Loading AI tools
ізотоп гелію З Вікіпедії, вільної енциклопедії
Гелій-3 (3He)[1][2] — легкий стабільний ізотоп гелію, який складається з двох протонів і одного нейтрона[3] (на відміну від найпоширенішого ізотопу, гелію-4, який складається з двох протонів і двох нейтронів). Окрім протію (тобто звичайного водню), гелій-3 є єдиним стабільним ізотопом будь-якого елемента, у складі якого протонів більше, ніж нейтронів.
Гелій-3 | |
---|---|
![]() Гелій-3 | |
Загальні відомості | |
Назва, символ | He-3,3He |
Нейтронів | 1 |
Протонів | 2 |
Властивості ізотопу | |
Атомна маса | 3.0160293 а.о.м |
Спін | 1⁄2 |
Гелій-3 був відкритий американськими фізиками Луїсом Волтером Альваресом та Робертом Корногом[en] у 1939 році[4].
Гелій-3 — рідкісна речовина[5]. Він добувається в дуже невеликих кількостях — порядку кількох десятків грамів на рік[6]. Гелій-3 зустрічається як первинний нуклід, який протягом мільйонів років виділявся із земної кори в атмосферу та космічний простір. Гелій-3 також вважається природним нуклеогенним і космогенним нуклідом, який утворюється під час бомбардування літію природними нейтронами, що вивільняються в процесі спонтанного поділу та ядерних реакцій із космічними променями. Деяка кількість гелію-3, яка перебуває в земній атмосфері, є артефактом атмосферних і підводних ядерних випробувань.
Існує багато спекуляцій щодо можливості використання гелію-3 як майбутнього джерела енергії[en]. На відміну від більшості реакцій ядерного синтезу, синтез атомів гелію-3 є анейтронним[en]: під час нього вивільняється велика кількість енергії і водночас не відбувається радіоактивного забруднення навколишнього середовища. З іншого боку, температури, досягнення яких необхідне для підтримування реакції синтезу гелію-3, набагато вищі, ніж потрібні для традиційних реакцій термоядерного синтезу[7], через що цей процес здатен спричинити інші реакції, які, своєю чергою, самі по собі здатні призвести до радіоактивного забруднення навколишнього середовища[8].
Вважається, що кількість гелію-3 на Місяці більша, ніж на Землі, оскільки він упродовж мільярдів років утворювався у верхньому шарі реголіту під дією сонячного вітру[9], хоча його кількість у складі газових гігантів Сонячної системи ще більша[10][11][12][6].
Існування гелію-3 вперше припустив у 1934 році австралійський фізик-ядерщик Марк Оліфант, який тоді працював у Кавендіській лабораторії Кембриджського університету. Оліфант проводив експерименти, у яких швидкі дейтрони зіштовхувалися з дейтронними мішенями (до речі, це була перша демонстрація ядерного синтезу)[13]. Виокремлення гелію-3 вперше здійснили Луїс Альварес і Роберт Корног[en] у 1939 році[14][15]. Тоді вважалося, що гелій-3 — це радіоактивний ізотоп, але згодом його знайшли в зразках природного гелію, який здебільшого є гелієм-4, взятим з атмосфери Землі або з газових свердловин[16].
Через свою низьку атомну масу (3,016 а. о. м.) гелій-3 має деякі фізичні властивості, відмінні від властивостей гелію-4 (4,0026 а. о. м.). Через слабку індуковану диполь-дипольну взаємодію між атомами гелію їхні мікроскопічні фізичні властивості визначаються переважно їхньою нульовою енергією. Крім того, через свої мікроскопічні властивості гелій-3 має вищу нульову енергію, ніж гелій-4. Це означає, що гелій-3 здатен долати диполь-дипольну взаємодію з меншою тепловою енергією, ніж гелій-4.
Квантово-механічні ефекти у гелії-3 та гелії-4 суттєво відрізняються: загальний спін гелію-4, який складається з двох протонів, двох нейтронів і двох електронів, дорівнює нулю, а отже, він є бозоном, тоді як загальний спін гелію-3, у якому на один нейтрон менше, удвічі менший, а отже, він є ферміоном.
