Гелий-3 ( 3 он [1] [2] Смотри также HELION ) представляет собой легкий, стабильный изотоп из гелия с двумя протонами и одного нейтрона (наиболее распространенный изотоп гелий-4 , имеющий два протона и два нейтрона в противоположность). 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.
Общий | |
---|---|
Символ | 3 Он |
Имена | гелий-3, He-3, тральфий (устаревший) |
Протоны | 2 |
Нейтронов | 1 |
Данные о нуклидах | |
Природное изобилие | 0,000137% (% He на Земле) 0,001% (% He в Солнечной системе) |
Период полураспада | стабильный |
Родительские изотопы | 3 H ( бета-распад трития) |
Изотопная масса | 3,0160293 ед. |
Вращение | 1 ⁄ 2 |
Изотопы гелия Полная таблица нуклидов |
Гелий-3 встречается в виде первичного нуклида , уходящего из земной коры в ее атмосферу и в космическое пространство за миллионы 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 этот процесс может неизбежно вызвать другие реакции, которые сами по себе могут привести к тому, что окружающий материал станет радиоактивным. [4]
Считается, что содержание гелия-3 на Луне больше, чем на Земле, поскольку он был внедрен солнечным ветром в верхний слой реголита в течение миллиардов лет [5], хотя его содержание все еще ниже, чем в газе Солнечной системы. гиганты . [6] [7]
История
Существование гелия-3 было впервые предложено в 1934 году австралийским физиком-ядерщиком Марком Олифантом, когда он работал в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета . Олифант проводил эксперименты, в которых быстрые дейтроны сталкивались с дейтронными мишенями (между прочим, это 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 , взятый как из земной атмосферы, так и из скважин природного газа . [11]
Физические свойства
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 - 0,026 кДж / моль по сравнению с 0,0829 кДж / моль гелия-4. [12] [13]
Природное изобилие
Земное изобилие
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, полученных 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 распада урана и тория альфа-частицами, и теперь в мантии содержится только около 7% первичного гелия [14], что снижает общее соотношение 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 образуется в результате распада радиоактивных элементов в коре и мантии.
Отношение гелия-3 к гелию-4 в естественных земных источниках сильно различается. [15] [16] Было обнаружено, что образцы сподумена литиевой руды из рудника Эдисон, Южная Дакота, содержат от 12 частей гелия-3 до миллиона частей гелия-4. Образцы из 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 гелия-3. По данным американского физика Ричарда Гарвина , около 26 м 3 или почти 5 кг 3 He ежегодно доступно для выделения из потока природного газа в США. Если в процессе отделения 3 He можно было бы использовать в качестве сырья сжиженный гелий, обычно используемый для транспортировки и хранения больших количеств, оценки дополнительных затрат на энергию варьируются от 34 до 300 долларов США за литр NTP, без учета затрат на инфраструктуру и оборудование. [19] Предполагается, что годовая добыча газа в Алжире 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 тонн 3 He. (Фактически, эффективная цифра в десять раз меньше, поскольку 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 глубоководные горячие вулканы, такие как вулканы 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 тонн частиц 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
См. # Внеземная добыча
Солнечная туманность (изначальная) изобилие
Одной из первых оценок изначального отношения 3 He к 4 He в солнечной туманности было измерение их отношения в атмосфере Юпитера, измеренное с помощью масс-спектрометра зонда входа в атмосферу Galileo. 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 из урана и тория .
