Heliu-3

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 12 iunie 2020; verificările necesită 25 de modificări .
Heliu-3
Nume, simbol Heliu-3,  3 He
Neutroni unu
Proprietățile nuclidelor
Masă atomică 3.0160293191(26) [1]  a. mânca.
defect de masă 14 931.2148(24) [1]  k eV
Energie de legare specifică (per nucleon) 2572,681(1) [1]  keV
Abundența izotopică 0,000137(3) [2]  %
Jumătate de viață stabil [2]
Izotopi parentali 3 H ( β − )
Spinul și paritatea nucleului 1/2 + [2]
Tabelul nuclizilor

Heliul-3 este un izotop  stabil al heliului . Nucleul de heliu-3 ( heliul ) este format din doi protoni și un neutron , spre deosebire de celălalt izotop stabil mai greu - heliu-4 , care are doi protoni și doi neutroni.

Prevalență

Abundența izotopică naturală a heliului-3 în atmosfera Pământului este de 0,000137% (1,37 ppm în raport cu heliul-4); în alte rezervoare poate varia foarte mult ca urmare a fracționării naturale etc. [2] . Cantitatea totală de heliu-3 din atmosfera Pământului este estimată la 35.000 de tone . Ambii izotopi ai heliului scapă în mod constant din atmosferă în spațiu, cu toate acestea, pierderea heliului-4 de pe Pământ este completată din cauza dezintegrarii alfa a uraniului , a toriului și a nucleilor lor fiice ( o particulă alfa este miezul heliului-4) . Spre deosebire de izotopul mai greu, heliul-3 nu apare în procesele de dezintegrare radioactivă (cu excepția dezintegrarii tritiului cosmogenic ). Cea mai mare parte a heliului-3 de pe Pământ a fost păstrată de la formarea sa. Se dizolvă în manta și intră treptat în atmosferă; abundența sa izotopică în magma mantalei este de 4-10 părți per milion de părți de heliu-4 [3] , iar unele materiale de origine a mantalei au un raport de 10-40 de ori mai mare decât în ​​atmosferă [4] [5] . Cu toate acestea, intrarea sa din manta in atmosfera (prin vulcani si falii din scoarta) este estimata la doar cateva kilograme pe an. O parte din heliu-3 provine din degradarea tritiului, în reacții de spalație asupra litiului (sub acțiunea particulelor alfa și a razelor cosmice) și provine și din vântul solar . Există mult mai mult heliu primar-3 pe Soare și în atmosferele planetelor gigantice decât în ​​atmosfera Pământului.

În regolitul lunar , heliul-3 s-a acumulat treptat de-a lungul a miliarde de ani de expunere la vântul solar. Drept urmare, o tonă de sol lunar (în cel mai subțire strat de suprafață) conține aproximativ 0,01 g de heliu-3 (până la 50  ppb [6] ) și 28 g de heliu-4; acest raport izotopic (~0,043%) este mult mai mare decât în ​​atmosfera Pământului .

Descoperire

Existența heliului-3 a fost sugerată de omul de știință australian Mark Oliphant în timp ce lucra la Universitatea din Cambridge în 1934 . Acest izotop a fost descoperit în sfârșit de Luis Alvarez și Robert Cornog în 1939 .

Proprietăți fizice

Masa atomică a heliului-3 este de 3,016 (pentru heliu-4 este de 4,0026, motiv pentru care proprietățile lor fizice sunt foarte diferite). Heliul-3 fierbe la 3,19 K (heliu-4 - la 4,23 K ), punctul său critic este de 3,35 K (pentru heliu-4 - 5,19 K ). Densitatea heliului-3 lichid la punctul de fierbere și presiunea normală este de 59 g/l , în timp ce pentru heliu-4 este de 124,73 g/l , de 2 ori mai mult. Căldura specifică de vaporizare este de 26 J/mol (pentru heliu-4 este de 82,9 J/mol ).

Heliul-3 gazos în condiții normale ( T = 273,15 K = 0 °C , P = 101325 Pa ) are o densitate de 0,1346 g/l . În consecință, volumul unui gram de heliu-3 la n.o. este egal cu 7,43 litri .

