Helium-3

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 12. juni 2020; checks kræver 25 redigeringer .
Helium-3
Navn, symbol Helium-3,  3 He
Neutroner en
Nuklidegenskaber
Atommasse 3.0160293191(26) [1]  a. spise.
massefejl 14 931.2148(24) [1]  k eV
Specifik bindingsenergi (pr. nukleon) 2572.681(1) [1]  keV
Isotopisk overflod 0,000137(3) [2]  %
Halvt liv stabil [2]
Forældreisotoper 3 H ( β - )
Spin og paritet af kernen 1/2 + [2]
Tabel over nuklider

Helium-3  er en stabil isotop af helium . Helium-3 kernen ( helion ) består af to protoner og én neutron , i modsætning til den tungere anden stabile isotop - helium-4 , som har to protoner og to neutroner.

Prævalens

Den naturlige isotopiske forekomst af helium-3 i Jordens atmosfære er 0,000137% (1,37 ppm i forhold til helium-4); i andre reservoirer kan det variere meget som følge af naturlig fraktionering osv. [2] . Den samlede mængde helium-3 i jordens atmosfære er anslået til 35.000 tons . Begge isotoper af helium undslipper konstant fra atmosfæren ud i rummet, men tabet af helium-4 på Jorden genopbygges på grund af alfa-henfaldet af uranium , thorium og deres datternuklider ( en alfapartikel er kernen i helium-4) . I modsætning til den tungere isotop optræder helium-3 ikke i radioaktive henfaldsprocesser (med undtagelse af henfaldet af kosmogent tritium ). Det meste af helium-3 på Jorden er blevet bevaret siden dannelsen. Det opløses i kappen og kommer gradvist ind i atmosfæren; dens isotopiske overflod i mantelmagma er 4-10 dele pr. million dele helium-4 [3] , og nogle materialer af kappeoprindelse har et forhold 10-40 gange større end i atmosfæren [4] [5] . Dets indtræden fra kappen til atmosfæren (gennem vulkaner og forkastninger i skorpen) anslås dog til kun et par kilo om året. Noget af helium-3 kommer fra henfaldet af tritium, i spallationsreaktioner på lithium (under påvirkning af alfapartikler og kosmiske stråler), og kommer også fra solvinden . Der er meget mere primær helium-3 på Solen og i atmosfærerne på de gigantiske planeter end i Jordens atmosfære.

I månens regolit akkumulerede helium-3 gradvist over milliarder af års eksponering for solvinden. Som følge heraf indeholder et ton månejord (i det tyndeste overfladelag) omkring 0,01 g helium-3 (op til 50  ppb [6] ) og 28 g helium-4; dette isotopforhold (~0,043%) er meget højere end i Jordens atmosfære .

Discovery

Eksistensen af ​​helium-3 blev foreslået af den australske videnskabsmand Mark Oliphant , mens han arbejdede på University of Cambridge i 1934 . Denne isotop blev endelig opdaget af Luis Alvarez og Robert Cornog i 1939 .

Fysiske egenskaber

Atommassen af ​​helium-3 er 3,016 (for helium-4 er det 4,0026, hvorfor deres fysiske egenskaber er meget forskellige). Helium-3 koger ved 3,19 K (helium-4 - ved 4,23 K ), dets kritiske punkt er 3,35 K (for helium-4 - 5,19 K ). Densiteten af ​​flydende helium-3 ved kogepunktet og normalt tryk er 59 g/l , mens den for helium-4 er 124,73 g/l , 2 gange mere. Den specifikke fordampningsvarme er 26 J/mol (for helium-4 er det 82,9 J/mol ).

Gasformigt helium-3 under normale forhold ( T = 273,15 K = 0 °C , P = 101325 Pa ) har en densitet på 0,1346 g/l . Følgelig er volumenet af et gram helium-3 ved n.o. svarer til 7,43 liter .

