Гелий-3

Перейти к навигацииПерейти к поиску
Гелий-3
Название, символ Гелий-3, 3He
Нейтронов1
Свойства нуклида
Атомная масса 3,0160293191(26)[1] а. е. м.
Дефект массы 14 931,2148(24)[1] кэВ
Удельная энергия связи (на нуклон) 2572,681(1)[1] кэВ
Изотопная распространённость 0,000137(3)[2] %
Период полураспадастабильный[2]
Родительские изотопы3H (β−)
Спин и чётность ядра 1/2+[2]
Таблица нуклидов
Логотип Викисклада Медиафайлы на Викискладе

Ге́лий-3 — стабильный изотоп гелия. Ядро гелия-3 (гелион) состоит из двух протонов и одного нейтрона, в отличие от более тяжёлого другого стабильного изотопа — гелия-4, имеющего в составе два протона и два нейтрона.

Распространённость

Природная изотопная распространённость гелия-3 в атмосфере Земли составляет 0,000137 % (1,37 частей на миллион по отношению к гелию-4); в других резервуарах она может очень сильно отличаться в результате природного фракционирования и т. п.[2]. Общее количество гелия-3 в атмосфере Земли оценивается в 35 000 тонн. Оба изотопа гелия постоянно улетучиваются из атмосферы в космос, однако убыль гелия-4 на Земле восполняется за счёт альфа-распада урана, тория и их дочерних нуклидов (альфа-частица представляет собой ядро гелия-4). Тогда как гелий-3 появляется в природе исключительно при распаде космогенного трития. Бо́льшая часть гелия-3 на Земле сохранилась со времён её образования. Он растворён в мантии и постепенно поступает в атмосферу; его изотопная распространённость в мантийной магме составляет 4—10 частей на миллион частей гелия-4[3], а некоторые материалы мантийного происхождения имеют в 10—40 раз большее соотношение, чем в атмосфере[4][5]. Однако его поступление из мантии в атмосферу (через вулканы и разломы в коре) оценивается всего в несколько килограммов в год. Некоторая часть гелия-3 возникает при распаде трития, в реакциях скалывания на литии (под действием альфа-частиц и космических лучей), а также поступает из солнечного ветра. На Солнце и в атмосферах планет-гигантов первичного гелия-3 значительно больше, чем в атмосфере Земли.

В лунном реголите гелий-3 постепенно накапливался в течение миллиардов лет облучения солнечным ветром. В результате тонна лунного грунта (в тончайшем приповерхностном слое) содержит порядка 0,01 г гелия-3 (до 50 ppb[6]) и 28 г гелия-4; это изотопное соотношение (~0,043 %) значительно выше, чем в земной атмосфере[7].

Открытие

Существование гелия-3 было предположено австралийским ученым Марком Олифантом во время работы в Кембриджском университете в 1934 году. Окончательно открыли этот изотоп Луис Альварес и Роберт Корног в 1939 году.

Физические свойства

Атомная масса гелия-3 равна 3,016, в то время как у гелия-4 она равна 4,0026, ввиду чего их физические свойства весьма отличаются:

  • Гелий-3 кипит при 3,19 К (гелий-4 — при 4,23 К), его критическая точка равна 3,35 К (у гелия-4 — 5,19 К).
  • Плотность жидкого гелия-3 при температуре кипения и нормальном давлении равна 59 г/л, тогда как (у гелия-4 — 124,73 г/л).
  • Удельная теплота испарения равна 26 Дж/моль (у гелия-4 — 82,9 Дж/моль).
  • Газообразный гелий-3 при нормальных условиях имеет плотность 0,1346 г/л (у гелия-4 — 0,1785 г/л). Соответственно, объём одного грамма гелия-3 при н.у. равен 7,43 литра (у гелия-4 — 5,596 литра).

Жидкий гелий-3

См. также: Сверхтекучесть
Фазовая диаграмма состояния гелия-3. Линия внутри области твёрдой фазы разделяет спинупорядоченные и спинразупорядоченные структуры
Часть фазовой диаграммы гелия-3 при температурах 0—0,003 К. При температуре ниже 2,6 мК и отсутствии магнитного поля существуют две сверхтекучие жидкости А и В. ОЦК — объёмно-центрированная кубическая кристаллическая структура.