Чистий гелій-3 у вигляді газу кипить при температурі 3,19 К, а гелій-4 — при 4,23 К. Критична точка гелію-3 також нижча — 3,35 К, тоді як у гелію-4 — 5,19 К. Густина гелію-3 вдвічі менша за густину гелію-4 при температурі кипіння: 59 г/л порівняно зі 124,73 г/л гелію-4 за тиску в одну атмосферу. Його питома теплота пароутворення теж значно нижча — 0,026 кДж/моль порівняно з 0,0829 кДж/моль для гелію-4[17][18].
Газоподібний гелій-3 за нормальних умов має густину 0,1346 г/л (гелій-4 — 0,1785 г/л). Відповідно, об'єм одного грама гелію-3 за нормальних умов дорівнює 7,43 л (у гелію-4 — 5,596 л).
Рідкий гелій-3 — квантова рідина[en], яка істотно відрізняється за властивостями від рідкого гелію-4. Рідкий гелій-3 вдалося отримати лише в 1948 році. У 1972 році в рідкому гелії-3 було виявлено фазовий перехід у надплинний стан за температур, нижчих за 2,6 мК, і за тиску 34 атм (раніше вважалося, що надплинність, як і надпровідність, — явища, характерні для конденсату Бозе — Ейнштейна, тобто кооперативні явища в середовищі з цілочисельним спіном об'єктів). За відкриття надплинності гелію-3 Дугласу Ошерову, Роберту Річардсону і Девіду Лі було присуджено Нобелівську премію з фізики 1996 року.
У 2003 році Нобелівською премією з фізики відзначені Олексій Абрикосов, Віталій Гінзбург і Ентоні Легетт, зокрема й за створення теорії надплинності рідкого гелію-3[19].
Ізотоп 3He є однією з первинних речовин у мантії Землі, яка, як вважається, потрапила в Землю ще на етапі її формування. Співвідношення ізотопів 3He і 4He в земній корі та мантії менше, ніж в отриманих зразках метеоритів і місячному ґрунті, оскільки 4He, на відміну від 3He, постійно утворюється в результаті радіоактивного розпаду.
Космологічне співвідношення 3He до 4He становить 300 атомів на мільйон (ppm)[20]. Це дає змогу припустити, що в часи, коли формувалася Земля, початкове співвідношення цих первинних газів у мантії становило близько 200—300 ppm. Упродовж усієї історії Землі внаслідок альфа-розпаду атомів урану, торію та інших радіоактивних ізотопів утворилася значна кількість 4He; лише близько 7 % гелію, який зараз перебуває в земній мантії, є первинним[20]. У такий спосіб загальне співвідношення 3He/4He знизилося приблизно до 20 ppm. Якщо співвідношення 3He/4He перевищує атмосферне, це вказує те, що спостерігається внесок 3He з мантії. У джерелах, розташованих у земній корі, переважає 4He, який утворюється шляхом радіоактивного розпаду.
Співвідношення 3He/4He у природних земних джерелах сильно варіюється[21][22]. Зразки літієвої руди сподумену з шахти Едісон у Південній Дакоті містили 12 ppm 3He/4He; зразки з інших шахт показали 2 ppm[22].
У концентраціях до 7 % гелій присутній у деяких джерелах природного газу[23], а у великих джерелах — у концентраціях понад 0,5 % (за концентрації понад 0,2 % його видобуток стає практично здійсненним)[24]. Частка 3He у гелії, виділеному з природного газу в США, коливається від 70 до 242 частин на мільярд[25][26]. Таким чином, американський запас 2002 року в 1 мільярд стандартних кубічних метрів містив би від 12 до 43 кілограмів гелію-3[24]. За даними американського фізика Річарда Гарвіна[en], з потоку природного газу в США можна щорічно виділяти близько 26 м3 або майже 5 кг гелію-3. Якщо в процесі виділення гелію-3 використовувати як сировину скраплений гелій (у такому вигляді його зазвичай транспортують і зберігають у великих обсягах), оцінки додаткових енергетичних витрат коливатимуться від 34 до 300 доларів за літр, не враховуючи вартості інфраструктури й обладнання[25]. Вважається, що річний видобуток газу в Алжирі становить 100 млн стандартних кубічних метрів[24], що містить від 7 до 24 м3 гелію-3 (від 1 до 4 кг), якщо припустити, що його концентрація в газі аналогічна.