Человеческое производство
Распад трития
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] Необычно 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 меченых тритием соединений, 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 является важнейшим компонентом ядерного оружия, и исторически он производился и складировался в первую очередь 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 после 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 упал 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 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 также могут быть извлечены из тяжеловодного замедлителя в ядерных реакторах CANDU . [19] [34]
Использует
Обнаружение нейтронов
Гелий-3 является важным изотопом в приборах для обнаружения нейтронов . Он имеет высокое сечение поглощения пучков тепловых нейтронов и используется в качестве конвертирующего газа в детекторах нейтронов. Нейтрон преобразуется в результате ядерной реакции
- 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 спиновой компонентой, поглощая при этом 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 будут поддерживать преобразование инфраструктуры обнаружения нейтронов на эту технологию. [41]
Криогеника
В холодильнике с гелием-3 используется гелий-3 для достижения температуры от 0,2 до 0,3 кельвина . В холодильнике с разбавлением используется смесь гелия-3 и гелия-4 для достижения криогенных температур до нескольких тысячных кельвина . [42]
Важным свойством гелия-3, которое отличает его от более распространенного гелия-4, является то, что его ядро является фермионом, поскольку он содержит нечетное число спинов. 1 ⁄ 2 частицы. Ядра гелия-4 - это бозоны , содержащие четное число спинов. 1 ⁄ 2 частицы. 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 примерно понять как тип конденсата Бозе – Эйнштейна . Такой механизм недоступен для атомов гелия-3, которые являются фермионами. Темменее, было широко распространено предположениечто 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 оказались двумя сверхтекучими фазами гелия-3. [43] [44] Переход в сверхтекучую среду происходит при 2,491 милликельвине на кривой плавления. За свое открытиеони были удостоены Нобелевской премии по физике 1996 года. Алексей Абрикосов , Виталий Гинзбург и Тони Леггетт получили Нобелевскую премию по физике 2003 года за свою работу по уточнению понимания сверхтекучей фазы гелия-3. [45]
В нулевом магнитном поле есть две различные сверхтекучие фазы 3 He: A-фаза и B-фаза. B-фаза - это низкотемпературная фаза с 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 четким указанием на то, что 3 He является нетрадиционной сверхтекучей жидкостью (сверхпроводником), поскольку наличие двух фаз требует нарушения дополнительной симметрии, отличной от калибровочной. Фактически, это сверхтекучая жидкость с р- волной, со спином один, S = 1, и одним угловым моментом, L = 1. Основное состояние соответствует нулевому полному угловому моменту, J = S + L = 0 (сложение векторов). Возможны возбужденные состояния с ненулевым полным угловым моментом J > 0, которые являются возбужденными парными коллективными модами. Из-за исключительной чистоты сверхтекучего 3 He (поскольку все материалы, кроме 4 He, затвердели и опустились на дно жидкого 3 He, а любой 4 He полностью разделился по фазам, это наиболее чистое состояние конденсированной материи), эти коллективные режимы были изучены с гораздо большей точностью, чем в любой другой нетрадиционной парной системе.
Медицинская визуализация
Ядра гелия-3 обладают собственным ядерным спином из 1 ⁄ 2 и относительно высокое магнито-гирическое отношение . Гелий-3 может быть гиперполяризован с помощью неравновесных средств, таких как спин-обменная оптическая накачка. [46] Во время этого процессаинфракрасный 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 момент передается от электронов щелочных металлов с ядрами благородных газовсчет столкновений. По сути, этот процесс эффективно выравнивает ядерные спины с магнитным полем, чтобы усилитьсигнал ЯМР . Затем гиперполяризованный газ можно хранить 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 альвеолярного кислорода 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
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 & D, a " трехионный »эффект. [48] [49]
Ядерное топливо
Реагенты | Продукты | Q | н / МэВ | |
---|---|---|---|---|
Термоядерное топливо первого поколения | ||||
2 Д + 2 Д | → | 3 Он +1 0п | 3,268 МэВ | 0,306 |
2 Д + 2 Д | → | 3 т +1 1п | 4.032 МэВ | 0 |
2 д + 3 т | → | 4 Он +1 0п | 17,571 МэВ | 0,057 |
Термоядерное топливо второго поколения | ||||
2 D + 3 He | → | 4 Он +1 1п | 18,354 МэВ | 0 |
Термоядерное топливо третьего поколения | ||||
3 Он + 3 Он | → | 4 Он + 21 1п | 12,86 МэВ | 0 |
11 млрд +1 1п | → | 3 4 Он | 8,68 МэВ | 0 |
Чистый результат горения D (сумма первых 4 строк) | ||||
6 Д | → | 2 ( 4 He + n + p) | 43,225 МэВ | 0,046 |
Текущее ядерное топливо | ||||
235 U + n | → | 2 FP + 2,5n | ~ 200 МэВ | 0,0075 |
3 Он может быть получен низкотемпературным плавлением→ 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.