Квантовая жидкость, существенно отличающаяся по свойствам от жидкого гелия-4. Жидкий гелий-3 удалось получить только в 1948 году. В 1972 году в жидком гелии-3 был обнаружен фазовый переход в сверхтекучее состояние при температурах ниже 2,6 мК и при давлении 34 атм (ранее считалось, что сверхтекучесть, как и сверхпроводимость — явления, характерные для бозе-конденсата, то есть кооперативные явления в среде с целочисленным спином объектов). За открытие сверхтекучести гелия-3 в 1996 году Д. Ошерову, Р. Ричардсону и Д. Ли была присуждена Нобелевская премия по физике.

В 2003 году Нобелевской премией по физике отмечены А. А. Абрикосов, В. Л. Гинзбург и Э. Леггет, в том числе и за создание теории сверхтекучести жидкого гелия-3[8].

Получение

В настоящее время гелий-3 не добывается из природных источников (на Земле доступны незначительные количества гелия-3, чрезвычайно трудные для добычи), а создаётся при распаде искусственно полученного трития[9].

Тритий производится отдельными государствами как компонент для термоядерного оружия путём облучения бора-10 и лития-6 в ядерных реакторах. Несколько сотен тысяч литров гелия-3 были наработаны в рамках оружейных ядерных программ, однако эти запасы уже недостаточны для существующего в США спроса. Дополнительно около 8 тыс. литров гелия-3 в год получают из распада запасов трития в США[10]. В связи с растущей нехваткой гелия-3 рассматривались такие ранее экономически нецелесообразные возможности его производства, как получение в водных ядерных реакторах, выделение из продуктов работы тяжеловодных ядерных реакторов, производство трития или гелия-3 на ускорителях частиц, экстракция естественного гелия-3 из природного газа или атмосферы[11].

Стоимость

Средняя цена гелия-3 в 2009 году составляла, по некоторым оценкам, порядка 930 USD за литр[12].

Планы добычи гелия-3 на Луне

Гелий-3 является побочным продуктом реакций, протекающих на Солнце, и в некотором количестве содержится в солнечном ветре и межпланетной среде. Попадающий в атмосферу Земли из межпланетного пространства гелий-3 быстро диссипирует обратно[13], его концентрация в атмосфере чрезвычайно низка[14]. При этом Луна, у которой нет атмосферы, сохраняет значительные количества гелия-3 в своём поверхностном слое (реголите), по отдельным оценкам — до 0,5 млн тонн[15], по другим — около 2,5 млн тонн[16].

Теоретически, при гипотетической реакции термоядерного синтеза, при которой в реакцию вступает 1 тонна гелия-3 с 0,67 тоннами дейтерия, высвобождается энергия, эквивалентная сгоранию 15 млн тонн нефти (однако на настоящий момент не изучена техническая возможность осуществления данной реакции). Следовательно, населению нашей планеты лунного ресурса гелия-3 (по максимальным оценкам) могло бы хватить примерно на пять тысячелетий[17]. Основной проблемой (если проигнорировать проблему реализуемости управляемых термоядерных реакторов с подобным горючим) остаётся реальность добычи гелия из лунного реголита. Как упомянуто выше, содержание гелия-3 в реголите составляет ~1 г на 100 т., поэтому для добычи тонны этого изотопа следует переработать на месте не менее 100 млн тонн грунта.

НАСА разрабатывала эскизные проекты гипотетических установок по переработке реголита и выделению гелия-3[18][19].

В январе 2006 года глава РКК «Энергия» Николай Севастьянов заявил, что Россия планирует создать постоянную базу на Луне и отработать транспортную схему по доставке на Землю гелия-3 уже к 2015 году (при условии достаточного финансирования), а ещё через 5 лет начать промышленную добычу изотопа[20][]. В ноябре 2018 года глава «Роскосмоса» Дмитрий Рогозин вновь поднял тему о возможном использовании гелия-3 как основы для ракетного топлива[21]; при этом, одновременно с Д. Рогозиным, академик РАН Лев Зелёный заявил о практической бесполезности добычи гелия-3[22].

В августе 2024 года китайские ученые опубликовали в Aerospace Shanghai статью, в которой предложили необычный способ транспортировки добытого He-3 на Землю. Они собираются построить на Луне метательную установку, состоящую из 50-метровой стрелы и сверхпроводящего электродвигателя, который будет раскручивать ее до достижения на конце лунной второй космической скорости. Разогнанные таким способом капсулы с изотопом будут метаться в сторону Земли. По расчетам авторов, технология удешевит доставку на 90%. Авторы считают, что развернуть ее можно за 20 лет и 130 миллиардов юаней. Вопросы добычи лунного гелия и создания управляемого синтеза статья не затрагивает[23][24].