Flydende helium-3

En kvantevæske , der i egenskaber adskiller sig væsentligt fra flydende helium-4. Flydende helium-3 blev først opnået i 1948 . I 1972 blev en faseovergang til superfluid tilstand opdaget i flydende helium-3 ved temperaturer under 2,6 mK og ved et tryk på 34 atm (det blev tidligere antaget, at superfluiditet, ligesom superledning  , er fænomener, der er karakteristiske for et Bose-kondensat, dvs. , samarbejdsfænomener i et miljø med et heltals spin af objekter). For opdagelsen af ​​helium-3's superfluiditet i 1996 blev D. Osherov , R. Richardson og D. Lee tildelt Nobelprisen i fysik .

I 2003 blev Nobelprisen i fysik tildelt A. A. Abrikosov , V. L. Ginzburg og E. Leggett , herunder for skabelsen af ​​teorien om superfluiditet af flydende helium-3 [8] .

Henter

I øjeblikket udvindes helium-3 ikke fra naturlige kilder (på Jorden er ubetydelige mængder helium-3 tilgængelige, som er ekstremt vanskelige at udvinde), men skabes ved henfaldet af kunstigt opnået tritium [9] .

Tritium produceres af individuelle stater som en komponent til termonukleare våben ved at bestråle bor-10 og lithium-6 i atomreaktorer. Flere hundrede tusinde liter helium-3 er blevet produceret inden for rammerne af atomvåbenprogrammer , men disse lagre er ikke længere tilstrækkelige til den nuværende efterspørgsel i USA. Derudover opnås omkring 8 tusinde liter helium-3 om året fra henfaldet af tritiumreserver i USA [10] . I forbindelse med den voksende mangel på helium-3, så hidtil økonomisk uoverkommelige produktionsmuligheder som produktion i vandatomreaktorer, adskillelse fra tungtvands-atomreaktorers produkter, produktion af tritium eller helium-3 i partikelacceleratorer, udvinding af naturlige helium-3 fra naturgas eller atmosfære [11] .

Pris

Den gennemsnitlige pris på helium-3 i 2009 var ifølge nogle skøn omkring 930 USD pr. liter [12] .

Planer for minedrift af helium-3 på Månen

Helium-3 er et biprodukt af reaktioner, der forekommer på Solen , og findes i en vis mængde i solvinden og det interplanetariske medium. Helium-3, der kommer ind i Jordens atmosfære fra det interplanetariske rum, forsvinder hurtigt tilbage [13] , dets koncentration i atmosfæren er ekstremt lav [14] . Samtidig tilbageholder Månen , som ikke har nogen atmosfære, betydelige mængder helium-3 i sit overfladelag ( regolith ), ifølge nogle skøn - op til 0,5 millioner tons [15] , ifølge andre - omkring 2,5 millioner tons [16] .

Teoretisk, med en hypotetisk termonuklear fusionsreaktion , hvor 1 ton helium-3 med 0,67 tons deuterium indgår i en reaktion , frigives energi, der svarer til forbrændingen af ​​15 millioner tons olie (men den tekniske gennemførlighed af dette reaktion er ikke blevet undersøgt i øjeblikket). Følgelig kan befolkningen på vores planet af månens ressource helium-3 (ifølge de maksimale estimater) være nok i omkring fem årtusinder [17] . Hovedproblemet (hvis vi ignorerer problemet med gennemførligheden af ​​kontrollerede termonukleare reaktorer med sådant brændstof) er virkeligheden med at udvinde helium fra månens regolith. Som nævnt ovenfor er indholdet af helium-3 i regolith ~1 g pr. 100 tons, derfor bør mindst 100 millioner tons jord behandles på stedet for at udvinde et ton af denne isotop.

NASA har udviklet foreløbige designs til hypotetiske anlæg til regolithbehandling og helium-3-separation [18] [19] .