Гелій-3 присутній також в атмосфері Землі. Природний вміст ізотопу 3He у природному гелії становить 1,38 × 10−6 (1,38 ppm). Парціальний тиск гелію в атмосфері Землі становить близько 0,52 Па і, таким чином, на гелій припадає 5,2 частини на мільйон від загального тиску (101,325 кПа) в атмосфері Землі, а 3He становить 7,2 частини на трильйон (ppt). Оскільки атмосфера Землі має масу близько 5,14 × 1018 кг[27], маса 3He в атмосфері Землі має дорівнювати добутку цих чисел, тобто близько 37 000 тонн. Насправді ефективна цифра в 10 разів менша, оскільки наведені вище частки — це ppmv (об'ємна частка), а не ppmw (масова частка). Для отримання фактичної величини цю масу треба помножити на 3 (молекулярна маса гелію-3) і поділити на 29 (середня молекулярна маса атмосфери), у результаті чого отримаємо 3828 тонн гелію-3 в атмосфері Землі.
Гелій-3 утворюється на Землі з трьох джерел:
Внесок космічного випромінювання є незначним у всіх матеріалах, окрім найдавніших реголітів, а внесок реакцій сколювання літію є меншим, ніж внесок утворення 4He за рахунок викидів альфа-частинок.
Загальна кількість гелію-3 в мантії може становити 0,1—1,0 мегатонни. Однак більша частина мантії недоступна безпосередньо. Деяка кількість гелію-3 просочується вгору через вулканічні гарячі точки, як-от вулкани Гавайських островів, але в атмосферу викидається лише 300 грамів гелію-3 на рік. Серединно-океанічні хребти викидають ще 3 кілограми на рік (8,2 г/добу). Навколо зон субдукції різні джерела виробляють гелій-3 у покладах природного газу, які, можливо, містять тисячу тонн гелію-3 (хоча ця кількість може досягати й 25 тисяч тонн, якщо такі поклади є в усіх давніх зонах субдукції). Віттенберг підрахував, що джерела природного газу в земній корі Сполучених Штатів можуть містити лише пів тонни[20]. Лейтон Віттенберг (Leyton J. Wittenberg)[28] процитував оцінку Дона Андерсона[en][29], згідно з якою ще 1200 тонн гелію-3 містяться в частинках міжпланетного пилу, які, потрапивши в атмосферу Землі, згодом опустилися на дно океану[20]. У дослідженні 1994 року видобуток гелію-3 з цих джерел потребує більше енергії, ніж виділяється при ядерному синтезі[20].
За однією з оцінок, упродовж мільярдів років існування Місяця під дією сонячного вітру на його поверхню осіло понад 1 мільйон тонн гелію-3[30]. Речовина на поверхні Місяця містить гелій-3 в концентраціях, які, за оцінками, становлять оцінюються від 1,4 до 15 частин на мільярд (ppb) на освітлених сонцем ділянках[31][32][10] і може містити гелій-3 в концентраціях до 50 частин на мільярд у постійно затінених регіонах[33]. Для порівняння, гелій-3 в атмосфері Землі концентрація гелію-3 становить 7,2 частини на трильйон (ppt).
Починаючи з 1986 року[34] з'являються численні пропозиції розробляти місячний реголіт і використовувати гелій-3, який міститься в ньому, для ядерного синтезу[35]. Хоча станом на 2020 рік діючі експериментальні реактори ядерного синтезу існують вже десятки років[36][37], жоден із них ще не виробляв електроенергію на комерційній основі[38][39]. Оскільки концентрація гелію-3 вкрай низька, будь-якому гірничодобувному обладнанню доведеться переробляти надзвичайно великі обсяги реголіту. За однією з оцінок, для отримання 1 грама гелію-3 необхідно переробити понад 150 тонн реголіту[40].