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 дейтерия и трития («DT») производит энергичные нейтроны, которые делают компоненты реактора радиоактивными с продуктами активации . Привлекательность синтеза гелия-3 проистекает из анейтронной природы его продуктов реакции. Сам по себе 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 прямому производству 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). Следовательно, термоядерный синтез с использованием топлива D- 3 He при нужной температуре и топливной смеси, обедненной D, может производить гораздо более низкий поток нейтронов, чем DT-синтез, но он не является чистым, что сводит на нет некоторые из его главных преимуществ.
Вторая возможность, слияние 3 He с самим собой ( 3 He + 3 He ), требует еще более высоких температур (поскольку 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 непосредственному производству электроэнергии. Синтез 3 He + 3 He осуществим, как было продемонстрировано в лаборатории, и имеет огромные преимущества, но коммерческая жизнеспособность - это еще много лет в будущем. [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 соответствует примерно 30 минутам выработки 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 приложений, также можно выразить в терминах общего потребления: потребление электроэнергии 107 миллионами домохозяйств в 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 США 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 ). Эта реакция дает ион гелия-4 ( 4 He ) (как альфа-частицу , но другого происхождения) и протон высокой энергии (положительно заряженный ион водорода). Наиболее важное потенциальное преимущество этой реакции термоядерного синтеза для производства энергии, а также для других применений заключается в ее совместимости с использованием электростатических полей для управления ионами топлива и протонами термоядерного синтеза. Кинетическая энергия протонов с высокой скоростью, как положительно заряженных частиц, может быть преобразована непосредственно в электричество за счет использования твердотельных преобразовательных 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, работающих на гелии-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 . Финансовый разрыв безубыточности при сегодняшних оптовых ценах на электроэнергию (5 центов США за киловатт-час ) произойдет после того, как пять 1- гигаваттных станций будут подключены к сети, заменив старые традиционные электростанции или обеспечив новый спрос. [58]
В действительности все не так однозначно. Самыми 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 надежной дорожной карты для выработки электроэнергии. В последнем случае коммерческое производство электроэнергии ожидается не раньше 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 He еще выше . Огромная стоимость реакторов, таких как ИТЭР и Национальная установка зажигания , во многом объясняется их огромными размерами, но для масштабирования до более высоких температур плазмы потребовались бы 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 термоядерного синтеза гелия-3 не особенно высоки, и для выработки того же количества электроэнергии требуется реактор большего размера или несколько реакторов.
Чтобы попытаться обойти эту проблему очень больших электростанций, которые могут быть даже не экономичными 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 их небольшие бюджеты. Однако, в отличие от «больших», «горячих» систем термоядерного синтеза, если бы такие системы работали, они могли бы масштабироваться до « аневтронных » видов топлива с более высокими барьерами , и поэтому их сторонники стремятся продвигать синтез pB , который не требует экзотических видов топлива, таких как гелий-3.
Внеземная добыча
Лунная поверхность
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 Кульцински 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 некоторые предложения предполагают, что гелий-3 добыча должна быть совмещена с более крупными операциями по добыче и разработке. [ 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 извлечение лунного гелия-3 возможно или даже то, что он будет востребован для термоядерного 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]
Другие планеты
Также предлагалась добыча газовых гигантов для получения гелия-3. [73] 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.
Смотрите также
- Гелий
- Тритий
- Анейтронный синтез
- Список элементов, испытывающих нехватку
Примечания и ссылки
- Перейти ↑ Galli, D. (сентябрь 2004 г.). «Космическая сага о 3 Он». arXiv : astro-ph / 0412380v1 .
- ^ Лей, Вилли (октябрь 1966 г.). «Отложенное открытие» . Довожу до вашего сведения. Научная фантастика Галактики . С. 116–127.
- ^ Матсон, Джон (12 июня 2009 г.). «Является ли научно-фантастическое видение добычи лунного гелия-3, разработанное компанией MOON, на самом деле?» . Scientific American - новостной блог . Проверено 29 авг 2017 .
- ^ Близко, Фрэнк (август 2007 г.). «Опасения по поводу фактоидов» (PDF) . Сервер документов ЦЕРН . Physicsworld.com . Проверено 8 июля 2018 .
- ^ Фа Вэньчжэ и Цзинь Яцю (декабрь 2010 г.). «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 )
- ^ Слюта, EN; Абдрахимов AM; 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.
- ^ а б Кокс, 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 .
- ^ Олифант, штат Миннесота; 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 .
- ^ 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 .
- ^ Альварес, Луис В.; 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.
