Гелий-3 - Helium-3

Эта статья про элементарный изотоп. Для звукозаписывающей компании см. Гелий 3 (лейбл).
Гелий-3,3Он
He-3 atom.png
Общий
Символ3Он
Именагелий-3, He-3, тральфий (устаревший)
Протоны2
Нейтронов1
Данные о нуклидах
Природное изобилие0,000137% (% He на Земле)
0,001% (% гелия в Солнечной системе)
Период полураспадастабильный
Родительские изотопы3ЧАС  (бета-распад трития)
Изотопная масса3.0160293 ты
Вращение​1⁄2
Изотопы гелия
Полная таблица нуклидов

Гелий-3 (3Он, тральфиум,[1][2] смотрите также гелион ) легкий, стабильный изотоп из гелий с двумя протоны и один нейтрон (самый распространенный изотоп, гелий-4 с двумя протонами и двумя нейтронами, напротив). Кроме как протий (обычный водород ) гелий-3 - единственный стабильный изотоп любого элемент с большим количеством протонов, чем нейтронов. Гелий-3 был открыт в 1939 году.

Гелий-3 встречается в виде первичный нуклид, убегая от земной коры в его атмосфера и в космическое пространство за миллионы лет. Гелий-3 также считается естественным нуклеогенный и космогенный нуклид, один произведен, когда литий бомбардируется естественными нейтронами, которые могут высвобождаться спонтанное деление и по ядерные реакции с космические лучи. Часть гелия-3, обнаруженного в земной атмосфере, также является реликтом атмосферного и подводного испытания ядерного оружия.

Было сделано много предположений о возможности появления гелия-3 в будущем. Энергетический ресурс. В отличие от большинства ядерное деление реакции, синтез атомов гелия-3 высвобождает большое количество энергии, не заставляя окружающий материал становиться радиоактивный. Однако температуры, необходимые для проведения 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 находится в верхнем слое реголит посредством Солнечный ветер за миллиарды лет,[5] хотя по численности все еще меньше, чем в Солнечной системе газовые гиганты.[6][7]

История

Впервые существование гелия-3 было предложено в 1934 году австралийским физик-ядерщик Марк Олифант пока он работал на Кембриджский университет Кавендишская лаборатория. Олифант проводил эксперименты, в которых быстро дейтроны столкнулись с дейтронными мишенями (кстати, первая демонстрация термоядерная реакция ).[8] Выделение гелия-3 было впервые выполнено Луис Альварес и Роберт Корног в 1939 г.[9][10] Гелий-3 считался радиоактивный изотоп пока он не был обнаружен в образцах природного гелия, который в основном гелий-4, взятых как из земной атмосферы, так и из природных газ колодцы.[11]

Физические свойства

Из-за его низкой атомной массы 3,02 атомные единицы массы, гелий-3 имеет физические свойства отличается от гелия-4 с массой 4.00 атомных единиц массы. Из-за слабого индуцированного диполь-дипольного взаимодействие между атомами гелия их микроскопические физические свойства в основном определяются их энергия нулевой точки. 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 меньшими затратами. тепловая энергия чем гелий-4.

В квантово-механический эффекты на гелий-3 и гелий-4 существенно различаются, потому что с двумя протоны, два нейтроны, и два электроны гелий-4 имеет общий вращение нуля, что делает его бозон, но с одним нейтроном меньше, гелий-3 имеет общее вращение, равное половине, что делает его фермион.

Гелий-3 закипает при 3,19 K по сравнению с гелием-4 при 4,23 К, а 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 испарения также значительно ниже - 0,026 кДж / моль по сравнению с 0,0829 кДж / моль гелия-4.[12][13]

Природное изобилие

Земное изобилие

Основная статья: Изотопная геохимия

3Он - первозданная субстанция Земли. мантия, которые считаются захваченными в ловушку на Земле во время формирования планет. Соотношение 3Он к 4Он в пределах земной коры и мантии меньше, чем для предположений о составе солнечного диска, полученных из метеоритов и лунных образцов, с земными материалами, обычно содержащими более низкие 3Он/4Он соотношения из-за врастания 4Он от радиоактивного распада.

