Helium-3

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 12 juni 2020; kontroller kräver 25 redigeringar .
Helium-3
Namn, symbol Helium-3,  3 He
Neutroner ett
Nuklidegenskaper
Atomisk massa 3.0160293191(26) [1]  a. äta.
massdefekt 14 931.2148(24) [1]  k eV
Specifik bindningsenergi (per nukleon) 2572.681(1) [1]  keV
Isotopisk överflöd 0,000137(3) [2]  %
Halva livet stabil [2]
Föräldraisotoper 3 H ( β - )
Spinn och paritet av kärnan 1/2 + [2]
Tabell över nuklider

Helium-3  är en stabil isotop av helium . Helium-3 kärnan ( helion ) består av två protoner och en neutron , till skillnad från den tyngre andra stabila isotopen - helium-4 , som har två protoner och två neutroner.

Prevalens

Den naturliga isotopiska förekomsten av helium-3 i jordens atmosfär är 0,000137 % (1,37 ppm i förhållande till helium-4); i andra reservoarer kan det variera mycket till följd av naturlig fraktionering etc. [2] . Den totala mängden helium-3 i jordens atmosfär uppskattas till 35 000 ton . Båda isotoper av helium flyr ständigt från atmosfären till rymden, men förlusten av helium-4 på jorden fylls på på grund av alfa-sönderfallet av uran , torium och deras dotternuklider ( en alfapartikel är kärnan i helium-4) . Till skillnad från den tyngre isotopen förekommer inte helium-3 i radioaktiva sönderfallsprocesser (med undantag för sönderfallet av kosmogent tritium ). Det mesta av helium-3 på jorden har bevarats sedan det bildades. Det löses i manteln och kommer gradvis in i atmosfären; dess isotopiska förekomst i mantelmagma är 4-10 delar per miljon delar av helium-4 [3] , och vissa material av mantelursprung har ett förhållande som är 10-40 gånger större än i atmosfären [4] [5] . Dess intåg från manteln till atmosfären (genom vulkaner och förkastningar i jordskorpan) uppskattas dock till endast några kilogram per år. En del av helium-3 kommer från sönderfallet av tritium, i spallationsreaktioner på litium (under inverkan av alfapartiklar och kosmiska strålar), och kommer också från solvinden . Det finns mycket mer primär helium-3 på solen och i atmosfärerna på jätteplaneterna än i jordens atmosfär.

I månregoliten ackumulerades gradvis helium-3 under miljarder år av exponering för solvinden. Som ett resultat innehåller ett ton månjord (i det tunnaste ytskiktet) cirka 0,01 g helium-3 (upp till 50  ppb [6] ) och 28 g helium-4; detta isotopförhållande (~0,043%) är mycket högre än i jordens atmosfär .

Upptäckt

Förekomsten av helium - 3 föreslogs av den australiensiska vetenskapsmannen Mark Oliphant när han arbetade vid University of Cambridge 1934 . Denna isotop upptäcktes slutligen av Luis Alvarez och Robert Cornog 1939 .

Fysiska egenskaper

Atommassan för helium-3 är 3,016 (för helium-4 är det 4,0026, varför deras fysikaliska egenskaper är mycket olika). Helium-3 kokar vid 3,19 K (helium-4 - vid 4,23 K ), dess kritiska punkt är 3,35 K (för helium-4 - 5,19 K ). Densiteten av flytande helium-3 vid kokpunkten och normalt tryck är 59 g/l , medan det för helium-4 är 124,73 g/l , 2 gånger mer. Det specifika förångningsvärmet är 26 J/mol (för helium-4 är det 82,9 J/mol ).

Gasformigt helium-3 under normala förhållanden ( T = 273,15 K = 0 °C , P = 101325 Pa ) har en densitet på 0,1346 g/l . Följaktligen har volymen av ett gram helium-3 vid n.o. motsvarar 7,43 liter .