Использование

Бо́льшая часть производимого в мире гелия-3 используется для наполнения газовых детекторов нейтронов. Остальные применения пока не выходят за пределы научных лабораторий[25].

Счётчики нейтронов

Газовые счётчики, наполненные гелием-3, используются для детектирования нейтронов. Это наиболее распространённый метод измерения нейтронного потока. В этих счётчиках происходит реакция

n + 3He → 3H + 1H + 0,764 МэВ.

Заряженные продукты реакции — тритон и протон — регистрируются газовым счётчиком, работающим в режиме пропорционального счётчика или счётчика Гейгера—Мюллера.

Значительно возросшее после 2001 года производство нейтронных мониторов (для обнаружения незаконно перевозимых делящихся материалов и предотвращения ядерного терроризма) привело к сокращению запасов гелия-3; так, запасы, принадлежащие правительству США, с 1990 по 2001 год монотонно росли со 140 до 235 тыс. литров н.у., но к 2010 году уменьшились до 50 тыс. л н.у.[25]

Сверхнизкие температуры

Откачкой паров гелия-4 под вакуумом сложно получить температуры ниже 0,7К. Более низкие температуры достижимы посредством испарения при откачке паров гелия-3, который при этом не будет сверхтекучим. Таким образом можно вплотную приблизиться к условной границе криогенных и сверхнизких температур (0,3К). Для откачки паров также используется их адсорбция в гелии-4, проводимая в замкнутых ёмкостях, предотвращающих любую потерю гелия-3.

Охлаждение для квантовых компьютеров

Квантовые компьютеры требуют для своей работы чрезвычайно низких температур. Чем ниже температура среды, в которой находятся компоненты квантового компьютера, тем стабильней работает этот компьютер и тем меньше ошибок возникает при вычислениях. Гелий-3 является самым эффективным охладителем, позволяя снизить шумы в квантовых компьютерах в 1000 раз[26].

Рефрижератор растворения

Основная статья: Рефрижератор растворения

Путём растворения жидкого гелия-3 в гелии-4 можно достигать милликельвиновых температур[27].

Медицина

Поляризованный[] гелий-3[7] (он может долго храниться) недавно начал использоваться в магнитно-резонансной томографии для получения изображения лёгких с помощью ядерного магнитного резонанса.

Гелий-3 как гипотетическое термоядерное топливо

График зависимости активности термоядерной реакции (среднее значение времени сечения и относительной скорости реагирующих ядер) от температуры для трех распространенных реакций. Среднее значение определяется по максвелловскому распределению скоростей ионов с соответствующей температурой.

Реакция 3Не + D → 4Не + p имеет ряд преимуществ по сравнению с наиболее достижимой в земных условиях дейтериево-тритиевой реакцией T + D → 4Не + n. К этим преимуществам относятся[28]:

  1. В десятки раз более низкий поток нейтронов из зоны реакции, что резко уменьшает наведённую радиоактивность и деградацию конструкционных материалов реактора;[28][29]
  2. Получаемые протоны, в отличие от нейтронов, легко улавливаются при помощи электрических и магнитных полей[28] и могут быть использованы для дополнительной генерации электроэнергии, например, в МГД-генераторе;
  3. Исходные материалы для синтеза неактивны и их хранение не требует особых мер предосторожности;
  4. При аварии реактора с разгерметизацией активной зоны радиоактивность выброса близка к нулю.[]

Недостатком гелий-дейтериевой реакции следует считать практическую невозможность поддержания требуемых температур[30]. При температурах менее 109 К термоядерная реакция слияния ядер дейтерия между собой протекает гораздо охотнее, и реакции между дейтерием и гелием-3 не происходит. При этом теплопотери за счет излучения быстро возрастают с температурой и горячая плазма будет остывать быстрее, чем сможет восполнять потери энергии за счет термоядерных реакций.

В искусстве

В фантастических произведениях (играх, фильмах) гелий-3 иногда выступает в качестве основного топлива и как ценный ресурс, добываемый в том числе на Луне:

  • В серии игр «Mass Effect» (2007—2013) гелий-3 используется в качестве топлива для космических кораблей.
  • Основой сюжета британского научно-фантастического фильма «Луна 2112» (2009) является работа горнодобывающего комплекса компании «Лунар». Комплекс обеспечивает добычу гелия-3, с помощью которого удалось остановить катастрофический энергетический кризис на Земле.
  • В политической комедии «Железное небо» (2012) лунный гелий-3 стал причиной международного ядерного конфликта за право его добычи.
  • В фантастической саге Иена Макдональда «Луна» (2015—2017) гелий-3 используется как топливо для термоядерных установок.
  • Комедийный российский сериал «Гелий-3» (2022, СТС)[31]
  • В игре «Deliver Us the Moon» (2018) действие происходит на лунной базе, добывающей гелий-3.

