Гелий-3

У этого термина существуют и другие значения, см. Гелий (значения).

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.

Гелий-3
Название, символ	Гелий-3, 3He
Нейтронов	1
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 полураспада	стабильный[2]
Родительские изотопы	3H (β−)
Спин и чётность ядра	1/2+[2]
Таблица нуклидов
Медиафайлы на Викискладе

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][значимость факта?]}. 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^{[уточнить]} 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.^{[источник не указан 1828 дней]}

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

• Dobbs E. R. Helium Three. — Oxford University press, 2000. ISBN 0-19-850640-6
• Галимов Э. М. Если у тебя есть энергия, ты можешь извлечь всё Архивная копия от 26 декабря 2014 на Wayback Machine — Редкие земли. 2014. № 2. С. 6-12.
• 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.).

Примечания

1. 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. 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.
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. 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. 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  (неопр.). РБК (18 августа 2024).
24. Chinese scientists planning rotating launch system on the moon (англ.). South China Morning Post (18 августа 2024).
25. 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  (неопр.). 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. Архивированная копия  (неопр.). 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  (неопр.) (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. Архивная копия от 15 июня 2021 на Wayback Machine Викиновости Источник  (неопр.). Дата обращения: 21 марта 2021. Архивировано 13 мая 2021 года. www.kino-teatr.ru/kino/movie/ros/145667/info/