Китай розпочав власну програму дослідження Місяця і досліджує перспективу видобутку корисних копалин на Місяці — зокрема, шукає ізотоп гелію-3 для використання як джерела енергії на Землі[41]. Не всі погоджуються, що позаземний видобуток гелію-3 можливий[38], і навіть якби було можливо видобути гелій-3 на Місяці, жодна існуюча на цей момент конструкція термоядерного реактора не дає змоги виробити більше енергії, ніж витрачається на підтримання його роботи[38][39] — тобто домогтися, щоб коефіцієнт відтворення термоядерної енергії перевищив одиницю. Утім, 13 грудня 2022 року Міністерство енергетики США оголосило, що «…понеділок 5 грудня 2022 року став історичним днем у науці: завдяки неймовірним працівникам Ліверморської лабораторії та Національного комплексу лазерних термоядерних реакцій» (NIF), і що NIF «провів перший в історії експеримент з керованого термоядерного синтезу з метою досягти цієї віхи, також відомої як наукова енергетична беззбитковість (scientific energy breakeven[42]). Це означає, що він виробив більше енергії від термоядерного синтезу, ніж лазерна енергія, яка використовувалася для його приведення в дію»[43]. Недоліком залишається також те, що гелій-3 є обмеженим місячним ресурсом, який може вичерпатися в процесі видобутку[44].
13 березня 2024 року Роб Меєрсон[en], засновник приватної компанії Interlune, заявив, що компанія залучила 18 млн дол. і розробляє технологію збирання й доставки матеріалів, зокрема гелыю-3, з Місяця на Землю[45]. Ба більше: Interlune вже знайшла клієнта, готового купувати місячні ресурси у великих кількостях. У 2026 році компанія планує відправити на комерційній ракеті пошукову місію на Місяць — на ділянку, яка, як вважають, містить величезні запаси гелію-3. Спускний зонд має виміряти за допомогою спектрометра кількість гелію-3 в місячному ґрунті й оцінити його концентрацію[45].
Одна з перших оцінок співвідношення ізотопів 3He до 4He у первинній сонячній туманності була зроблена шляхом вимірювання їх співвідношення в атмосфері Юпітера за допомогою мас-спектрометра атмосферного зонда «Галілео». Це співвідношення становить приблизно 1 : 10 000[46], тобто 100 частин 3He на мільйон частин 4He. Подібне співвідношення ізотопів спостерігається й у місячному реголіті, який містить 28 частин на мільйон гелію-4 і 2,8 частини на мільярд гелію-3 (це нижня межа фактичних вимірювань зразків, які варіюються від 1,4 до 15 частин на мільярд). Однак співвідношення ізотопів на Землі в 100 разів менше, здебільшого через збагачення запасів гелію-4 в мантії за мільярди років альфа-розпаду урану, торію, а також дочірніх продуктів їх розпаду і зниклих радіонуклідів[en].
Практично весь гелій-3, що використовується сьогодні в промисловості, виробляється шляхом радіоактивного розпаду тритію, незважаючи на його дуже низьку поширеність у природі і дуже високу вартість.
У США виробництвом, продажем і розподілом гелію-3 керує Ізотопна програма Міністерства енергетики США (DOE Isotope Program)[47].
Тритій має кілька різних експериментально визначених значень періоду напіврозпаду; Національний інститут стандартів і технології (NIST) називає величину 4500 ± 8 діб (12,32 ± 0,02 року)[48]. Тритій розпадається, перетворюючись на гелій-3, шляхом бета-розпаду:
Під час такого розпаду виділяється 18,6 кеВ. Із загальної вивільненої енергії частина, що припадає на кінетичну енергію електрона, варіюється, у середньому становлячи 5,7 кеВ; решту енергії уносить електронне антинейтрино, яке майже не детектується. У повітрі бета-частинки тритію здатні пролетіти лише приблизно 6,0 мм: пройти крізь мертвий зовнішній шар людської шкіри вони неспроможні[49]. Завдяки неочікувано низькій енергії, яка виділяється під час бета-розпаду тритію, цей тип розпаду (а також розпад ренію-187) придатний для лабораторних вимірювань абсолютної маси нейтрино (найновіший експеримент — KATRIN[en]).