Литература

Примечания

  1. ↑ 1 2 3 Audi G., Wapstra A. H., Thibault C. The AME2003 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs, and references (англ.) // Nuclear Physics A. — 2003. — Vol. 729. — P. 337—676. — doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003. — Bibcode: 2003NuPhA.729..337A.
  2. ↑ 1 2 3 4 Audi G., Bersillon O., Blachot J., Wapstra A. H. The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties // Nuclear Physics A. — 2003. — Т. 729. — С. 3—128. — doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. — Bibcode: 2003NuPhA.729....3A.Открытый доступ
  3. ↑ Don L. Anderson, Helium-3 from the Mantle: Primordial Signal or Cosmic Dust? Архивная копия от 24 сентября 2015 на Wayback Machine // SCIENCE, Vol. 261, 1993, pp. 170—176: «Magmas from the mantle generally have 3He/4He ratios between 4⋅10−6 and 10−5; the higher values are often found at hotspots».
  4. ↑ Are high 3 He/4 He ratios in oceanic basalts an indicator of deep-mantle plume components? Архивная копия от 1 мая 2015 на Wayback Machine // Earth and Planetary Science Letters 208.3 (2003): 197—204. «Oceanic Island Basalt (OIB). Some OIBs, but certainly not all, are characterized by 3He/4He ratios in the range of 9 to 42 RA; where RA is the present day atmospheric 3He/4He ratio of 1,39⋅10−6 [8, 18].»
  5. ↑ The 3He/4He ratio of the new internal He Standard of Japan (HESJ) Архивная копия от 26 декабря 2014 на Wayback Machine // Geochemical Journal, Vol. 36, pp. 191—195, 2002 «Thus many terrestrial samples of mantle origin have 3He/4He ratios higher than the air value by about an order of magnitude».
  6. ↑ http://io9.com/5908499/could-helium-3-really-solve-earths-energy-problems Архивная копия от 9 декабря 2015 на Wayback Machine «Best estimates of Helium-3 content place it at 50 parts per billion in lunar soil, calling for the refining of millions of tons of lunar soil before gathering enough Helium-3 to be useful in fusion reactions on Earth.»
  7. ↑ 1 2 Добрый доктор гелий-3 Архивная копия от 26 декабря 2014 на Wayback Machine / Популярная Механика, № 113, март 2012 (копия Архивная копия от 22 декабря 2015 на Wayback Machine).
  8. ↑ Сверхтекучий 3He: ранняя история глазами теоретика Архивная копия от 29 февраля 2008 на Wayback Machine — нобелевская лекция Э. Дж. Леггетта, УФН, т. 174, № 11, 2003 г.
  9. ↑ Shea D. A., Morgan D. The Helium-3 Shortage: Supply, Demand, and Options for Congress Архивная копия от 24 сентября 2015 на Wayback Machine // Congressional Research Service, December 22, 2010 (англ.): "How Is Helium-3 Made? … federal government produces tritium for use in nuclear warheads. Tritium decays into helium-3 … The U.S. producer of helium-3 is the National Nuclear Security Administration of the Department of Energy (DOE). "
  10. ↑ Shea D. A., Morgan D. The Helium-3 Shortage: Supply, Demand, and Options for Congress Архивная копия от 24 сентября 2015 на Wayback Machine // Congressional Research Service, December 22, 2010 (англ.): «helium-3 stockpile grew from roughly 140,000 liters in 1990 to roughly 235,000 liters in 2001.17 Since 2001, however, helium-3 demand has exceeded production. By 2010, the increased demand had reduced the stockpile to roughly 50,000 liters. … decay of tritium held by the U.S. nuclear weapons program currently generates approximately 8,000 liters of new helium-3 per year.»