Heliu-3 lichid

Un lichid cuantic care diferă semnificativ în proprietăți de heliu-4 lichid. Heliu-3 lichid a fost obținut abia în 1948 . În 1972, a fost descoperită o tranziție de fază la starea superfluid în heliu-3 lichid la temperaturi sub 2,6 mK și la o presiune de 34 atm (se credea anterior că superfluiditatea, ca și supraconductibilitatea  , sunt fenomene caracteristice unui condensat Bose, adică , fenomene de cooperare într-un mediu cu un spin întreg al obiectelor). Pentru descoperirea superfluidității heliului-3 în 1996, D. Osherov , R. Richardson și D. Lee au primit Premiul Nobel pentru Fizică .

În 2003, Premiul Nobel pentru Fizică a fost acordat lui A. A. Abrikosov , V. L. Ginzburg și E. Leggett , inclusiv pentru crearea teoriei superfluidității heliului-3 lichid [8] .

Obținerea

În prezent, heliul-3 nu este extras din surse naturale (pe Pământ sunt disponibile cantități nesemnificative de heliu-3, care sunt extrem de greu de extras), ci este creat prin degradarea tritiului obținut artificial [9] .

Tritiul este produs de statele individuale ca componentă a armelor termonucleare prin iradierea bor-10 și litiu-6 în reactoare nucleare. Câteva sute de mii de litri de heliu-3 au fost produși în cadrul programelor de arme nucleare , dar aceste stocuri nu mai sunt suficiente pentru cererea actuală din Statele Unite. În plus, aproximativ 8 mii de litri de heliu-3 pe an se obțin din degradarea rezervelor de tritiu din SUA [10] . În legătură cu deficitul tot mai mare de heliu-3, posibilități de producție anterior neviabile din punct de vedere economic, cum ar fi producția în reactoare nucleare cu apă, separarea de produsele de lucru ale reactoarelor nucleare cu apă grea, producția de tritiu sau heliu-3 în acceleratoarele de particule, extracția de substanțe naturale. heliu-3 din gaze naturale sau atmosferă [11] .

Cost

Prețul mediu al heliului-3 în 2009 a fost, conform unor estimări, de aproximativ 930 USD pe litru [12] .

Planuri de extragere a heliului-3 pe Lună

Heliul-3 este un produs secundar al reacțiilor care au loc la Soare și se găsește într-o anumită cantitate în vântul solar și în mediul interplanetar. Heliul-3 care intră în atmosfera Pământului din spațiul interplanetar se disipează rapid înapoi [13] , concentrația sa în atmosferă este extrem de scăzută [14] . În același timp , Luna , care nu are atmosferă, reține cantități semnificative de heliu-3 în stratul său de suprafață ( regolit ), conform unor estimări - până la 0,5 milioane de tone [15] , conform altora - aproximativ 2,5 milioane de tone [16] .

Teoretic, cu o reacție de fuziune termonucleară ipotetică , în care 1 tonă de heliu-3 cu 0,67 tone de deuteriu intră într-o reacție , se eliberează energie care este echivalentă cu arderea a 15 milioane de tone de petrol (totuși, fezabilitatea tehnică a acestui reacția nu a fost studiată momentan). În consecință, populația planetei noastre din resursa lunară de heliu-3 (conform estimărilor maxime) ar putea fi suficientă pentru aproximativ cinci milenii [17] . Principala problemă (dacă ignorăm problema fezabilității reactoarelor termonucleare controlate cu un astfel de combustibil) este realitatea extragerii heliului din regolitul lunar. După cum sa menționat mai sus, conținutul de heliu-3 în regolit este de ~ 1 g la 100 de tone, prin urmare, pentru a extrage o tonă din acest izotop, cel puțin 100 de milioane de tone de sol ar trebui prelucrate la fața locului.

NASA a dezvoltat proiecte preliminare pentru plante ipotetice pentru procesarea regolitului și separarea heliului-3 [18] [19] .