Flytande helium-3

En kvantvätska som skiljer sig väsentligt i egenskaper från flytande helium-4. Flytande helium-3 erhölls först 1948 . 1972 upptäcktes en fasövergång till superfluid tillstånd i flytande helium-3 vid temperaturer under 2,6 mK och vid ett tryck på 34 atm (man trodde tidigare att superfluiditet, liksom supraledning  , är fenomen som är karakteristiska för ett Bose-kondensat, dvs. , kooperativa fenomen i en miljö med ett heltalsspinn av objekt). För upptäckten av helium-3s superfluiditet 1996 tilldelades D. Osherov , R. Richardson och D. Lee Nobelpriset i fysik .

År 2003 tilldelades Nobelpriset i fysik till A. A. Abrikosov , V. L. Ginzburg och E. Leggett , inklusive för skapandet av teorin om superfluiditet av flytande helium-3 [8] .

Får

För närvarande utvinns inte helium-3 från naturliga källor (på jorden finns obetydliga mängder helium-3 tillgängliga, som är extremt svåra att utvinna), utan skapas genom sönderfallet av artificiellt erhållet tritium [9] .

Tritium produceras av enskilda stater som en komponent för termonukleära vapen genom att bestråla bor-10 och litium-6 i kärnreaktorer. Flera hundra tusen liter helium-3 har producerats inom ramen för kärnvapenprogram , men dessa lager är inte längre tillräckliga för den nuvarande efterfrågan i USA. Dessutom erhålls cirka 8 tusen liter helium-3 per år från sönderfallet av tritiumreserver i USA [10] . I samband med den växande bristen på helium-3, sådana tidigare ekonomiskt olönsamma produktionsmöjligheter som produktion i vattenkärnreaktorer, separation från tungvattenkärnreaktorers arbete, produktion av tritium eller helium-3 i partikelacceleratorer, utvinning av naturliga helium-3 från naturgas eller atmosfär [11] .

Kostnad

Det genomsnittliga priset på helium-3 2009 var, enligt vissa uppskattningar, cirka 930 USD per liter [12] .

Planer för att bryta helium-3 på månen

Helium-3 är en biprodukt av reaktioner som inträffar på solen och finns i viss mängd i solvinden och det interplanetära mediet. Helium-3 som kommer in i jordens atmosfär från det interplanetära rymden skingras snabbt tillbaka [13] , dess koncentration i atmosfären är extremt låg [14] . Samtidigt håller Månen , som inte har någon atmosfär, betydande mängder helium-3 i sitt ytskikt ( regolit ), enligt vissa uppskattningar - upp till 0,5 miljoner ton [15] , enligt andra - cirka 2,5 miljoner ton [16] .

Teoretiskt sett, med en hypotetisk termonukleär fusionsreaktion , där 1 ton helium-3 med 0,67 ton deuterium går in i en reaktion , frigörs energi som motsvarar förbränning av 15 miljoner ton olja (dock den tekniska genomförbarheten av detta reaktion har inte studerats för närvarande). Följaktligen kan befolkningen på vår planet av månresursen helium-3 (enligt maximala uppskattningar) räcka till omkring fem årtusenden [17] . Huvudproblemet (om vi bortser från problemet med genomförbarheten av kontrollerade termonukleära reaktorer med sådant bränsle) är verkligheten att utvinna helium från månregolit. Som nämnts ovan är innehållet av helium-3 i regolit ~1 g per 100 ton, därför bör minst 100 miljoner ton jord bearbetas på plats för att utvinna ett ton av denna isotop.

NASA har utvecklat preliminära konstruktioner för hypotetiska anläggningar för regolitbearbetning och helium-3-separation [18] [19] .