3У него космологическое соотношение 300 атомов на миллион атомов 4Он (ат. Ppm),[14] Это привело к предположению, что первоначальное соотношение этих первичных газов в мантии составляло около 200-300 частей на миллион, когда Земля была сформирована. Полно 4Он образовался в результате распада урана и тория альфа-частицами, и теперь в мантии содержится только около 7% первичного гелия,[14] снижение общей 3Он/4Он составляет около 20 промилле. Соотношения 3Он/4Он выше атмосферного свидетельствует о вкладе 3Он из мантии. Источники земной коры преобладают 4Он 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 литий руда сподумен на руднике Эдисон, Южная Дакота, было обнаружено, что он содержит 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 - более 0,5% (более 0,2% делает возможным извлечение).[18] Доля 3Он в гелии, отделенном от природного газа в США, составлял от 70 до 242 частей на миллиард.[19][20] Следовательно, запасы в США в 2002 г. в 1 млрд.3[18] содержал от 12 до 43 килограммов гелия-3. По мнению американского физика Ричард Гарвин, около 26 м3 или почти 5 кг 3Он доступен ежегодно для отделения от 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 ежегодная добыча газа в Алжире составляет 100 миллионов нормальных кубических метров.[18] и это будет содержать от 7 до 24 м3 гелия-3 (от 1 до 4 килограммов), предполагая аналогичный 3Он дробный.

3Он также присутствует в Атмосфера Земли. Естественное изобилие 3Он в газообразном гелии природного происхождения 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, и 3Таким образом, он составляет 7,2 частей на триллион атмосферы. Поскольку атмосфера Земли имеет массу около 5,14×1015 тонны,[21] масса 3Он в атмосфере Земли является произведением этих чисел, или около 37000 тонн 3Он. (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.)

3Он производится на Земле из трех источников: лития. раскол, космические лучи, и бета-распад трития (3ЧАС). Вклад космических лучей незначителен во всех материалах реголита, кроме самых старых, и реакции расщепления лития вносят меньший вклад, чем образование 4Он по альфа-частица выбросы.

Общее количество гелия-3 в мантии может находиться в диапазоне 0,1–1 млн. тонны. Однако большая часть мантии напрямую недоступна. Некоторое количество гелия-3 просачивается через источники из глубоких источников. горячая точка вулканы, такие как вулканы Гавайские острова, но в атмосферу выбрасывается всего 300 граммов в год. Срединно-океанические хребты выделять еще 3 килограмма в год. Вокруг зоны субдукции, различные источники производят гелий-3 в натуральный газ залежи, 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 в межпланетная пыль частицы на дне океана.[23] В исследовании 1994 года для извлечения гелия-3 из этих источников требуется больше энергии, чем при синтезе.[24]

Лунная поверхность

Видеть # Внеземная добыча

Солнечная туманность (изначальная) изобилие

Одна ранняя оценка изначального соотношения 3Он к 4Он в солнечной туманности был измерением их отношения в атмосфере Юпитера, измеренным масс-спектрометром зонда входа в атмосферу Галилео. Это соотношение составляет примерно 1: 10 000,[25] или 100 частей 3Он на миллион частей 4Он. 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 соотношения изотопов ниже в 100 раз, в основном из-за обогащения запасов гелия-4 в мантии за миллиарды лет. альфа-распад из уран и торий.

Человеческое производство

Распад трития

Смотрите также: тритий

Практически весь гелий-3, используемый сегодня в промышленности, образуется в результате радиоактивного распада тритий, учитывая его очень низкое естественное изобилие и очень высокую стоимость.

Производство, продажа и распространение гелия-3 в Соединенных Штатах контролируются Министерство энергетики США (DOE) Изотопная программа.[26]

Хотя тритий имеет несколько различных экспериментально определенных значений его период полураспада, NIST списки 4500 ± 8 дней (12,32 ± 0,02 года).[27] Он распадается на гелий-3 бета-распад как в этом ядерном уравнении:

3
1ЧАС
 		→ 3
2Он1+
 		+ 
е−
  		+ 
ν
е

Среди общей выделенной энергии 18,6 кэВ на долю электрон кинетическая энергия меняется, в среднем 5,7 кэВ, в то время как оставшаяся энергия уносится почти необнаруживаемой электронный антинейтрино. Бета-частицы из трития могут проникать только около 6,0 мм воздуха, и они неспособны пройти через самый верхний мертвый слой кожи человека.[28] Необычно низкая энергия, выделяемая при бета-распаде трития, приводит к распаду (вместе с распадом рений-187 ) подходит для измерения абсолютной массы нейтрино в лаборатории (самый последний эксперимент - КАТРИН ).

