Helium-3

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 12.6.2020 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 25 muokkausta .
Helium-3
Nimi, symboli Helium-3,  3 He
Neutronit yksi
Nuklidin ominaisuudet
Atomimassa 3.0160293191(26) [1]  a. syödä.
massavika 14 931.2148(24) [1]  k eV
Spesifinen sitoutumisenergia (nukleonia kohti) 2572.681(1) [1]  keV
Isotooppinen runsaus 0,000137(3) [2]  %
Puolikas elämä vakaa [2]
Vanhemmat isotoopit 3 H ( β − )
Ytimen spin ja pariteetti 1/2 + [2]
Nukliditaulukko

Helium-3  on vakaa heliumin isotooppi . Helium-3-ydin ( helion ) koostuu kahdesta protonista ja yhdestä neutronista , toisin kuin raskaampi toinen vakaa isotooppi - helium-4 , jossa on kaksi protonia ja kaksi neutronia.

Yleisyys

Helium-3:n luonnollinen isotooppipitoisuus maan ilmakehässä on 0,000137 % (1,37 ppm suhteessa helium-4:ään); muissa säiliöissä se voi vaihdella suuresti luonnollisen fraktioinnin jne. seurauksena. [2] . Maan ilmakehässä olevan helium-3:n kokonaismääräksi arvioidaan 35 000 tonnia . Molemmat heliumin isotoopit pakenevat jatkuvasti ilmakehästä avaruuteen, mutta helium-4:n menetys maan päällä täydentyy uraanin , toriumin ja niiden tytärnuklidien alfahajoamisen vuoksi ( alfahiukkanen on helium-4:n ydin) . Toisin kuin raskaampi isotooppi, helium-3 ei esiinny radioaktiivisissa hajoamisprosesseissa (lukuun ottamatta kosmogeenisen tritiumin hajoamista ). Suurin osa maapallon helium-3:sta on säilynyt sen muodostumisesta lähtien. Se liukenee vaippaan ja siirtyy vähitellen ilmakehään; sen isotooppimäärä vaipan magmassa on 4-10 miljoonasosaa helium-4: ää [3] , ja joidenkin vaippaperäisten materiaalien suhde on 10-40 kertaa suurempi kuin ilmakehässä [4] [5] . Sen pääsyn vaipasta ilmakehään (tulivuorien ja kuoren vaurioiden kautta) arvioidaan kuitenkin olevan vain muutama kilo vuodessa. Osa helium-3:sta tulee tritiumin hajoamisesta litiumin spallaatioreaktioissa (alfahiukkasten ja kosmisten säteiden vaikutuksesta), ja se tulee myös aurinkotuulesta . Auringossa ja jättiläisplaneettojen ilmakehissä on paljon enemmän primääristä helium-3:a kuin Maan ilmakehässä .

Kuun regoliitissa helium-3 kerääntyi vähitellen miljardeja vuosia aurinkotuulen vaikutuksesta. Tämän seurauksena tonni kuun maaperää (ohuimmassa pintakerroksessa) sisältää noin 0,01 g helium-3:a (jopa 50  ppb [6] ) ja 28 g helium-4:ää; tämä isotooppisuhde (~0,043 %) on paljon suurempi kuin maan ilmakehässä .

Discovery

Helium-3:n olemassaoloa ehdotti australialainen tiedemies Mark Oliphant työskennellessään Cambridgen yliopistossa vuonna 1934 . Tämän isotoopin löysivät lopulta Luis Alvarez ja Robert Cornog vuonna 1939 .

Fysikaaliset ominaisuudet

Helium-3 :n atomimassa on 3,016 (helium-4:n atomimassa on 4,0026, minkä vuoksi niiden fysikaaliset ominaisuudet ovat hyvin erilaiset). Helium-3 kiehuu lämpötilassa 3,19 K (helium-4 - 4,23 K ), sen kriittinen piste on 3,35 K (helium-4 - 5,19 K ). Nestemäisen helium-3:n tiheys kiehumispisteessä ja normaalipaineessa on 59 g/l , kun taas helium-4:n tiheys on 124,73 g/l , 2 kertaa enemmän. Höyrystyslämpö on 26 J/mol (helium-4:llä 82,9 J/mol ).