Низька енергія випромінювання тритію ускладнює виявлення мічених тритієм сполук, окрім як за допомогою рідинно-сцинтиляційного вимірювання активності[en].
Тритій є радіоактивним ізотопом водню і зазвичай утворюється шляхом бомбардування літію-6 нейтронами в ядерному реакторі. Ядро літію поглинає нейтрон і розщеплюється на гелій-4 і тритій. Оскільки тритій розпадається на гелій-3 з періодом напіврозпаду 12,3 року, гелій-3 можна виробляти, просто зберігаючи тритій, поки він не зазнає радіоактивного розпаду. Оскільки тритій, на відміну від гелію-3, утворює стабільну сполуку з киснем (тритієву воду), процес зберігання і збору міг би безперервно збирати речовину, яка виділяється зі збережуваного матеріалу.
Тритій є критично важливим компонентом ядерної зброї, і історично його виробляли й накопичували насамперед задля неї. Розпад тритію на гелій-3 зменшує вибухову потужність термоядерної боєголовки, тому періодично гелій-3, що накопичився, необхідно видаляти. Гелій-3, вилучений під час цього процесу, продають для застосування в інших сферах.
Протягом десятиліть цей процес — отримання гелію-3 шляхом радіоактивного розпаду тритію — був (і залишається сьогодні) основним джерелом його отримання[50]. Однак після підписання Договору СНО-1 у 1991 році кількість ядерних боєголовок, що перебувають у стані готовності до використання, зменшилася[51][52], і через це зменшилася кількість гелію-3, отримуваного цим шляхом. Запаси гелію-3 додатково зменшилися через збільшення попиту на нього[25], насамперед через використання в детекторах нейтронного випромінювання і медичних діагностичних процедурах.
Промисловий попит на гелій-3 у США досяг піку в 70 000 л (прибл. 8 кг) на рік у 2008 році. Ціна гелію-3 на аукціонах, яка історично становила близько 100 доларів за літр, підскочила аж до 2000 доларів за літр[53]. Відтоді через високу вартість, а також зусилля Міністерства енергетики США з його утилізації та пошуку замінників, попит на гелій-3 знизився до приблизно 6000 літрів на рік. Якщо виходити з того, що густина гелію-3 становить 114 г/м3, то при ціні 100 дол./л він буде у понад 30 разів дешевшим за тритій (приблизно 880 дол./г проти приблизно 30 000 дол./г), а при ціні 2000 дол./л гелій-3 — приблизно вдвічі дешевшим за тритій (17 540 дол./г проти 30 000 дол./г).
Міністерство енергетики США усвідомлювало, що бракує як тритію, так і гелію-3, і тому у 2010 році воно почало виробляти тритій на атомній електростанції Воттс-Бар, яка належить «Теннессі Веллі Ауторіті», шляхом опромінення літію[25]. Задля здійснення цього процесу замість звичайних керівних борних стрижнів у реактор вставляють тритієві стрижні-поглиначі, що виробляють тритій (TPBAR), які містять літій у керамічній формі[54].
У наш час для виробництва тритію використовуються лише два комерційні ядерні реактори (1-й і 2-й блоки атомної електростанції Воттс-Бар), але в разі потреби цей процес можна було б значно розширити, щоб задовольнити будь-який теоретичний попит, просто залучивши більше енергетичних реакторів країни. Значні кількості тритію і гелію-3 можна також видобувати з важководного сповільнювача в ядерних реакторах типу CANDU[25][55]. Відомо, що Індія і Канада, дві країни з найбільшим парком важководних реакторів, видобувають тритій із важкої води як сповільнювача/охолоджувача, але цих кількостей недостатньо, щоб задовольнити глобальний попит на тритій і гелій-3.