Низкая энергия излучения трития затрудняет обнаружение соединений, меченных тритием, за исключением случаев использования жидкостный сцинтилляционный счет.

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 ядерное оружие 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 с момента подписания НАЧАЛО I Договор 1991 г. количество ядерных боеголовок, которые находятся в готовности к использованию, уменьшилось[30][31] Это уменьшило количество гелия-3, доступного из этого источника. Запасы гелия-3 сократились из-за возросшего спроса,[19] в первую очередь 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.

Министерство энергетики признало растущую нехватку как трития, так и гелия-3, и начало производство трития путем облучения литием на заводе. Власть долины Теннесси с Атомная электростанция Уоттс-Бар в 2010.[19] В этом процессе выгорающие стержни поглотителя (TPBAR), содержащие литий в керамической форме, вставляются в реактор вместо обычных стержней регулирования содержания бора.[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 также могут быть извлечены из тяжеловодного замедлителя в КАНДУ ядерные реакторы.[19][34]

Использует

Обнаружение нейтронов

Гелий-3 является важным изотопом в приборах для обнаружение нейтронов. Он имеет высокое сечение поглощения теплового нейтрон пучков и используется в качестве конвертера газа в детекторах нейтронов. Нейтрон превращается в ядерную реакцию

п + 3Он → 3H + 1H + 0,764 МэВ

в заряженные частицы тритий ионы (T, 3Рука Ионы водорода, или протоны (p, 1H), которые затем обнаруживаются путем создания облака заряда в останавливающем газе пропорциональный счетчик или Трубка Гейгера – Мюллера.[35]

Кроме того, процесс абсорбции сильно вращение -зависимый, что позволяет спин-поляризованный объем гелия-3 для передачи нейтронов с одной компонентой спина при поглощении другой. Этот эффект используется в нейтронный поляризационный анализ, метод, который исследует магнитные свойства вещества.[36][37][38][39]

Соединенные Штаты Департамент внутренней безопасности надеялись развернуть детекторы, чтобы обнаруживать контрабандный плутоний в морских контейнерах по выбросам нейтронов, но нехватка гелия-3 во всем мире после сокращения производства ядерного оружия после Холодная война до некоторой степени предотвратил это.[40] По состоянию на 2012 год DHS определила коммерческую поставку бор-10 поддержит преобразование инфраструктуры обнаружения нейтронов на эту технологию.[41]

Криогеника

А гелий-3 холодильник использует гелий-3 для достижения температур от 0,2 до 0,3 кельвин. А холодильник для разбавления использует смесь гелия-3 и гелия-4 для достижения криогенный температуры до нескольких тысячных долей кельвин.[42]

Важное свойство гелия-3, которое отличает его от более обычного гелия-4, заключается в том, что его ядро ​​представляет собой фермион так как он содержит нечетное количество спинов1⁄2 частицы. Ядра гелия-4 являются бозоны, содержащий четное число спинов1⁄2 частицы. Это прямой результат правила сложения для квантованного углового момента. При низких температурах (около 2,17 К) гелий-4 испытывает фаза перехода: Часть его попадает в сверхтекучий фаза это можно примерно понять как тип Конденсат Бозе – Эйнштейна. Такой механизм недоступен для атомов гелия-3, которые являются фермионами. Однако было широко распространено предположение, что гелий-3 может также стать сверхтекучим при гораздо более низких температурах, если атомы образуются в пары аналогично Куперовские пары в Теория BCS из сверхпроводимость. Каждую куперовскую пару с целым спином можно рассматривать как бозон. В 1970-е годы Дэвид Ли, Дуглас Ошерофф и Роберт Коулман Ричардсон обнаружил 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. Они были удостоены награды 1996 г. Нобелевская премия по физике за их открытие. Алексей Абрикосов, Виталий Гинзбург, и Тони Леггетт получил Нобелевскую премию по физике 2003 г. за работу по уточнению понимания сверхтекучей фазы гелия-3.[45]