Kaasumaisen helium-3: n tiheys normaaleissa olosuhteissa ( T = 273,15 K = 0 °C , P = 101325 Pa ) on 0,1346 g/l . Vastaavasti yhden gramman helium-3:n tilavuus n.o. vastaa 7,43 litraa .

Nestemäinen helium-3

Kvanttineste , joka eroaa ominaisuuksiltaan merkittävästi nestemäisestä helium-4:stä. Nestemäinen helium-3 saatiin vasta vuonna 1948 . Vuonna 1972 nestemäisessä helium-3:ssa havaittiin faasisiirtymä supernestetilaan alle 2,6 mK:n lämpötiloissa ja 34 atm:n paineessa (aiemmin uskottiin, että superfluiditeetti, kuten suprajohtavuus  , ovat Bose-kondensaatille ominaisia ​​ilmiöitä, ts. , yhteistyöilmiöitä ympäristössä, jossa objektien kokonaislukuspin). Helium-3:n superfluiditeetin löytämisestä vuonna 1996 D. Osherov , R. Richardson ja D. Lee saivat fysiikan Nobelin palkinnon .

Vuonna 2003 fysiikan Nobel-palkinto myönnettiin A. A. Abrikosoville , V. L. Ginzburgille ja E. Leggettille muun muassa nestemäisen helium-3:n superfluiditeettiteorian luomisesta [8] .

Haetaan

Tällä hetkellä helium-3:a ei uuteta luonnollisista lähteistä (Maapallolla on saatavilla merkityksettömiä määriä helium-3:a, jota on erittäin vaikea erottaa), vaan se syntyy keinotekoisesti saadun tritiumin hajoamisen seurauksena [9] .

Yksittäiset valtiot tuottavat tritiumia lämpöydinaseiden komponenttina säteilyttämällä boori-10 :tä ja litium-6 :ta ydinreaktoreissa. Helium-3:a on tuotettu useita satoja tuhansia litroja ydinaseohjelmien puitteissa, mutta nämä varastot eivät enää riitä Yhdysvaltojen nykyiseen kysyntään. Lisäksi noin 8 tuhatta litraa helium-3:a saadaan vuodessa tritiumvarantojen hajoamisesta Yhdysvalloissa [10] . Kasvavan helium-3-pulan yhteydessä sellaiset aiemmin taloudellisesti kannattamattomat tuotantomahdollisuudet kuin tuotanto vesiydinreaktoreissa, erottaminen raskaan veden ydinreaktorien työtuotteista, tritiumin tai helium-3:n tuotanto hiukkaskiihdyttimissä, luonnonvaraisten louhinta helium-3 maakaasusta tai ilmakehästä [11] .

Hinta

Helium-3:n keskihinta vuonna 2009 oli joidenkin arvioiden mukaan noin 930 USD litralta [12] .

Suunnitelmat helium-3:n louhintaan Kuussa

Helium-3 on Auringossa tapahtuvien reaktioiden sivutuote , ja sitä löytyy jonkin verran aurinkotuulesta ja planeettojen välisestä väliaineesta. Planeettojen välisestä avaruudesta Maan ilmakehään päässyt helium-3 haihtuu nopeasti takaisin [13] , sen pitoisuus ilmakehässä on erittäin alhainen [14] . Samaan aikaan Kuu , jolla ei ole ilmakehää, säilyttää pintakerroksessaan ( regolith ) huomattavia määriä helium-3:a, joidenkin arvioiden mukaan jopa 0,5 miljoonaa tonnia [15] , toisten mukaan noin 2,5 miljoonaa tonnia [16] .