I januar 2006 annoncerede chefen for RSC Energia, Nikolai Sevastyanov , at Rusland planlægger at skabe en permanent base på Månen og udarbejde en transportordning for levering af helium-3 til Jorden inden 2015 (med forbehold for tilstrækkelig finansiering), og i en anden 5 år til at starte en industriel isotopudvinding [20][ betydningen af ​​det faktum? ] . Fra 2022 forbliver dette kun i projekter.
I november 2018, lederen af ​​Roscosmos Dmitry Rogozin igen[ klargør ] bekræftede muligheden for at bruge helium-3 som grundlag for raketbrændstof [21] ; på samme tid, på samme tid som D. Rogozin, akademiker ved Det Russiske Videnskabsakademi Lev Zeleny erklærede den praktiske nytteløshed af helium-3 produktion [22] .

Brug

Det meste af helium-3 produceret i verden bruges til at fylde gasneutrondetektorer. Andre ansøgninger går endnu ikke ud over videnskabelige laboratorier [23] .

Neutrontællere

Gastællere fyldt med helium-3 bruges til neutrondetektion . Dette er den mest almindelige metode til at måle neutronfluxen. I disse tællere er der en reaktion

n + 3 He → 3 H + 1 H + 0,764 MeV.

De ladede produkter fra reaktionen, tritonen og protonen, registreres af en gastæller, der fungerer i en proportional tæller eller en Geiger-Muller tæller .

Markant øget produktion af neutronmonitorer efter 2001 (for at opdage ulovligt transporterede fissile materialer og forhindre nuklear terrorisme ) førte til en reduktion af helium-3-lagrene; Således voksede lagrene ejet af den amerikanske regering, fra 1990 til 2001, monotont fra 140 til 235 tusinde liter referencestandard. , men i 2010 var de faldet til 50 th. [23]

Opnåelse af ultralave temperaturer

Det er svært at opnå temperaturer under 0,7K ved at pumpe helium-4-damp under vakuum. Lavere temperaturer kan opnås ved at fordampe helium-3-dampen under udpumpning, som så ikke vil være overflydende. Således kan man komme tæt på den betingede grænse for kryogene og ultralave temperaturer (0,3K). Dampe pumpes også ud ved adsorption i helium-4, udført i lukkede tanke, der forhindrer tab af helium-3.

Ved at opløse flydende helium-3 i helium-4 opnås millikelvin-temperaturer [24] .

Medicin

Polariseret helium-3 (det kan opbevares i lang tid) er for nylig blevet brugt i magnetisk resonansbilleddannelse til at afbilde lungerne ved hjælp af kernemagnetisk resonans .

Helium-3 som et hypotetisk fusionsbrændstof

Reaktionen 3 He + D → 4 He + p har en række fordele i forhold til den mest opnåelige deuterium-tritium reaktion T + D → 4 He + n under terrestriske forhold. Disse fordele omfatter [25] :

  1. Ti gange lavere neutronflux fra reaktionszonen, hvilket dramatisk reducerer den inducerede radioaktivitet og nedbrydning af reaktorens strukturelle materialer; [25] [26]
  2. De resulterende protoner, i modsætning til neutroner, fanges let ved hjælp af elektriske og magnetiske felter [25] og kan bruges til at generere yderligere elektricitet, for eksempel i en MHD-generator ;
  3. Synteseudgangsmaterialer er inaktive, og deres opbevaring kræver ikke særlige forholdsregler;
  4. Ved et reaktoruheld med trykaflastning af kernen er udslippets radioaktivitet tæt på nul.

Ulempen ved helium-deuterium-reaktionen bør betragtes som den praktiske umulighed af at opretholde de nødvendige temperaturer [27] . Ved temperaturer under 10 9 K forløber den termonukleære reaktion af fusion af deuteriumkerner med hinanden meget lettere, og reaktionen mellem deuterium og helium-3 forekommer ikke. I dette tilfælde stiger varmetab på grund af stråling hurtigt med temperaturen, og det varme plasma afkøles hurtigere, end det kan kompensere for energitab på grund af termonukleære reaktioner.