В нулевом магнитном поле есть две различные сверхтекучие фазы: 3Он, фаза А и фаза В. 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 - явный признак того, что 3Он является нетрадиционной сверхтекучей жидкостью (сверхпроводником), поскольку наличие двух фаз требует нарушения дополнительной симметрии, отличной от калибровочной. Фактически, это п-волновая сверхтекучая, со спином, S= 1, а угловой момент - L= 1. Основное состояние соответствует нулю полного углового момента, J=S+L= 0 (сложение векторов). Возбужденные состояния возможны с ненулевым полным угловым моментом, J> 0, которые являются возбужденными парными коллективными модами. Из-за исключительной чистоты сверхтекучей 3Он (так как все материалы кроме 4Он застыл и погрузился на дно жидкости. 3Он и любой 4У него полностью разделены фазы, 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 собственной ядерное вращение из1⁄2, и относительно высокий магнитогирическое соотношение. Гелий-3 может быть гиперполяризованный с использованием неравновесных средств, таких как спин-обменная оптическая накачка.[46] Во время этого процесса циркулярно поляризованный инфракрасный лазерный свет, настроенный на соответствующую длину волны, используется для возбуждения электронов в щелочной металл, Такие как цезий или же рубидий внутри герметичного стеклянного сосуда. В угловой момент передается от электронов щелочного металла к ядрам благородных газов в результате столкновений. По сути, этот процесс эффективно выравнивает ядерные спины с магнитным полем, чтобы увеличить ЯМР сигнал. 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 МРТ-сканера для получения анатомических и функциональных изображений вентиляции легких. Этот метод также позволяет получать изображения дерева дыхательных путей, обнаруживать невентилируемые дефекты, измерять альвеолярное парциальное давление кислорода, и измерить 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 Совместный европейский тор (JET) экспериментировали с добавлением небольшого количества He-3 в плазму H-D, чтобы увеличить поглощение радиочастотной (RF) энергии для нагрева ионов H и D, эффект «трех ионов».[48][49]

Ядерное топливо

Смотрите также: Анейтронный синтез
Сравнение нейтронность для разных реакций[50][51][52][53][54]
РеагентыТоварыQн / МэВ
Термоядерное топливо первого поколения
2D + 2D→3Он + 1
0п
3.268 МэВ0.306
2D + 2D→3Т + 1
1п
4.032 МэВ0
2D + 3Т→4Он + 1
0п
17.571 МэВ0.057
Термоядерное топливо второго поколения
2D + 3Он→4Он + 1
1п
18.354 МэВ0
Термоядерное топливо третьего поколения
3Он + 3Он→4Он + 21
1п
12.86 МэВ0
11B + 1
1п
→3 4Он8.68 МэВ0
Чистый результат сжигания D (сумма первых 4 строк)
6 Д→2(4Он + п + р)43.225 МэВ0.046
Текущее ядерное топливо
235U + п→2 FP + 2.5n~200 МэВ0.0075

3Он может быть получен путем низкотемпературного плавления (Д-р)2H + 1п → 3Он + 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.

Слияние скорость реакции быстро увеличивается с температурой до максимума, а затем постепенно спадает. 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.

3Он может использоваться в реакциях слияния по любой из реакций 2H + 3Он → 4Он + 1р + 18,3 МэВ, или же 3Он + 3Он → 4Он + 2 1p + 12,86 МэВ.

Обычный дейтерий + тритий ("D-T") процесс синтеза производит энергичные нейтроны, которые превращают компоненты реактора радиоактивный с продукты активации. Привлекательность синтеза гелия-3 проистекает из аневтронный характер продуктов его реакции. Сам гелий-3 нерадиоактивен. Единственный побочный продукт с высокой энергией, протон, могут содержаться 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 Кулоновский барьер, температуры, необходимые для 2ЧАС + 3Он фьюжн намного выше, чем у обычных D-T Fusion. Более того, поскольку оба реагента необходимо смешать вместе для слияния, будут происходить реакции между ядрами одного и того же реагента, и реакция D-D (2ЧАС + 2ЧАС ) действительно производит нейтрон. Скорость реакции зависит от температуры, но D-3Он скорость реакции никогда не превышает 3,56-кратную скорость реакции D-D (см. график). Следовательно, слияние с использованием D-3Он Топливо при правильной температуре и топливная смесь, обедненная D, может производить гораздо более низкий поток нейтронов, чем синтез D-T, но он не является чистым, что сводит на нет некоторые из его главных преимуществ.