În ianuarie 2006, șeful RSC Energia, Nikolai Sevastyanov , a anunțat că Rusia intenționează să creeze o bază permanentă pe Lună și să elaboreze o schemă de transport pentru livrarea heliului-3 pe Pământ până în 2015 (sub rezerva unei finanțări suficiente) și într-o altă perioadă. 5 ani pentru a începe o extracție industrială a izotopilor [20][ semnificația faptului? ] . Din 2022, acest lucru rămâne doar în proiecte.
În noiembrie 2018, șeful Roscosmos Dmitri Rogozin din nou[ clarifica ] a confirmat posibilitatea utilizării heliului-3 ca bază pentru combustibilul pentru rachete [21] ; în același timp, în același timp cu D. Rogozin, academicianul Academiei Ruse de Științe Lev Zeleny a declarat inutilitatea practică a producției de heliu-3 [22] .

Utilizare

Majoritatea heliului-3 produs în lume este folosit pentru a umple detectoare de neutroni gazosi. Alte aplicații nu depășesc încă laboratoarele științifice [23] .

Contoare de neutroni

Contoarele de gaz umplute cu heliu-3 sunt folosite pentru detectarea neutronilor . Aceasta este cea mai comună metodă de măsurare a fluxului de neutroni. În aceste contoare există o reacție

n + 3 He → 3 H + 1 H + 0,764 MeV.

Produșii încărcați ai reacției, tritonul și protonul, sunt înregistrate de un contor de gaz care funcționează în modul unui contor proporțional sau al unui contor Geiger-Muller .

Creșterea semnificativă a producției de monitoare de neutroni după 2001 (pentru detectarea materialelor fisionabile transportate ilegal și prevenirea terorismului nuclear ) a condus la o reducere a stocurilor de heliu-3; Astfel, stocurile deținute de guvernul SUA, din 1990 până în 2001, au crescut monoton de la 140 la 235 de mii de litri de standard de referință. , dar până în 2010 au scăzut la 50 de mii. [23]

Obținerea temperaturilor ultra-scăzute

Este dificil să se obțină temperaturi sub 0,7K prin pomparea vaporilor de heliu-4 sub vid. Temperaturile mai scăzute pot fi atinse prin evaporarea vaporilor de heliu-3 în timpul pompării, care nu vor fi apoi superfluid. Astfel, se poate apropia de limita condiționată a temperaturilor criogenice și ultra-scăzute (0,3K). Vaporii sunt, de asemenea, pompați prin adsorbție în heliu-4, realizată în rezervoare închise care împiedică orice pierdere de heliu-3.

Prin dizolvarea heliului-3 lichid în heliu-4, se atinge temperaturile millikelvin [24] .

Medicina

Heliul-3 polarizat (poate fi stocat pentru o lungă perioadă de timp) a fost folosit recent în imagistica prin rezonanță magnetică pentru a vizualiza plămânii folosind rezonanța magnetică nucleară .

Heliu-3 ca combustibil de fuziune ipotetic

Reacția 3 He + D → 4 He + p are o serie de avantaje față de cea mai realizabilă reacție deuteriu-tritiu T + D → 4 He + n în condiții terestre. Aceste beneficii includ [25] :

  1. Fluxul de neutroni din zona de reacție scade de zeci de ori, ceea ce reduce dramatic radioactivitatea indusă și degradarea materialelor structurale ale reactorului; [25] [26]
  2. Protonii rezultați, spre deosebire de neutroni, sunt ușor de capturat folosind câmpuri electrice și magnetice [25] și pot fi utilizați pentru a genera electricitate suplimentară, de exemplu, într-un generator MHD ;
  3. Materiile prime de sinteză sunt inactive și depozitarea lor nu necesită precauții speciale;
  4. Într-un accident de reactor cu depresurizarea miezului, radioactivitatea degajării este aproape de zero.

Dezavantajul reacției heliu-deuteriu trebuie considerat imposibilitatea practică de a menține temperaturile necesare [27] . La temperaturi sub 10 9 K, reacția termonucleară de fuziune a nucleelor ​​de deuteriu între ele are loc mult mai ușor, iar reacția dintre deuteriu și heliu-3 nu are loc. În acest caz, pierderile de căldură datorate radiațiilor cresc rapid cu temperatura, iar plasma fierbinte se va răci mai repede decât poate compensa pierderile de energie datorate reacțiilor termonucleare.