  11. ↑ Shea D. A., Morgan D. The Helium-3 Shortage: Supply, Demand, and Options for Congress Архивная копия от 24 сентября 2015 на Wayback Machine // Congressional Research Service, December 22, 2010 (англ.): "Potential additional sources of helium-3 include increased production of tritium in light-water nuclear reactors …; extraction of tritium produced as a byproduct in commercial heavy-water nuclear reactors; production of either tritium or helium-3 using particle accelerators; and extraction of naturally occurring helium-3 from natural gas or the atmosphere. "
  12. ↑ Survey of Critical Use of 3He for Cryogenic Purposes Архивная копия от 28 апреля 2010 на Wayback Machine // Northwestern University, 2009
  13. ↑ Specific Arguments — Helium Архивная копия от 22 декабря 2015 на Wayback Machine // infidels.org — SECULAR WEB LIBRARY
  14. ↑ [1] Архивная копия от 24 сентября 2015 на Wayback Machine // fas.org — «atmosphere contains a small quantity of helium, a fraction of which is helium-3. …The concentration of helium in the atmosphere is only about 5 parts per million»
  15. ↑ Колонизация Солнечной системы отменяется Архивная копия от 3 июня 2007 на Wayback Machine // 3DNews, 4 марта 2007
  16. ↑ THE ESTIMATION OF HELIUM-3 PROBABLE RESERVES IN LUNAR REGOLITH Архивная копия от 5 июля 2008 на Wayback Machine / Lunar and Planetary Science XXXVIII (2007), lpi.usra.edu
  17. ↑ Добыча гелия-3 на Луне обеспечит землян энергией на 5 тыс. лет Архивная копия от 28 января 2013 на Wayback Machine // РИА Новости, 25.07.2012
  18. ↑ Sviatoslavsky I.N. PROCESSES AND ENERGY COSTS FOR MINING LUNAR HELIUM-3 Архивная копия от 26 декабря 2014 на Wayback Machine // NASA, 1989
  19. ↑ Lunar Helium-3 and Fusion Power Архивная копия от 14 декабря 2019 на Wayback Machine, NASA, 1988
  20. ↑ Алина Черноиванова. «Луна в реакторе» Архивная копия от 5 ноября 2018 на Wayback Machine // Газета.ру, 26 янв 2006
  21. ↑ «Роскосмос» изучит возможность использования лунного грунта в 3D-печати Архивная копия от 5 ноября 2018 на Wayback Machine // «РИА Новости». 2018-11-04 — «Плюс к этому будет возможность, как говорят в Академии наук, использования гелия-3 как основы для ракетного топлива.»
  22. ↑ Валерий Чумаков. «Луна — наш седьмой континент» Архивная копия от 31 декабря 2018 на Wayback Machine Интервью с академиком РАН Львом Зелёным, «В мире науки» № 11, 2018 «…если человечество когда-нибудь решит задачу удержания сверхгорячей плазмы, нам уже не понадобится никакой лунный гелий-3, обойдемся бором. Так что пока с колумбовыми обещаниями у нас сложности, сильно обогатиться за счет Луны в материальном плане вряд ли получится».
  23. ↑ Китайские ученые предложили метать энергоресурсы с Луны на Землю. РБК (18 августа 2024).
  24. ↑ Chinese scientists planning rotating launch system on the moon (англ.). South China Morning Post (18 августа 2024).
  25. ↑ 1 2 Shea D. A., Morgan D. The Helium-3 Shortage: Supply, Demand, and Options for Congress Архивная копия от 24 сентября 2015 на Wayback Machine // Congressional Research Service, December 22, 2010 (англ.).
  26. ↑ New cooling technology developed for quantum computing circuits. Дата обращения: 6 июля 2023. Архивировано 6 июля 2023 года.
  27. ↑ 3He-4He Dilution Explanation Архивная копия от 30 октября 2016 на Wayback Machine / Berkeley (англ.)
  28. ↑ 1 2 3 Архивированная копия. Дата обращения: 14 декабря 2019. Архивировано 2 сентября 2019 года.
  29. ↑ Gerald L. Kulcinski. HELIUM-3 FUSION REACTORS – A CLEANAND SAFE SOURCE OF ENERGY IN THE21ST CENTURY (апрель 1993). Дата обращения: 14 декабря 2019. Архивировано 24 февраля 2020 года.
  30. ↑ The helium-3 incantation Архивная копия от 14 декабря 2019 на Wayback Machine // The Space Review
  31. ↑ [2] Архивная копия от 15 июня 2021 на Wayback Machine Викиновости Источник. Дата обращения: 21 марта 2021. Архивировано 13 мая 2021 года. www.kino-teatr.ru/kino/movie/ros/145667/info/