Вторая возможность, слияние 3Он с собой (3Он + 3Он ), требует еще более высоких температур (так как теперь оба реагента имеют заряд +2), и, таким образом, даже сложнее, чем D-3Он реакция. Однако он предлагает возможную реакцию, которая не производит нейтронов; произведенные заряженные протоны могут удерживаться с помощью электрических и магнитных полей, что, в свою очередь, приводит к прямому производству электроэнергии. 3Он + 3Он термоядерный синтез возможен, как было продемонстрировано в лаборатории, и имеет огромные преимущества, но его коммерческая жизнеспособность возможна на многие годы в будущем.[56]

Количество гелия-3, необходимое для замены обычное топливо являются значительными по сравнению с имеющимися в настоящее время суммами. Общее количество энергии, произведенной в 2D  + 3Он реакция 18,4 МэВ, что соответствует примерно 493 мегаватт-часы (4.93×108 Вт · ч) за три граммы (один крот ) из 3Он Если бы общее количество энергии могло быть преобразовано в электрическую энергию со 100% -ным КПД (физическая невозможность), это соответствовало бы примерно 30 минутам выработки гигаваттной электрической установки на моль энергии. 3Он. 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 с точки зрения общего потребления: потребление электроэнергии 107 миллионами домохозяйств США в 2001 году.[57] составила 1,140 млрд кВт · ч (1,14 × 1015 Вт · ч). Снова предполагая 100% эффективность преобразования, 6,7 тонны в год гелия-3 потребуется для этого сегмента энергопотребления Соединенных Штатов от 15 до 20 тонн в год, учитывая более реалистичную эффективность сквозного преобразования.[нужна цитата ]

Подход второго поколения к контролируемым слияние мощность предполагает совмещение гелия-3 (32Он) и дейтерий (21ЧАС ). Эта реакция производит гелий-4 ион (42Он ) (как альфа-частица, но разного происхождения) и высокоэнергетический протон (положительно заряженный ион водорода) (11п). Наиболее важное потенциальное преимущество этой реакции термоядерного синтеза для производства электроэнергии, а также для других применений заключается в ее совместимости с использованием электростатический поля для контроля топлива ионы и термоядерные протоны. Кинетическая энергия протонов с высокой скоростью, как положительно заряженных частиц, может быть преобразована непосредственно в электричество, за счет использования твердое состояние конверсионные материалы, а также другие методы. Возможна потенциальная эффективность преобразования 70%, поскольку нет необходимости преобразовывать энергию протонов в тепло, чтобы приводить в движение турбина -приведенный электрический генератор.[нужна цитата ]

Было много заявлений о возможностях электростанций с гелием-3. По мнению сторонников, термоядерные электростанции, работающие на дейтерий а гелий-3 будет предлагать меньший капитал и операционные затраты чем их конкуренты из-за меньшей технической сложности, более высокой эффективности преобразования, меньшего размера, отсутствия радиоактивного топлива, воздуха или воды загрязнение, и только на низком уровне радиоактивный требования по удалению отходов. По последним оценкам, около 6 миллиардов долларов в вложение капитал потребуется для разработки и строительства первого термоядерного синтеза гелия-3. электростанция. Финансовая безубыточность при сегодняшней оптовой торговле электричество цены (5 центов США за киловатт-час ) произойдет после пяти 1-гигаватт заводы были в рабочем состоянии, заменяя старые традиционные установки или удовлетворяя новый спрос.[58]

Реальность не так однозначна. Самые современные программы термоядерного синтеза в мире: термоядерный синтез с инерционным удержанием (Такие как Национальный центр зажигания ) и термоядерный синтез с магнитным удержанием (Такие как ИТЭР и Вендельштейн 7-X ). В первом случае нет твердой дорожной карты для выработки электроэнергии. В последнем случае коммерческое производство электроэнергии ожидается не раньше 2050 года.[59] В обоих случаях обсуждаемый тип слияния является самым простым: слияние D-T. Причина этого - очень низкий Кулоновский барьер для этой реакции; для D +3Он, барьер намного выше, а для 3Он-3Он. Огромная стоимость таких реакторов, как ИТЭР и Национальный центр зажигания во многом обусловлены их огромными размерами, но для масштабирования до более высоких температур плазмы потребуются реакторы еще большего размера. Протон 14,7 МэВ и альфа-частица 3,6 МэВ от D–3Синтез, плюс более высокая эффективность преобразования, означает, что на килограмм получается больше электричества, чем при синтезе D-T (17,6 МэВ), но не намного больше. Еще одним недостатком является то, что скорость реакции реакции синтеза гелия-3 не особенно высоки, требуя реактора большего размера или большего количества реакторов для производства того же количества электроэнергии.