- ^ «Лоуренс и его лаборатория: эпизод: производственная ошибка» . Публикация новостного журнала. 1981 . Проверено 1 сентября 2009 .
- ^ Краткое изложение криогенных свойств Teragon Исследования Teragon, 2005
- ^ 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 .
- ^ а б Виттенберг 1994
- ^ a b Олдрич, LT; Nier, Alfred O. Phys. Ред. 74, 1590 - 1594 (1948). Появление He3 в природных источниках гелия. Стр. 1592, Таблицы I и II.
- ^ Холден, Нормен Э. 1993. Изменение изотопного содержания гелия в природе. копия статьи BNL-49331 "Таблица II. 3 He Содержание природного газа ... 3 He в ppm ... Aldrich 0,05 - 0,5 ... Sano 0,46 - 22,7", "Таблица V. ... воды .. . 3 Он 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 3 He / 4 He на севере Тайваня». Природа . 323 (6083): 55–57. Bibcode : 1986Natur.323 ... 55S . DOI : 10.1038 / 323055a0 . ISSN 1476-4687 . S2CID 4358031 .)
- ^ WebElements Periodic Table: Professional Edition: Helium: ключевая информация . Webelements.com. Проверено 8 ноября 2011.
- ^ 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 » )
- ^ а б в г д 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.
- ^ 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.
- ^ Смит, Лесли; Тренберт, Кевин Э. (2005). «Масса атмосферы: ограничение на глобальный анализ». Журнал климата . 18 (6): 864–875. Bibcode : 2005JCli ... 18..864T . DOI : 10.1175 / JCLI-3299.1 .
- ↑ Виттенберг, 1994, с. 3, таблица 1; п. 9.
- ^ Виттенберг 1994 Страница A-1 со ссылкой на Андерсона 1993, "1200 метрических тонов"
- ^ Wittenberg 1994 Page A-4 "1 кг ( 3 He), мощность накачки будет 1,13 × 10 6 млн лет ... полученная мощность термоядерного синтеза ... 19 MWyr"
- ^ 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 Галилея: Состав атмосферы Юпитера". Наука . 272 (5263): 846–9. Bibcode : 1996Sci ... 272..846N . DOI : 10.1126 / science.272.5263.846 . PMID 8629016 . S2CID 3242002 .
- ^ «Разработка и производство изотопов для исследований и приложений (IDPRA)» . Управление науки Министерства энергетики США . 18 октября 2018 . Проверено 11 января 2019 .
- ^ Лукас, LL, и Унтервегер, член парламента (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 .
- ^ Паспорт безопасности нуклидов: Водород-3 . ehso.emory.edu
- ^ Саванна Ривер Тритиевое предприятие: Информационный бюллетень
- ^ Charmian Schaller Accelerator Производство трития - это может означать 40 лет работы . Los Alamos Monitor. 1 марта 1998 г.
- ^ Наука для демократических действий Vol. 5 №1 . IEER. Проверено 11 ноября 2011 г .;
- ^ Физические проекты сдуваются из-за нехватки гелия-3 . Spectrum.ieee.org. Проверено 8 ноября 2011.
- ^ Комиссия по ядерному регулированию производства трития , 2005.
- ^ CA 2810716 , Сур, Bhaskar; Лакшман Родриго и Ричард Дидсбери, «Система и метод улавливания газа 3 He из тяжелых ядерных реакторов», опубликовано 30 сентября 2013 г., выпущено в 2013 г.
- ^ Модульный детектор нейтронов | Лето 2003 г. | Лос-Аламосская национальная лаборатория . Lanl.gov. Проверено 8 ноября 2011.
- ^ Нейтронные спиновые фильтры NCNR . Ncnr.nist.gov (28 апреля 2004 г.). Проверено 8 ноября 2011.
- ^ 3 He-спиновые фильтры / ILL 3 He-спиновые фильтры . Ill.eu (22.10.2010). Проверено 8 ноября 2011.
- ^ Gentile, TR; Джонс, Г.Л .; Томпсон, AK; Barker, J .; Глинка, CJ; Hammouda, B .; Линн, Дж. В. (2000). "Поляризационный анализ МУРН с ядерным спин-поляризованным 3 He" (PDF) . J. Appl. Cryst . 33 (3): 771–774. DOI : 10.1107 / S0021889800099817 .