I kunst

I science fiction -værker (spil, film) fungerer helium-3 nogle gange som hovedbrændstoffet og som en værdifuld ressource udvundet, blandt andet på Månen:

Litteratur

Noter

  1. ↑ 1 2 3 Audi G. , Wapstra AH , Thibault C. AME2003-atommasseevalueringen (II). Tabeller, grafer og referencer  (engelsk)  // Kernefysik A . - 2003. - Bd. 729 . - s. 337-676 . - doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003 . - .
  2. ↑ 1 2 3 4 Audi G. , Bersillon O. , Blachot J. , Wapstra AH NUBASE-evalueringen af ​​nukleare og henfaldsegenskaber  // Nuclear Physics A. - 2003. - T. 729 . - S. 3-128 . - doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001 . - .Åben adgang
  3. ↑ Don L. Anderson, Helium-3 fra kappen: Ursignal eller kosmisk støv? Arkiveret 24. september 2015 på Wayback Machine // SCIENCE, Vol. 261, 1993, s. 170-176: “Magmas fra kappen har generelt 3 He/ 4 He-forhold mellem 4⋅10 −6 og 10 −5 ; de højere værdier findes ofte ved hotspots".
  4. ↑ Er høje 3 He/4 He-forhold i oceaniske basalter en indikator for dybe kappe-fanekomponenter? Arkiveret 1. maj 2015 på Wayback Machine // Earth and Planetary Science Letters 208.3 (2003): 197-204. Oceanic Island Basalt (OIB). Nogle OIB'er, men bestemt ikke alle, er karakteriseret ved 3 He/ 4 He-forhold i intervallet 9 til 42 RA; hvor RA er det nuværende atmosfæriske 3 He/ 4 He-forhold på 1,39⋅10 −6 [8, 18]."
  5. ↑ 3He/4He-forholdet for den nye interne He Standard of Japan (HESJ) Arkiveret 26. december 2014 på Wayback Machine // Geochemical Journal, Vol. 36, s. 191-195, 2002 "Så mange terrestriske prøver af kappeoprindelse har 3 He/ 4 He-forhold højere end luftværdien med omkring en størrelsesorden."
  6. ↑ http://io9.com/5908499/could-helium-3-really-solve-earths-energy-problems Arkiveret 9. december 2015 på Wayback Machine "Bedste estimater af Helium-3-indhold placerer det på 50 dele pr. i månejord, der kræver raffinering af millioner af tons månejord, før der samles nok Helium-3 til at være nyttig i fusionsreaktioner på Jorden."
  7. ↑ Superfluid 3 He: tidlig historie gennem øjnene af en teoretiker Arkiveret 29. februar 2008 på Wayback Machine  - Nobelforelæsning af E. J. Leggett, UFN, bind 174, nr. 11, 2003
  8. ↑ Shea DA, Morgan D. The Helium-3 Shortage: Supply, Demand, and Options for Congress Arkiveret 24. september 2015 på Wayback Machine // Congressional Research Service, 22. december 2010  : "Hvordan er Helium
  9. ↑ Shea DA, Morgan D. The Helium-3 Shortage: Supply, Demand, and Options for Congress Arkiveret 24. september 2015 på Wayback Machine // Congressional Research Service, 22. december 2010  : "helium-3-lageret voksede fra omkring 140.000 liter i 1990 til omkring 235.000 liter i 2001.17 Siden 2001 har efterspørgslen efter helium-3 imidlertid oversteget produktionen. I 2010 havde den øgede efterspørgsel reduceret lageret til omkring 50.000 liter. … henfald af tritium, som holdes af det amerikanske atomvåbenprogram, genererer i øjeblikket cirka 8.000 liter ny helium-3 om året."
  10. ↑ Shea DA, Morgan D. The Helium-3 Shortage: Supply, Demand, and Options for Congress Arkiveret 24. september 2015 på Wayback Machine // Congressional Research Service, 22. december 2010  : "Potentielle yderligere kilder til helium-3 omfatter bl.a. øget produktion af tritium i letvands atomreaktorer …; udvinding af tritium produceret som et biprodukt i kommercielle tungtvands atomreaktorer; produktion af enten tritium eller helium-3 ved hjælp af partikelacceleratorer; og udvinding af naturligt forekommende helium-3 fra naturgas eller atmosfæren."