I januari 2006 meddelade chefen för RSC Energia, Nikolai Sevastyanov , att Ryssland planerar att skapa en permanent bas på månen och utarbeta ett transportsystem för att leverera helium-3 till jorden senast 2015 (med förbehåll för tillräcklig finansiering), och i en annan 5 år att starta en industriell isotopextraktion [20][ betydelsen av faktum? ] . Från och med 2022 finns detta endast kvar i projekt.
I november 2018, chefen för Roscosmos Dmitry Rogozin igen[ förtydliga ] bekräftade möjligheten att använda helium-3 som grund för raketbränsle [21] ; samtidigt, samtidigt som D. Rogozin, akademiker vid Ryska vetenskapsakademin Lev Zeleny förklarade den praktiska meningslösheten i helium-3-produktion [22] .

Användning

Det mesta av helium-3 som produceras i världen används för att fylla gasneutrondetektorer. Andra tillämpningar går ännu inte längre än vetenskapliga laboratorier [23] .

Neutronräknare

Gasräknare fyllda med helium-3 används för neutrondetektering . Detta är den vanligaste metoden för att mäta neutronflödet. I dessa räknare sker en reaktion

n + 3 He → 3 H + 1 H + 0,764 MeV.

De laddade produkterna från reaktionen, tritonen och protonen, registreras av en gasräknare som arbetar i läget för en proportionell räknare eller en Geiger-Mullerräknare .

Avsevärt ökad produktion av neutronmonitorer efter 2001 (för att upptäcka illegalt transporterade klyvbara material och förhindra kärnvapenterrorism ) ledde till en minskning av helium-3-lagren; Således växte lagren som ägdes av den amerikanska regeringen, från 1990 till 2001, monotont från 140 till 235 tusen liter referensstandard. , men 2010 hade de minskat till 50 thous. [23]

Erhålla ultralåga temperaturer

Det är svårt att få temperaturer under 0,7K genom att pumpa helium-4-ånga under vakuum. Lägre temperaturer kan uppnås genom att helium-3-ångan förångas under utpumpningen, som då inte blir överflytande. Således kan man komma nära den villkorliga gränsen för kryogena och ultralåga temperaturer (0,3K). Ångor pumpas också ut genom adsorption i helium-4, utförd i slutna tankar som förhindrar eventuell förlust av helium-3.

Genom att lösa upp flytande helium-3 i helium-4 uppnås millikelvintemperaturer [24] .

Medicin

Polariserat helium-3 (det kan lagras under lång tid) har nyligen använts i magnetisk resonanstomografi för att avbilda lungorna med hjälp av kärnmagnetisk resonans .

Helium-3 som ett hypotetiskt fusionsbränsle

Reaktionen 3 He + D → 4 He + p har ett antal fördelar jämfört med den mest möjliga deuterium-tritium-reaktionen T + D → 4 He + n under terrestra förhållanden. Dessa fördelar inkluderar [25] :

  1. Tiotals gånger lägre neutronflöde från reaktionszonen, vilket dramatiskt minskar den inducerade radioaktiviteten och nedbrytningen av reaktorns strukturella material; [25] [26]
  2. De resulterande protonerna, till skillnad från neutroner, fångas lätt med hjälp av elektriska och magnetiska fält [25] och kan användas för att generera ytterligare elektricitet, till exempel i en MHD-generator ;
  3. Syntesutgångsmaterial är inaktiva och deras lagring kräver inga speciella försiktighetsåtgärder;
  4. Vid en reaktorolycka med trycksänkning av härden är utsläppets radioaktivitet nära noll.

Nackdelen med helium-deuterium-reaktionen bör anses vara den praktiska omöjligheten att upprätthålla de erforderliga temperaturerna [27] . Vid temperaturer under 10 9 K fortskrider den termonukleära reaktionen av fusion av deuteriumkärnor med varandra mycket lättare, och reaktionen mellan deuterium och helium-3 inträffar inte. I detta fall ökar värmeförlusterna på grund av strålning snabbt med temperaturen, och den varma plasman kommer att svalna snabbare än den kan kompensera för energiförluster på grund av termonukleära reaktioner.