Teoreettisesti hypoteettisessa lämpöydinfuusioreaktiossa , jossa 1 tonni helium-3:a ja 0,67 tonnia deuteriumia tulee reaktioon , vapautuu energiaa, joka vastaa 15 miljoonan tonnin öljyn palamista (tämän tekninen toteutettavuus on kuitenkin reaktiota ei ole tutkittu tällä hetkellä). Näin ollen planeettamme kuun resurssin helium-3 populaatio (maksimiarvioiden mukaan) voisi riittää noin viideksi vuosituhanseksi [17] . Suurin ongelma (jos jätämme huomiotta hallittujen lämpöydinreaktorien toteutettavuuden ongelman tällaisella polttoaineella) on heliumin erottaminen kuun regoliitista. Kuten edellä mainittiin, helium-3:n pitoisuus regolitissa on ~1 g/100 tonnia, joten tämän isotoopin tonnin uuttamiseksi tulee käsitellä vähintään 100 miljoonaa tonnia maaperää paikan päällä.

NASA on kehittänyt alustavia suunnitelmia hypoteettisille kasveille regoliittikäsittelyä ja helium-3-erotusta varten [18] [19] .

Tammikuussa 2006 RSC Energian johtaja Nikolai Sevastyanov ilmoitti, että Venäjä aikoo luoda pysyvän tukikohdan Kuuhun ja laatia kuljetussuunnitelman helium-3:n toimittamiseksi Maahan vuoteen 2015 mennessä (riittävällä rahoituksella). 5 vuotta teollisen isotoopin louhinnan aloittamiseen [20][ tosiasian merkitys? ] . Vuodesta 2022 lähtien tämä on vain projekteissa.
Marraskuussa 2018 Roscosmosin johtaja Dmitri Rogozin jälleen[ selventää ] vahvisti mahdollisuuden käyttää helium-3:a rakettipolttoaineen perustana [21] ; samaan aikaan, samaan aikaan kuin D. Rogozin, Venäjän tiedeakatemian akateemikko Lev Zeleny julisti helium-3:n tuotannon käytännön hyödyttömyyden [22] .

Käyttö

Suurin osa maailmassa tuotetusta helium-3:sta käytetään kaasuneutroniilmaisimien täyttämiseen. Muut sovellukset eivät vielä ulotu tieteellisiä laboratorioita pidemmälle [23] .

Neutronilaskurit

Helium-3:lla täytettyjä kaasulaskureita käytetään neutronien havaitsemiseen . Tämä on yleisin menetelmä neutronivuon mittaamiseen. Näissä laskureissa tapahtuu reaktio

n + 3 He → 3 H + 1 H + 0,764 MeV.

Reaktion varautuneet tuotteet, tritoni ja protoni, rekisteröidään suhteellisella laskurilla tai Geiger-Muller-laskimella toimivalla kaasulaskurilla .

Merkittävästi lisääntynyt neutronimonitoreiden tuotanto vuoden 2001 jälkeen ( laittomasti kuljetettujen halkeamiskelpoisten aineiden havaitsemiseksi ja ydinterrorismin estämiseksi ) johti helium-3-varastojen vähenemiseen; Näin ollen Yhdysvaltain hallituksen omistamat varastot kasvoivat vuosina 1990–2001 yksitoikkoisesti 140:stä 235 tuhannen litraan vertailustandardia. , mutta vuoteen 2010 mennessä ne olivat pudonneet 50 tuhanteen. [23]

Ultramatalien lämpötilojen saavuttaminen

On vaikeaa saada alle 0,7 K lämpötiloja pumppaamalla helium-4-höyryä tyhjiössä. Alemmat lämpötilat ovat saavutettavissa haihduttamalla helium-3-höyryä pumppauksen aikana, joka ei silloin ole supernestettä. Siten voidaan päästä lähelle kryogeenisten ja ultramatalien lämpötilojen (0,3K) ehdollista rajaa. Höyryt myös pumpataan pois adsorptiolla helium-4:ssä, joka suoritetaan suljetuissa säiliöissä, jotka estävät helium-3:n häviämisen.