Чтобы попытаться обойти эту проблему очень больших электростанций, которые могут быть даже не экономичными с термоядерным синтезом D-T, не говоря уже о гораздо более сложных D–3Он термоядерный, был предложен ряд других реакторов - Fusor, Polywell, Фокус слияния и многие другие, хотя многие из этих концепций имеют фундаментальные проблемы с достижением чистого прироста энергии и, как правило, пытаются достичь термоядерного синтеза в условиях теплового неравновесия, что потенциально может оказаться невозможным,[60] и, следовательно, этим долгосрочным программам, как правило, трудно получить финансирование, несмотря на их небольшие бюджеты. Однако, в отличие от «больших», «горячих» систем термоядерного синтеза, если бы такие системы работали, они могли бы масштабироваться до более высокого барьера ».аневтронный "топлива, и поэтому их сторонники стремятся продвигать p-B слияние, который не требует экзотических видов топлива, таких как гелий-3.

Внеземная добыча

Лунная поверхность

Дальнейшая информация: Лунные ресурсы § Гелий-3

Материалы по Луна на поверхности содержится гелий-3 в концентрациях от 1,4 до 15 ppb в солнечных местах,[61][62] и может содержать концентрации до 50 ppb в постоянно затененных регионах.[7] Некоторые люди, начиная с Джеральда Кульчински в 1986 году,[63] предложили исследовать Луну, шахта лунная реголит и использовать гелий-3 для слияние. 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.[нужна цитата ]

Основная цель Индийская организация космических исследований первый лунный зонд называется Чандраяан-1 Запущенный 22 октября 2008 г., в некоторых источниках сообщалось, что он составляет карту поверхности Луны на предмет наличия гелий-3-содержащих минералов.[65] Однако такая цель не упоминается в официальном списке целей проекта, хотя многие из его научных полезных нагрузок отмечают приложения, связанные с гелием-3.[66][67]

Космохимик и геохимик Оуян Цзыюань от Китайская Академия Наук кто сейчас отвечает за Китайская программа исследования Луны уже неоднократно заявлял, что одной из основных целей программы будет добыча гелия-3, в результате чего «каждый год три космических челнока могут приносить достаточно топлива для всех людей во всем мире».[68]

В январе 2006 г. 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, писать в Космический обзор 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]

Корпорация Planetoid Mines,[73] 7 мая 2020 г. зарубежная компания по раскопкам объявила о лунной миссии по добыче гелия-3 с использованием запатентованного ISRU оборудование, запуск в 2023 г.

Другие планеты

Добыча полезных ископаемых газовые гиганты для гелия-3 также было предложено.[74] В Британское межпланетное общество гипотетический Проект Дедал межзвездный зонд работал на гелиевых минах-3 в атмосфере Юпитер, Например. Однако высокая гравитация Юпитера делает эту операцию менее энергетически выгодной, чем извлечение гелия-3 из других газовых гигантов Солнечной системы.