I konsten

I science fiction -verk (spel, filmer) fungerar helium-3 ibland som huvudbränslet och som en värdefull resurs utvunnen, bland annat på månen:

Litteratur

Anteckningar

  1. ↑ 1 2 3 Audi G. , Wapstra AH , Thibault C. The AME2003 atomic mass evaluation (II). Tabeller, grafer och referenser  (engelska)  // Kärnfysik A . - 2003. - Vol. 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-utvärderingen av kärn- och sönderfallsegenskaper  // Kärnfysik A. - 2003. - T. 729 . - S. 3-128 . - doi : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001 . - .Fri tillgång
  3. ↑ Don L. Anderson, Helium-3 från manteln: Ursignal eller kosmiskt damm? Arkiverad 24 september 2015 på Wayback Machine // SCIENCE, Vol. 261, 1993, sid. 170-176: ”Magmas från manteln har i allmänhet 3 He/ 4 He-förhållanden mellan 4⋅10 −6 och 10 −5 ; de högre värdena finns ofta vid hotspots".
  4. ↑ Är höga 3 He/4 He-förhållanden i oceaniska basalter en indikator på djupmantelplymkomponenter? Arkiverad 1 maj 2015 på Wayback Machine // Earth and Planetary Science Letters 208.3 (2003): 197-204. Oceanic Island Basalt (OIB). Vissa OIBs, men absolut inte alla, kännetecknas av 3 He/ 4 He-förhållanden i intervallet 9 till 42 RA; där RA är dagens atmosfäriska 3 He/ 4 He-förhållande på 1,39⋅10 −6 [8, 18]."
  5. ↑ 3He/4He-förhållandet för den nya interna He Standard of Japan (HESJ) Arkiverad 26 december 2014 på Wayback Machine // Geochemical Journal, Vol. 36, sid. 191-195, 2002 "Således har många terrestra prover av mantelursprung 3 He/ 4 He-förhållanden högre än luftvärdet med ungefär en storleksordning."
  6. ↑ http://io9.com/5908499/could-helium-3-really-solve-earths-energy-problems Arkiverad 9 december 2015 på Wayback Machine "Bästa uppskattningar av Helium-3-innehåll placerar det på 50 delar per miljard i månens jord, som kräver raffinering av miljontals ton månjord innan man samlar ihop tillräckligt med Helium-3 för att vara användbar i fusionsreaktioner på jorden."
  7. ↑ Superfluid 3 He: tidig historia genom en teoretikers ögon Arkiverad 29 februari 2008 på Wayback Machine  - Nobelföreläsning av E. J. Leggett, UFN, vol. 174, nr 11, 2003
  8. ↑ Shea DA, Morgan D. The Helium-3 Brist: Supply, Demand, and Options for Congress Arkiverad 24 september 2015 på Wayback Machine // Congressional Research Service, 22 december 2010  : "Hur görs Helium-
  9. ↑ Shea DA, Morgan D. The Helium-3 Brist: Supply, Demand, and Options for Congress Arkiverad 24 september 2015 på Wayback Machine // Congressional Research Service, 22 december 2010  : "helium-3-lagret växte från ungefär 140 000 liter 1990 till ungefär 235 000 liter 2001.17 Sedan 2001 har dock efterfrågan på helium-3 överstigit produktionen. År 2010 hade den ökade efterfrågan minskat lagret till cirka 50 000 liter. … sönderfall av tritium som innehas av det amerikanska kärnvapenprogrammet genererar för närvarande cirka 8 000 liter ny helium-3 per år.”
  10. ↑ Shea DA, Morgan D. The Helium-3 Brist: Supply, Demand, and Options for Congress Arkiverad 24 september 2015 på Wayback Machine // Congressional Research Service, 22 december 2010  : "Potentiella ytterligare källor till helium-3 inkluderar ökad produktion av tritium i lättvattenkärnreaktorer …; utvinning av tritium producerad som en biprodukt i kommersiella tungvattenkärnreaktorer; produktion av antingen tritium eller helium-3 med partikelacceleratorer; och utvinning av naturligt förekommande helium-3 från naturgas eller atmosfären."