Liuottamalla nestemäistä helium-3:a helium-4:ään saavutetaan millikelvinin lämpötila [24] .

Lääketiede

Polarisoitua helium-3 :a (se voidaan säilyttää pitkään) on viime aikoina käytetty magneettikuvauksessa keuhkojen kuvaamiseen ydinmagneettisen resonanssin avulla .

Helium-3 hypoteettisena fuusiopolttoaineena

Reaktiolla 3 He + D → 4 He + p on useita etuja maanpäällisissä olosuhteissa saavutettavissa olevaan deuterium-tritiumreaktioon T + D → 4 He + n verrattuna. Näitä etuja ovat [25] :

  1. Kymmeniä kertoja pienempi neutronivuo reaktiovyöhykkeestä, mikä vähentää dramaattisesti indusoitua radioaktiivisuutta ja reaktorin rakennemateriaalien hajoamista; [25] [26]
  2. Tuloksena olevat protonit, toisin kuin neutronit, vangitaan helposti sähkö- ja magneettikentillä [25] ja niitä voidaan käyttää lisäsähkön tuottamiseen esimerkiksi MHD-generaattorissa ;
  3. Synteesin lähtöaineet ovat inaktiivisia, eikä niiden varastointi vaadi erityisiä varotoimia;
  4. Reaktorionnettomuudessa sydämen paineen alenemisen yhteydessä päästön radioaktiivisuus on lähellä nollaa.

Helium-deuterium-reaktion haittapuolena on pidettävä sitä, että vaadittuja lämpötiloja on käytännössä mahdotonta ylläpitää [27] . Alle 10 9 K lämpötiloissa lämpöydinreaktio deuteriumytimien fuusiossa keskenään etenee paljon helpommin, eikä deuteriumin ja helium-3:n välistä reaktiota tapahdu. Tässä tapauksessa säteilyn aiheuttamat lämpöhäviöt kasvavat nopeasti lämpötilan mukana ja kuuma plasma jäähtyy nopeammin kuin se pystyy kompensoimaan lämpöydinreaktioista aiheutuvia energiahäviöitä.

Taiteessa

Scifi -teoksissa (pelit, elokuvat) helium-3 toimii joskus pääpolttoaineena ja arvokkaana luonnonvarana, jota louhitaan muun muassa Kuussa:

Kirjallisuus

Muistiinpanot

  1. ↑ 1 2 3 Audi G. , Wapstra AH , Thibault C. AME2003-atomimassan arviointi (II). Taulukot, kaaviot ja viitteet  (englanniksi)  // Ydinfysiikka A . - 2003. - Voi. 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-arvio ydin- ja hajoamisominaisuuksista  // Nuclear Physics A. - 2003. - T. 729 . - S. 3-128 . - doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001 . - .Avoin pääsy
  3. ↑ Don L. Anderson, Helium-3 vaipasta: alkusignaali vai kosminen pöly? Arkistoitu 24. syyskuuta 2015 Wayback Machinessa // SCIENCE, Vol. 261, 1993, s. 170-176: "Vaipan magmoilla on yleensä 3 He/ 4 He -suhde välillä 4⋅10 -6 ja 10 -5 ; korkeammat arvot löytyvät usein hotspoteista."
  4. ↑ Ovatko valtameren basalttien korkeat 3 He/4 He -suhteet osoitus syvän vaipan piippukomponenteista? Arkistoitu 1. toukokuuta 2015 Wayback Machinessa // Earth and Planetary Science Letters 208.3 (2003): 197-204. Oceanic Island Basalt (OIB). Joillekin OIB:ille, mutta ei varmasti kaikille, on tunnusomaista 3 He/ 4 He -suhde välillä 9 - 42 RA; jossa RA on nykypäivän ilmakehän 3 He/ 4 He -suhde 1,39⋅10 −6 [8, 18]."
  5. ↑ Japanin uuden sisäisen He-standardin (HESJ) 3He/4He-suhde Arkistoitu 26. joulukuuta 2014 Wayback Machinessa // Geochemical Journal, Voi. 36, s. 191-195, 2002 "Siksi monilla vaippaperäisillä maanpäällisillä näytteillä on 3 He/ 4 He -suhde korkeampi kuin ilman arvo noin suuruusluokkaa."
  6. ↑ http://io9.com/5908499/could-helium-3-really-solve-earths-energy-problems Arkistoitu 9. joulukuuta 2015 Wayback Machinessa "Parhaat arviot Helium-3:n sisällöstä asettavat sen olevan 50 ppm. Kuun maaperässä, mikä vaatii miljoonien tonnejen kuun maaperän jalostusta ennen kuin kerätään tarpeeksi helium-3:a hyödylliseksi fuusioreaktioissa maan päällä."
  7. ↑ Superfluid 3 Hän: varhaista historiaa teoreetikon silmin Arkistoitu 29. helmikuuta 2008 Wayback Machinessa  - E. J. Leggettin Nobel-luento, UFN, osa 174, nro 11, 2003
  8. ↑ Shea DA, Morgan D. Helium-3-pula: tarjonta, kysyntä ja vaihtoehdot kongressille Arkistoitu 24. syyskuuta 2015 Wayback Machinessa // Congressional Research Service, 22. joulukuuta 2010  : "Kuinka Helium-
  9. ↑ Shea DA, Morgan D. Helium-3-pula: tarjonta, kysyntä ja vaihtoehdot kongressille Arkistoitu 24. syyskuuta 2015 Wayback Machinessa // Congressional Research Service, 22. joulukuuta 2010  : "helium-3-varasto kasvoi noin 140 000:sta litraa vuonna 1990 noin 235 000 litraan vuonna 2001.17 Vuodesta 2001 lähtien helium-3:n kysyntä on kuitenkin ylittänyt tuotannon. Vuoteen 2010 mennessä kasvanut kysyntä oli pienentänyt varaston noin 50 000 litraan. Yhdysvaltojen ydinaseohjelman hallussa olevan tritiumin hajoaminen tuottaa tällä hetkellä noin 8 000 litraa uutta helium-3:a vuodessa.
  10. ↑ Shea DA, Morgan D. Helium-3:n puute: tarjonta, kysyntä ja vaihtoehdot kongressille Arkistoitu 24. syyskuuta 2015 Wayback Machinessa // Congressional Research Service, 22. joulukuuta 2010  : "Helium-3:n mahdollisia lisälähteitä ovat mm. tritiumin tuotannon lisääminen kevytvesiydinreaktoreissa …; kaupallisissa raskaan veden ydinreaktoreissa sivutuotteena tuotetun tritiumin uuttaminen; tritiumin tai helium-3:n tuotanto hiukkaskiihdyttimien avulla ja luonnossa esiintyvän helium-3:n uuttaminen maakaasusta tai tunnelmasta."