Оскільки тритій також є побічним продуктом роботи легководних реакторів (детальніше про це див. статтю про тритій), ще одним джерелом гелію-3 може бути його видобуток із цього джерела. Однак якщо виходити з даних про річні викиди тритію (за даними 2018 року) на переробному заводі в Гаазі[en], то навіть якби вдалося досягти 100%-го вилучення, їхні обсяги (31,2 грама в Гаазі) не були б достатніми для задоволення попиту.
Місцерозташування | Ядерний об'єкт | Найближче джерело води |
Рідина
(ТБк) |
Пара
(ТБк) |
Загалом
(Тбк) |
Загалом
(мг) |
Рік |
---|---|---|---|---|---|---|---|
![]() |
АЕС Хейшем[en] B | Ірландське море | 396 | 2,1 | 398 | 1,115 | 2019 |
![]() |
Переробний завод у Селлафілді | Ірландське море | 423 | 56 | 479 | 1,342 | 2019 |
![]() |
АЕС Чорнавода, блок 1 | Чорне море | 140 | 152 | 292 | 872 | 2018 |
![]() |
Переробний завод у Гаазі[en] | Ла-Манш | 11 400 | 60 | 11 460 | 32 100 | 2018 |
![]() |
АЕС Вольсонг | Японське море | 107 | 80,9 | 188 | 671 | 2020[57] |
![]() |
АЕС Мааншан | Лусонська протока | 35 | 9,4 | 44 | 123 | 2015 |
![]() |
АЕС Фуцін | Тайванська протока | 52 | 0,8 | 52 | 146 | 2020 |
![]() |
АЕС Саньмень[en] | Східнокитайське море | 20 | 0,4 | 20 | 56 | 2020 |
![]() |
АЕС Брюс A, B | Великі озера | 756 | 994 | 1 750 | 4 901 | 2018 |
![]() |
АЕС Дарлінгтон[en] | Великі озера | 220 | 210 | 430 | 1,204 | 2018 |
![]() |
АЕС Пікерінг[en], блоки 1—4 | Великі озера | 140 | 300 | 440 | 1,232 | 2015 |
![]() |
АЕС Діабло-Каньйон, блоки 1, 2 | Тихий океан | 82 | 2,7 | 84 | 235 | 2019 |
Гелій-3 можна використовувати для проведення експериментів з дослідження динаміки поверхневого спінового відлуння[en] (HeSE)[58][59][60]. Такі експерименти проводяться, наприклад, у Групі фізики поверхні (Surface Physics Group) Кавендіської лабораторії в Кембриджі та на хімічному факультеті Університету Суонсі[en].
Гелій-3 є важливим ізотопом у приладах для детектування нейтронів. Він має високий переріз поглинання[en] пучків теплових нейтронів і використовується як конвертерний газ у детекторах нейтронів. У результаті ядерної реакції із гелієм-3
нейтрон перетворюється на заряджені частинки — іони тритію (3H, або T) та водню (тобто протони 1H, або p), які потім реєструються шляхом створення зарядженої хмари в гальмівному газі пропорційного лічильника або трубки Гейгера — Мюллера[en][61].
Крім того, перебіг процесу поглинання сильно залежить від спіну, який дає спін-поляризованому[en] об'єму гелію-3 змогу пропускати нейтрони з одним спіновим компонентом і поглинати — з іншим. Цей ефект використовується в нейтронно-поляризаційному аналізі — методі, який досліджує магнітні властивості речовини[62][63][64].
Міністерство національної безпеки США планувало встановлювати детектори для виявлення контрабандного плутонію в морських контейнерах за нейтронним випромінюванням, але ці плани довелося скоригувати через світовий дефіцит гелію-3, який утворився після скорочення виробництва ядерної зброї з часів Холодної війни[65][66]. Станом на 2012 рік Міністерство національної безпеки визначило, що комерційні поставки бору-10 допоможуть перевести інфраструктуру нейтронного виявлення на цю технологію[67].
У холодильнику гелію-3[en] гелій-3 використовується для досягнення температури від 0,2—0,3 кельвіна. У рефрижераторах розчинення для досягнення кріогенних температур у кілька тисячних кельвіна використовується суміш гелію-3 і гелію-4[68].