- ^ Нейтронные спиновые фильтры: поляризованные 3 He . NIST.gov
- ^ Уолд, Мэтью Л. (2009-11-22) 3 Helium.html? Partner = rss & emc = rss Детекторы ядерных бомб остановлены из-за нехватки материалов . Nytimes.com. Проверено 8 ноября 2011.
- ^ "Офис науки" (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 26 июля 2014 года . Проверено 18 июля 2014 .
- ^ Разбавление охлаждения . cern.ch
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Леггетт, 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 .
- ^ Leawoods, Jason C .; 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 .
- ^ Альтес, Талисса; 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 .
- ^ MIT Достигает Прорыв в ядерной Fusion августа 2017 года
- ^ Казаков, Е. O .; и другие. (19 июня 2017 г.). «Эффективная генерация энергичных ионов в многоионной плазме за счет радиочастотного нагрева» . Физика природы . 13 (10): 973–978. Bibcode : 2017NatPh..13..973K . DOI : 10.1038 / nphys4167 . ЛВП : 1721,1 / 114949 .
- ^ «Инерционный термоядерный синтез с электростатическим удержанием» . Проверено 6 мая 2007 .
- ^ «Ядерное деление и синтез» . Архивировано из оригинала на 2007-04-04 . Проверено 6 мая 2007 .
- ^ «Реакция синтеза» . Проверено 6 мая 2007 .
- ^ Иоанн Сантариус (июнь 2006 г.). "Стратегия для D -3ОнDevelopment " (PDF) . Дата обращения 6 мая 2007 .
- ^ «Ядерные реакции» . Проверено 6 мая 2007 .
- ^ Иоанн Сантариус (28 сентября 2004 г.). "Лунный3Они Fusion Power» (PDF) . Источник 2007-05-06 .
- ^ 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 .
- ^ Дата из Управления энергетической информации США.
- ^ Пол ДиМар (октябрь 2004 г.). «Добыча Луны» . Популярная механика . Архивировано из оригинала на 2007-08-14 . Проверено 6 мая 2007 .
- ^ «ИТЭР и не только» . Архивировано из оригинала на 2009-05-20 . Проверено 4 августа 2009 .
- ^ Тодд Райдер. «Общая критика термоядерных систем с инерционно-электростатическим удержанием». ЛВП : 1721,1 / 29869 .
- ^ Исследовательские проекты FTI :: 3 He Lunar Mining . Fti.neep.wisc.edu. Проверено 8 ноября 2011.
- ^ 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 .
- ^ Эрик Р. Хедман (16 января 2006 г.). «Увлекательный час с Джеральдом Кульчински» . Космическое обозрение .
- ^ 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.
- ^ «Имея в виду He-3, Индия готовится к полету на Луну» . Таймс оф Индия . 19 сентября 2008 г.
- ^ Научные архивации 2009-10-12 в Wayback Machine . Isro.org (11 ноября 2008 г.). Проверено 8 ноября 2011.
- ^ Luna C / I :: Chandrayaan-1 Функция полезной нагрузки # 2: Атомно-отражающий анализатор с субкэВ (SARA) . Luna-ci.blogspot.com (12 ноября 2008 г.). Проверено 8 ноября 2011.
- ^ Просил луну - и получил . Chinadaily.com.cn (26 июля 2006 г.). Проверено 8 ноября 2011.
- ^ Российский ракетостроитель нацелен на Лунную базу к 2015 году, говорится в отчете . Ассошиэйтед Пресс (через space.com). 26 января 2006 г.
- ^ Джеймс Оберг (6 февраля 2006 г.). «Moonscam: русские пытаются продать Луну за иностранную валюту» .
- ^ Дуэйн А. Дэй (5 марта 2007 г.). «Смертельные агонии и великие заблуждения» . Космическое обозрение .
- ^ День, Дуэйн (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 большой энтузиазм по поводу космических полетов человека, магическое заклинание, о котором бормочут, но на самом деле редко обсуждают.
- ^ Брайан Палашевски. «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
- Д. М. Смит, Т. В. Гудвин, Дж. А. Шиллер (26 сентября 2003 г.). «Проблемы мировых поставок гелия в ближайшее десятилетие» (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
- 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 ( p ) водород-3 ( β- ) | Цепочка распада гелия-3 | Распадается на: Стабильный |