În artă

În lucrările științifico-fantastice (jocuri, filme), heliul-3 acționează uneori ca principal combustibil și ca o resursă valoroasă extrasă, printre altele, pe Lună:

Literatură

Note

  1. ↑ 1 2 3 Audi G. , Wapstra AH , Thibault C. The AME2003 atomic mass evaluation (II). Tabele, grafice și referințe  (engleză)  // Fizica nucleară A . - 2003. - Vol. 729 . - P. 337-676 . - doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003 . - Cod .
  2. ↑ 1 2 3 4 Audi G. , Bersillon O. , Blachot J. , Wapstra AH The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties  // Nuclear Physics A . - 2003. - T. 729 . - S. 3-128 . - doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001 . - Cod biblic .Acces deschis
  3. ↑ Don L. Anderson, Helium-3 din manta: semnal primordial sau praf cosmic? Arhivat pe 24 septembrie 2015 la Wayback Machine // SCIENCE, Vol. 261, 1993, pp. 170-176: „Magmele din mantau au în general rapoarte 3 He/ 4 He între 4⋅10 −6 și 10 −5 ; valorile mai mari se găsesc adesea la hotspot-uri”.
  4. ↑ Sunt rapoartele ridicate de 3 He/4 He în bazalții oceanici un indicator al componentelor penelor de adâncime a mantalei? Arhivat 1 mai 2015 la Wayback Machine // Earth and Planetary Science Letters 208.3 (2003): 197-204. Bazalt insulei oceanice (OIB). Unele OIB, dar cu siguranță nu toate, sunt caracterizate de rapoarte 3 He/ 4 He în intervalul de la 9 la 42 RA; unde RA este raportul 3 He/ 4 He atmosferic actual de 1,39⋅10 −6 [8, 18].”
  5. ↑ Raportul 3He/4He al noului standard intern He al Japoniei (HESJ) Arhivat 26 decembrie 2014 la Wayback Machine // Geochemical Journal, Vol. 36, pp. 191-195, 2002 „Astfel, multe mostre terestre de origine a mantalei au rapoarte 3 He/ 4 He mai mari decât valoarea aerului cu aproximativ un ordin de mărime.”
  6. ↑ http://io9.com/5908499/could-helium-3-really-solve-earths-energy-problems Arhivat 9 decembrie 2015 la Wayback Machine „Cele mai bune estimări ale conținutului de Helium-3 îl plasează la 50 de părți per miliard în sol lunar, solicitând rafinarea a milioane de tone de sol lunar înainte de a aduna suficient Heliu-3 pentru a fi util în reacțiile de fuziune de pe Pământ.”
  7. ↑ Superfluid 3 He: early history through the eyes of a theoreist Arhivat 29 februarie 2008 la Wayback Machine  - Nobel Lecture de E. J. Leggett, UFN, vol. 174, nr. 11, 2003
  8. ↑ Shea DA, Morgan D. The Helium-3 Shortage: Supply, Demand, and Options for Congress Arhivat 24 septembrie 2015 la Wayback Machine // Congressional Research Service, 22 decembrie 2010  : „How Is Helium-
  9. ↑ Shea DA, Morgan D. The Helium-3 Shortage: Supply, Demand, and Options for Congress Arhivat 24 septembrie 2015 la Wayback Machine // Congressional Research Service, 22 decembrie 2010  : „stocul de heliu-3 a crescut de la aproximativ 140.000 litri în 1990 până la aproximativ 235.000 de litri în 2001.17 Din 2001 însă, cererea de heliu-3 a depășit producția. Până în 2010, cererea crescută a redus stocul la aproximativ 50.000 de litri. … degradarea tritiului deținut de programul de arme nucleare al SUA generează în prezent aproximativ 8.000 de litri de heliu-3 nou pe an.”