  11. ↑ Tutkimus 3He:n kriittisestä käytöstä kryogeenisiin tarkoituksiin arkistoitu 28. huhtikuuta 2010 Wayback Machinessa // Northwestern University, 2009
  12. ↑ Erityiset argumentit - Helium Arkistoitu 22. joulukuuta 2015 Wayback Machinessa // infidels.org - SECULAR WEB LIBRARY
  13. ↑ [1] Arkistoitu 24. syyskuuta 2015 Wayback Machinelle // fas.org - "ilmakehä sisältää pienen määrän heliumia, josta murto-osa on helium-3. …Heliumin pitoisuus ilmakehässä on vain noin 5 miljoonasosaa”
  14. ↑ Aurinkokunnan kolonisaatio peruutettu Arkistoitu 3. kesäkuuta 2007 Wayback Machinessa // 3DNews , 4. maaliskuuta 2007
  15. ↑ ARVIO HELIUM-3:N TODENNÄKÖISESTI KUUREGOLIITISSA Arkistoitu 5. heinäkuuta 2008 the Wayback Machine / Lunar and Planetary Science XXXVIII (2007), lpi.usra.edu
  16. ↑ Helium-3:n louhinta Kuussa antaa maan asukkaille energiaa 5 tuhanneksi vuodeksi . Arkistokopio 28. tammikuuta 2013 Wayback Machinessa // RIA Novosti , 25.7.2012
  17. ↑ Svjatoslavski KUUN HELIUM-3:N KAIVOSTEN PROSESSEISSA JA ENERGIAKUSTANNUKSESSA Arkistoitu 26. joulukuuta 2014 Wayback Machinessa // NASA, 1989
  18. ↑ Lunar Helium-3 ja Fusion Power Arkistoitu 14. joulukuuta 2019 Wayback Machinessa , NASA, 1988
  19. ↑ Alina Chernoivanov . "Kuu reaktorissa" Arkistokopio 5. marraskuuta 2018 Wayback Machinessa // Gazeta.ru , 26. tammikuuta 2006
  20. ↑ Roscosmos tutkii mahdollisuutta käyttää kuun maaperää 3D-tulostuksessa . Arkistokopio 5.11.2018 Wayback Machinessa // RIA Novosti . 2018-11-04 - "Lisäksi tulee mahdollisuus, kuten tiedeakatemiassa sanotaan, käyttää helium-3:a rakettipolttoaineen pohjana."
  21. ↑ Valeri Chumakov . "Kuu on seitsemäs maanosamme" Arkistoitu 31. joulukuuta 2018 Wayback Machinessa Venäjän tiedeakatemian akateemikon Lev Zelyonyn haastattelu , " Tieteen maailmassa " No. 11, 2018 Kuun helium-3, tule toimeen boorin kanssa . Joten vaikka meillä on vaikeuksia Kolumbuksen lupausten kanssa, on epätodennäköistä, että on mahdollista rikastua aineellisesti Kuun kustannuksella.
  22. ↑ 1 2 Shea DA, Morgan D. Helium-3-pula: tarjonta, kysyntä ja vaihtoehdot kongressille Arkistoitu 24. syyskuuta 2015 Wayback Machinessa // Congressional Research Service, 22. joulukuuta  2010 .
  23. ↑ 3He-4He-laimennusselitys arkistoitu 30. lokakuuta 2016 Wayback Machinessa / Berkeley 
  24. ↑ 1 2 3 Arkistoitu kopio . Haettu 14. joulukuuta 2019. Arkistoitu alkuperäisestä 2. syyskuuta 2019.
  25. ↑ Gerald L. Kulcinski. HELIUM-3 FUUSIOREAKTORIT – PUHDAS JA TURVALLINEN ENERGIAN LÄHDE 2000-luvulla (huhtikuu 1993). Haettu 14. joulukuuta 2019. Arkistoitu alkuperäisestä 24. helmikuuta 2020.
  26. ↑ Helium-3 loitsu Arkistoitu 14. joulukuuta 2019 Wayback Machinessa // The Space Review
  27. ↑ [2] Arkistoitu 15. kesäkuuta 2021 Wayback Machine Wikinewsissa Arkistoitu 13. toukokuuta 2021 Wayback Machinessa www.kino-teatr.ru/kino/movie/ros/145667/info/
 Heliumin isotoopit
Vakaa: 3 He: Helium-3 , 4 He: Helium-4 Epävakaa (alle päivä) : 2 He: Helium-2 ( diprotoni ), 5 He: Helium-5 , 6 He: Helium-6 , 7 He: Helium-7 , 8 He: Helium-8 , 9 He: Helium -9 , 10 He: Helium-10
Katso myös. Helium , Nukliditaulukko