  11. ↑ Undersøgelse af kritisk brug af 3He til kryogene formål Arkiveret 28. april 2010 på Wayback Machine // Northwestern University, 2009
  12. ↑ Specifikke argumenter - Helium Arkiveret 22. december 2015 på Wayback Machine // infidels.org - SECULAR WEB LIBRARY
  13. ↑ [1] Arkiveret 24. september 2015 på Wayback Machine // fas.org - "atmosfæren indeholder en lille mængde helium, hvoraf en brøkdel er helium-3. … Koncentrationen af ​​helium i atmosfæren er kun omkring 5 ppm"
  14. ↑ Kolonisering af solsystemet annulleret Arkiveret 3. juni 2007 på Wayback Machine // 3DNews , 4. marts 2007
  15. ↑ ESTIMATION AF HELIUM-3 SANDSYNLIGE RESERVER I LUNAR REGOLITH Arkiveret 5. juli 2008 på Wayback Machine / Lunar and Planetary Science XXXVIII (2007), lpi.usra.edu
  16. ↑ Helium-3-minedrift på Månen vil forsyne jordboerne med energi i 5 tusinde år Arkivkopi dateret 28. januar 2013 på Wayback Machine // RIA Novosti , 25/07/2012
  17. ↑ Sviatoslavsky I PROCESSER OG ENERGIOMKOSTNINGER TIL MINEBEDRIFT AF LUNAR HELIUM-3 Arkiveret 26. december 2014 på Wayback Machine // NASA, 1989
  18. ↑ Lunar Helium-3 og Fusion Power Arkiveret 14. december 2019 på Wayback Machine , NASA, 1988
  19. ↑ Alina Chernoivanov . "Månen i reaktoren" Arkivkopi af 5. november 2018 på Wayback Machine // Gazeta.ru, 26. januar 2006
  20. ↑ Roscosmos vil undersøge muligheden for at bruge månejord i 3D-print Arkivkopi af 5. november 2018 på Wayback Machine // RIA Novosti. 2018-11-04 — "Plus vil der være mulighed for, som de siger i Videnskabsakademiet, at bruge helium-3 som grundlag for raketbrændstof."
  21. ↑ Valery Chumakov . "Månen er vores syvende kontinent" Arkiveret 31. december 2018 på Wayback Machine Interview med akademiker fra Det Russiske Videnskabsakademi Lev Zelyony , " In the world of science " nr. 11, 2018 månehelium-3, klar dig med bor . Så selvom vi har vanskeligheder med Columbus-løfterne, er det usandsynligt, at det vil være muligt at blive rig materielt på bekostning af Månen."
  22. ↑ 1 2 Shea DA, Morgan D. The Helium-3 Shortage: Supply, Demand, and Options for Congress Arkiveret 24. september 2015 på Wayback Machine // Congressional Research Service, 22. december  2010 .
  23. ↑ 3He-4He Dilution Forklaring Arkiveret 30. oktober 2016 på Wayback Machine / Berkeley 
  24. ↑ 1 2 3 Arkiveret kopi . Hentet 14. december 2019. Arkiveret fra originalen 2. september 2019.
  25. ↑ Gerald L. Kulcinski. HELIUM-3 FUSION REAKTORER - EN REN OG SIKKER ENERGIKILDE I DET 21. ÅRHUNDREDE (april 1993). Hentet 14. december 2019. Arkiveret fra originalen 24. februar 2020.
  26. ↑ Helium-3 besværgelsen Arkiveret 14. december 2019 på Wayback Machine // The Space Review
  27. ↑ [2] Arkiveret 15. juni 2021 på Wayback Machine Wikinews Arkiveret 13. maj 2021 på Wayback Machine www.kino-teatr.ru/kino/movie/ros/145667/info/
 Isotoper af helium
Stald: 3 He: Helium-3 , 4 He: Helium-4 Ustabil (mindre end en dag) : 2 He: Helium-2 ( Diproton ), 5 He: Helium-5 , 6 He: Helium-6 , 7 He: Helium-7 , 8 He: Helium-8 , 9 He: Helium -9 , 10 He: Helium-10
se også. Helium , Tabel over nuklider