  11. ↑ Undersökning av kritisk användning av 3He för kryogena ändamål Arkiverad 28 april 2010 på Wayback Machine // Northwestern University, 2009
  12. ↑ Specifika argument - Helium arkiverad 22 december 2015 på Wayback Machine // infidels.org - SECULAR WEB LIBRARY
  13. ↑ [1] Arkiverad 24 september 2015 på Wayback Machine // fas.org - "atmosfären innehåller en liten mängd helium, varav en bråkdel är helium-3. … Koncentrationen av helium i atmosfären är bara cirka 5 delar per miljon”
  14. ↑ Kolonisering av solsystemet avbröts Arkiverad 3 juni 2007 på Wayback Machine // 3DNews , 4 mars 2007
  15. ↑ UPPSKATTNING AV HELIUM-3 SANNOLIKA RESERVER I LUNAR REGOLITH Arkiverad 5 juli 2008 på Wayback Machine / Lunar and Planetary Science XXXVIII (2007), lpi.usra.edu
  16. ↑ Helium-3-brytning på månen kommer att förse jordbor med energi i 5 tusen år Arkivkopia daterad 28 januari 2013 på Wayback Machine // RIA Novosti , 2012-07-25
  17. ↑ Sviatoslavsky I PROCESSER OCH ENERGIKOSTNADER FÖR GRUVNING LUNAR HELIUM-3 Arkiverad 26 december 2014 på Wayback Machine // NASA, 1989
  18. ↑ Lunar Helium-3 och Fusion Power Arkiverade 14 december 2019 på Wayback Machine , NASA, 1988
  19. ↑ Alina Chernoivanov . "Månen i reaktorn" Arkivexemplar av 5 november 2018 på Wayback Machine // Gazeta.ru, 26 januari 2006
  20. ↑ Roscosmos kommer att studera möjligheten att använda månjord i 3D-utskrift Arkivkopia av 5 november 2018 på Wayback Machine // RIA Novosti . 2018-11-04 — "Dessutom kommer det att finnas möjligheten, som de säger i Vetenskapsakademien, att använda helium-3 som bas för raketbränsle."
  21. ↑ Valery Chumakov . "Månen är vår sjunde kontinent" Arkiverad 31 december 2018 på Wayback Machine Intervju med akademiker vid Ryska vetenskapsakademin Lev Zelyony , " In the world of science " nr 11, 2018 lunar helium-3, klara dig med bor . Så även om vi har svårigheter med Columbus löften, är det osannolikt att det kommer att vara möjligt att bli rik materiellt på bekostnad av månen.”
  22. ↑ 1 2 Shea DA, Morgan D. The Helium-3 Brist: Supply, Demand, and Options for Congress Arkiverad 24 september 2015 på Wayback Machine // Congressional Research Service, 22 december  2010 .
  23. ↑ 3He-4He utspädningsförklaring Arkiverad 30 oktober 2016 på Wayback Machine / Berkeley 
  24. ↑ 1 2 3 Arkiverad kopia . Hämtad 14 december 2019. Arkiverad från originalet 2 september 2019.
  25. ↑ Gerald L. Kulcinski. HELIUM-3 FUSIONSREAKTORER - EN REN OCH SÄKER ENERGIKÄLLA UNDER 2000-talet (april 1993). Hämtad 14 december 2019. Arkiverad från originalet 24 februari 2020.
  26. ↑ Helium-3 besvärjelsen Arkiverad 14 december 2019 på Wayback Machine // The Space Review
  27. ↑ [2] Arkiverad 15 juni 2021 på Wayback Machine Wikinews Arkiverad 13 maj 2021 på Wayback Machine www.kino-teatr.ru/kino/movie/ros/145667/info/
 Isotoper av helium
Stall: 3 He: Helium-3 , 4 He: Helium-4 Instabil (mindre än 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 även. Helium , Tabell över nuklider