Смотрите также

Примечания и ссылки

  1. ^ Галли, Д. (сентябрь 2004 г.). Pasquini, L .; Рэндич, С. (ред.). Космическая сага о 3Он. 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. Галактика Научная фантастика. 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. Получено 29 августа 2017.
  4. ^ Близко, Фрэнк (август 2007 г.). «Опасения по поводу фактоидов» (PDF). Сервер документов ЦЕРН. Physicsworld.com. Получено 8 июля 2018.
  5. ^ 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 (связь)
  6. ^ Слюта, Э. Н .; Абдрахимов, А. М .; Галимов Э. 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. ^ а б Кокс, Ф. Х. (2010). "3Он в постоянно затененных полярных поверхностях Луны ». Икар. 206 (2): 778–779. Bibcode:2010Icar..206..778C. Дои:10.1016 / j.icarus.2009.12.032.
  8. ^ Олифант, М. Л. Э .; Harteck, P .; Резерфорд, Э. (1934). «Эффекты трансмутации, наблюдаемые с тяжелым водородом». Труды Королевского общества А. 144 (853): 692–703. Bibcode:1934RSPSA.144..692O. Дои:10.1098 / RSPA.1934.0077. JSTOR  2935553.
  9. ^ Альварес, Луис; Корног, Роберт (1939). «Гелий и водород массы 3». Физический обзор. 56 (6): 613. Bibcode:1939ПхРв ... 56..613А. Дои:10.1103 / PhysRev.56.613.
  10. ^ 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.
  11. ^ "Лоуренс и его лаборатория: Эпизод: Производственная ошибка". Публикация новостного журнала. 1981 г.. Получено 2009-09-01.
  12. ^ Обзор криогенных свойств компании Teragon Исследование Teragon, 2005 г.
  13. ^ Chase, C.E .; Циммерман, Г. О. (1973). "Измерения P-V-T и критических индексов He3". Журнал физики низких температур. 11 (5–6): 551. Bibcode:1973JLTP ... 11..551C. Дои:10.1007 / BF00654447. S2CID  123038029.
  14. ^ а б Виттенберг 1994
  15. ^ а б Aldrich, L.T .; 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 БНЛ-49331 "Таблица II. Содержание 3He в природном газе ... 3He в ppm ... Aldrich 0,05 - 0,5 ... Sano 0,46 - 22,7", "Таблица V. ... воды ... 3He в ppm ... 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». Природа. 323 (6083): 55–57. Bibcode:1986Натура.323 ... 55С. Дои:10.1038 / 323055a0. ISSN  1476-4687. S2CID  4358031.)
  17. ^ WebElements Periodic Table: Professional Edition: Helium: ключевая информация. Webelements.com. Проверено 11 ноября 2011.
  18. ^ а б c Смит, Д. «любая концентрация гелия выше примерно 0,2 процента считается заслуживающей изучения» ... «Правительство США по-прежнему владеет примерно 1 миллиардом нм3 запасов гелия »,« Ближний Восток и Северная Африка ... много очень крупных, богатых гелием (до 0,5 процента) месторождений природного газа »(Смит использует нм3 означать "нормальный кубический метр ", в другом месте называется" кубический метр на NTP )
  19. ^ а б c d е Shea, Dana A .; Морган, Дэниел (22 декабря 2010 г.). Дефицит гелия-3: предложение, спрос и возможности для Конгресса (PDF) (Отчет). Исследовательская служба Конгресса. 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, Министерство 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 п. 3, таблица 1; п. 9.
  23. ^ Виттенберг 1994 Страница A-1 со ссылкой на Anderson 1993, "1200 метрических тон"
  24. ^ Виттенберг 1994 Страница A-4 "1 кг (3He), мощность накачки будет 1,13×106 МЫгр ... полученная мощность термоядерного синтеза ... 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:1996Научный ... 272..846N. Дои: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 г.. Получено 11 января 2019.
  27. ^ Лукас, Л. Л. и Унтервегер, М. П. (2000). «Всесторонний обзор и критическая оценка периода полураспада трития». Журнал исследований Национального института стандартов и технологий. 105 (4): 541–549. Дои:10.6028 / jres.105.043. ЧВК  4877155. PMID  27551621.
  28. ^ Паспорт безопасности нуклида: Водород-3. ehso.emory.edu
  29. ^ Саванна Ривер Тритиевое предприятие: Информационный бюллетень
  30. ^ Чармиан Шаллер Ускоритель производства 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 нехватки гелия-3. Spectrum.ieee.org. Проверено 11 ноября 2011.
  33. ^ Производство трития Комиссия по ядерному регулированию, 2005 г.
  34. ^ CA 2810716, Сур, Бхаскар; Лакшман Родриго и Ричард Дидсбери, "Система и метод сбора 3he газа 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. ^ Спин-фильтры ILL 3He. Ill.eu (22.10.2010). Проверено 11 ноября 2011.
