий-3» . Космическое обозрение . Проверено 11 января 2019 . Вера в добычу гелия-3 - отличный пример мифа, который был включен в более широкий энтузиазм по поводу космических полетов человека, магическое заклинание, о котором бормочут, но редко обсуждают.
  73. ^ [1]
  74. ^ Bryan Palaszewski. «Атмосферная добыча во внешней Солнечной системе» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 27 марта 2009 года. Технический меморандум НАСА 2006-214122. AIAA – 2005–4319. Подготовлено для 41-й конференции и выставки по совместным двигательным установкам, спонсором которой являются AIAA, ASME, SAE и ASEE, Тусон, Аризона, 10–13 июля 2005 г.

Библиография [ править ]

  • Д. М. Смит, Т. В. Гудвин, Дж. А. Шиллер (26 сентября 2003 г.). «Проблемы мирового предложения гелия в следующем десятилетии» (PDF) . Серия конференций Американского института физики . 49 : 119–138. Bibcode : 2004AIPC..710..119S . DOI : 10.1063 / 1.1774674 . Проверено 8 марта 2015 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  • Л. Дж. Виттенберг (июль 1994 г.). "Не-лунные ресурсы 3 He" (PDF) . Проверено 1 июля 2008 . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  • HH Шмитт (2005). Возвращение на Луну: исследования, предпринимательство и энергия в заселении космоса людьми . Springer. ISBN 978-0-387-24285-9.
  • Дж. Уилкс (1967). Свойства жидкого и твердого гелия . Издательство Оксфордского университета.
  • Э. Р. Доббс (2000). Гелий три . Издательство Оксфордского университета.
  • Г.Е. Воловик (1992). Экзотические свойства сверхтекучего 3 He . World Scientific.
  • В.П. Гальперин, изд. (1990). Гелий три . Северная Голландия.
  • JG Daunt, изд. (1960). Гелий три: Труды второго симпозиума по жидкому и твердому гелию три, состоявшиеся в Университете штата Огайо, август 23--25, 1960 . Издательство государственного университета Огайо.

Внешние ссылки [ править ]

  • Нобелевская премия по физике 2003 г., презентационная речь
  • Луна на продажу : документальный фильм BBC Horizon о возможности добычи гелия-3 на Луне


Зажигалка:
дипротон		Гелий-3 представляет собой
изотоп из гелия		Тяжелее:
гелий-4
Продукт распада :
литий-4 ( р )
водород-3 ( β- )		Цепочка распада
гелия-3		Распадается на:
Стабильный