  10. ↑ Shea DA, Morgan D. The Helium-3 Shortage: Supply, Demand, and Options for Congress Arhivat 24 septembrie 2015 la Wayback Machine // Congressional Research Service, 22 decembrie 2010  : „Potențialele surse suplimentare de heliu-3 includ creșterea producției de tritiu în reactoarele nucleare cu apă ușoară...; extracția tritiului produs ca produs secundar în reactoarele nucleare comerciale cu apă grea; producția fie de tritiu, fie de heliu-3 folosind acceleratori de particule și extracția de heliu-3 natural din gaze naturale sau atmosfera.”
  11. ↑ Survey of Critical Use of 3He for Cryogenic Purposes Arhivat 28 aprilie 2010 la Wayback Machine // Northwestern University, 2009
  12. ↑ Specific Arguments - Helium Arhivat 22 decembrie 2015 la Wayback Machine // infidels.org - SECULAR WEB LIBRARY
  13. ↑ [1] Arhivat 24 septembrie 2015 la Wayback Machine // fas.org - „atmosfera conține o cantitate mică de heliu, o fracțiune din care este heliu-3. …Concentrația de heliu în atmosferă este de numai aproximativ 5 părți per milion”
  14. ↑ Colonizarea sistemului solar anulată Arhivat 3 iunie 2007 la Wayback Machine // 3DNews , 4 martie 2007
  15. ↑ ESTIMAREA REZERVĂRILOR PROBABILE DE HELIUM-3 ÎN REGOLITUL LUNAR Arhivat 5 iulie 2008 la Wayback Machine / Lunar and Planetary Science XXXVIII (2007), lpi.usra.edu
  16. ↑ Exploatarea heliului-3 de pe Lună va furniza pământenilor energie timp de 5 mii de ani Copie de arhivă din 28 ianuarie 2013 la Wayback Machine // RIA Novosti , 25.07.2012
  17. ↑ Sviatoslavsky ÎN PROCESE ȘI COSTURI ENERGETICE PENTRU MINIEREA LUNAR HELIUM-3 Arhivat la 26 decembrie 2014 la Wayback Machine // NASA, 1989
  18. ↑ Lunar Helium-3 and Fusion Power Arhivat la 14 decembrie 2019 la Wayback Machine , NASA, 1988
  19. ↑ Alina Chernoivanov . „Luna în reactor” Copie de arhivă din 5 noiembrie 2018 la Wayback Machine // Gazeta.ru, 26 ianuarie 2006
  20. ↑ Roscosmos va studia posibilitatea utilizării solului lunar în imprimarea 3D Copie de arhivă din 5 noiembrie 2018 pe Wayback Machine // RIA Novosti . 2018-11-04 — „În plus, va exista posibilitatea, așa cum se spune în Academia de Științe, de a folosi heliu-3 ca bază pentru combustibilul pentru rachete.”
  21. ↑ Valeri Ciumakov . „Luna este al șaptelea continent” Arhivat 31 decembrie 2018 pe Wayback Machine Interviu cu academicianul Academiei Ruse de Științe Lev Zelyony , „ În lumea științei ” nr. 11, 2018 lunar heliu-3, descurcă-te cu borul . Deci, deși avem dificultăți cu promisiunile lui Columb, este puțin probabil că va fi posibil să ne îmbogățim material în detrimentul Lunii.”
  22. ↑ 1 2 Shea DA, Morgan D. The Helium-3 Shortage: Supply, Demand, and Options for Congress Arhivat 24 septembrie 2015 la Wayback Machine // Congressional Research Service, 22 decembrie  2010 .
  23. ↑ Explicația diluției 3He-4He Arhivată 30 octombrie 2016 la Wayback Machine / Berkeley 
  24. ↑ 1 2 3 Copie arhivată . Preluat la 14 decembrie 2019. Arhivat din original la 2 septembrie 2019.
  25. ↑ Gerald L. Kulcinski. REACTOARE DE FUZIUNE HELIU-3 - O SURSA DE ENERGIE CURATA SI SIGURA IN SECOLUL XXI (aprilie 1993). Preluat la 14 decembrie 2019. Arhivat din original la 24 februarie 2020.
  26. ↑ Incantația cu heliu-3 Arhivată 14 decembrie 2019 la Wayback Machine // The Space Review
  27. ↑ [2] Arhivat 15 iunie 2021 la Wayback Machine Wikinews Arhivat 13 mai 2021 la Wayback Machine www.kino-teatr.ru/kino/movie/ros/145667/info/
 Izotopi ai heliului
Stabil: 3 He: Heliu-3 , 4 He: Heliu-4 Instabil (mai puțin de o zi) : 2 He: Heliu-2 ( diproton ), 5 He: Heliu-5 , 6 He: Heliu-6 , 7 He: Heliu-7 , 8 He: Heliu-8 , 9 He: Heliu -9 , 10 El: Heliu-10
Vezi si. Heliu , Tabelul nuclizilor