  38. ^ Gentile, T.R .; Jones, G.L .; Томпсон, А.К .; Barker, J .; Глинка, C.J .; Hammouda, B .; Линн, Дж. (2000). «Поляризационный анализ МУРН с ядерным спин-поляризованным 3He» (PDF). J. Appl. Кристалл. 33 (3): 771–774. Дои:10.1107 / S0021889800099817.
  39. ^ Нейтронные спиновые фильтры: поляризованный 3He. NIST.gov
  40. ^ Уолд, 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 оригинал (PDF) в 2014-07-26. Получено 2014-07-18.
  42. ^ Разбавление в холодильнике. cern.ch
  43. ^ Ошеров, Д. Д .; Richardson, R.C .; Ли, Д. М. (1972). "Свидетельства новой фазы твердого гена".3". Письма с физическими проверками. 28 (14): 885–888. Bibcode:1972PhRvL..28..885O. Дои:10.1103 / PhysRevLett.28.885.
  44. ^ Ошеров, Д. Д .; Gully, W. J .; Richardson, R.C .; Ли, Д. М. (1972). «Новые магнитные явления в жидком He3 ниже 3 мК ". Письма с физическими проверками. 29 (14): 920–923. Bibcode:1972PhRvL..29..920O. Дои:10.1103 / PhysRevLett.29.920.
  45. ^ Леггетт, А. Дж. (1972). "Интерпретация последних результатов по He3 ниже 3 мК: Новая жидкая фаза? ». Письма с физическими проверками. 29 (18): 1227–1230. Bibcode:1972ПхРвЛ..29.1227Л. Дои:10.1103 / PhysRevLett.29.1227.
  46. ^ Leawoods, Jason C .; Яблонский, Дмитрий А .; Саам, Брайан; Gierada, David S .; Конради, Марк С. (2001). "Гиперполяризованный 3Он добыча газа и МРТ легких ". Концепции магнитного резонанса. 13 (5): 277–293. CiteSeerX  10.1.1.492.8128. Дои:10.1002 / см 1014.
  47. ^ Альтес, Талисса; Салерно, Майкл (2004). «Визуализация гиперполяризованного газа в легких». J Thorac Imaging. 19 (4): 250–258. Дои:10.1097 / 01.rti.0000142837.52729.38. PMID  15502612.
  48. ^ Массачусетский технологический институт совершил прорыв в области ядерного синтеза Август 2017 г.
  49. ^ «Эффективная генерация энергичных ионов в многоионной плазме за счет радиочастотного нагрева». Природа Физика. 19 июня 2017.
  50. ^ "Инерционный синтез с электростатическим удержанием". Получено 2007-05-06.
  51. ^ «Ядерное деление и синтез». Архивировано из оригинал на 2007-04-04. Получено 2007-05-06.
  52. ^ "Реакция синтеза". Получено 2007-05-06.
  53. ^ Иоанн Сантариус (июнь 2006 г.). "Стратегия для D - 3
    Он
     Разработка"     (PDF). Получено 2007-05-06.
  54. ^ «Ядерные реакции». Получено 2007-05-06.
  55. ^ Иоанн Сантариус (28 сентября 2004 г.). "Лунный 3
    Он
     и Fusion Power »     (PDF). Получено 2007-05-06.
  56. ^ Марк Уильямс (23 августа 2007 г.). «Добыча на Луне: лабораторные эксперименты показывают, что будущие термоядерные реакторы могут использовать гелий-3, собранный с Луны». Обзор технологий MIT. Получено 2011-01-25.
  57. ^ Дата от Управления энергетической информации США
  58. ^ Пол ДиМар (октябрь 2004 г.). "Майнинг Луны". Популярная механика. Архивировано из оригинал на 2007-08-14. Получено 2007-05-06.
  59. ^ «ИТЭР и не только». Архивировано из оригинал на 2009-05-20. Получено 2009-08-04.
  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. ^ Е. Н. Слюта; Абдрахимов А. М.; Галимов Э. М. (2007). «Оценка вероятных запасов гелия-3 в лунном реголите» (PDF). Луна и планетология XXXVIII (1338): 2175. Bibcode:2007LPI .... 38.2175S.
  63. ^ Эрик Р. Хедман (16 января 2006 г.). «Увлекательный час с Джеральдом Кульчински». Космический обзор.
  64. ^ В. 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. 2008-09-19.
  66. ^ Научный В архиве 2009-10-12 на Wayback Machine. Isro.org (11 ноября 2008 г.). Проверено 11 ноября 2011.
  67. ^ Функция полезной нагрузки Luna C / I :: Chandrayaan-1 # 2: атомно-отражательный анализатор с субкэВ (SARA). Luna-ci.blogspot.com (12 ноября 2008 г.). Проверено 11 ноября 2011.
  68. ^ Он просил луну - и получил. Chinadaily.com.cn (26 июля 2006 г.). Проверено 11 ноября 2011.
  69. ^ В сообщениях говорится, что к 2015 году российский ракетостроитель нацелится на Лунную базу. Associated Press (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. Дэй (5 марта 2007 г.). «Смертельные агонии и великие заблуждения». Космический обзор.
  72. ^ День, Дуэйн (28 сентября 2015 г.). "Заклинание гелий-3". Космический обзор. Получено 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. ^ Брайан Палашевски. «Атмосферная добыча во внешней Солнечной системе» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 27 марта 2009 г. 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

внешняя ссылка


Более легкий:
дипротон		Гелий-3 - это
изотоп из гелий		Тяжелее:
гелий-4
Продукт распада из:
литий-4(п )
водород-3(β− )		Цепочка распада
гелия-3		Распада к:
Стабильный