Ядра гелію-3 мають власний ядерний спін 1⁄2 і відносно високе магнітографічне співвідношення. Гелій-3 можна гіперполяризувати[en] за допомогою нерівноважних засобів, як-от спін-обмінне оптичне накачування[69][70]. Під час цього процесу циркулярно поляризоване[en] інфрачервоне лазерне світло, налаштоване на відповідну довжину хвилі, збуджує електрони в лужному металі, як-от цезій або рубідій, усередині герметичної скляної посудини. Кутовий момент передається від електронів лужного металу до ядер інертних газів через зіткнення. У такий спосіб цей процес ефективно вирівнює ядерні спіни з магнітним полем, посилюючи сигнал ЯМР. Гіперполяризований газ можна зберігати під тиском 10 атмосфер до 100 годин. Після вдихання газові суміші, які містять гіперполяризований газ гелій-3, можна візуалізувати за допомогою МРТ-сканера й отримати анатомічні зображення легеневої вентиляції. Цей метод дає також змогу отримувати зображення дихальних шляхів, виявляти місця, у яких вентиляція недостатня або відсутня, вимірювати парціальний тиск кисню в альвеолах[en] і вентиляційно-перфузійне співвідношення[en]. Цей метод може мати вирішальне значення для діагностики й лікування хронічних респіраторних захворювань[71], як-от хронічне обструктивне захворювання легень (ХОЗЛ), емфізема легень, муковісцидоз та астма[72].
На токамаках Alcator C-Mod[en] Массачусетського технологічного інституту (MIT) і Joint European Torus (JET) проводилися експерименти з додавання невеликої кількості гелію-3 до воднево-дейтерієвої плазми з метою збільшити поглинання радіочастотної енергії, завдяки чому нагріватимуться іони водню й дейтерію — «триіонного» ефекту[73][74].
Гелій-3 можна отримати у процесі низькотемпературного синтезу:
Реагенти | Продукти | Енергія | n/МеВ | |
---|---|---|---|---|
Термоядерне паливо 1-го покоління | ||||
2D + 2D | → | 3He + 1 0n |
3,268 МеВ | 0,306 |
2D + 2D | → | 3T + 1 1p |
4,032 МеВ | 0 |
2D + 3T | → | 4He + 1 0n |
17,571 МеВ | 0,057 |
Термоядерне паливо 2-го покоління | ||||
2D + 3He | → | 4He + 1 1p |
18,354 МеВ | 0 |
Термоядерне паливо 3-го покоління | ||||
3He + 3He | → | 4He + 2 1 1p |
12,86 МеВ | 0 |
11B + 1 1p |
→ | 3 4He | 8,68 МеВ | 0 |
Чистий результат горіння 2D
(сума перших 4 рядків) | ||||
6 2D | → | 2(4He + n + p) | 43,225 МеВ | 0,046 |
Сучасне ядерне паливо | ||||
235U + n | → | 2 FP + 2,5n | ~200 МеВ | 0,0075 |
Якщо температура синтезу нижча за температуру злиття ядер гелію, у результаті реакції утворюється високоенергетична альфа-частинка, яка швидко приєднує електрон, утворюючи стабільний легкий іон гелію, який можна використати безпосередньо як джерело електроенергії, не продукуючи небезпечні нейтрони.
Гелій-3 можна використовувати в реакціях синтезу за однією з реакцій
або
У процесі традиційного термоядерного синтезу дейтерію і тритію («D-T») утворюються енергійні нейтрони, які забруднюють компоненти реактора радіоактивними продуктами активації[en]. Синтез гелію-3 привабливий тим, що в результаті цієї реакції не утворюються нейтрони[en], а отже, не відбувається й радіоактивного забруднення. Гелій-3 сам по собі не є радіоактивним. Єдиний високоенергетичний побічний продукт, протон, на відміну від нейтрона, є зарядженою частинкою, а отже, його можна утримувати за допомогою електричних і магнітних полів. Енергія імпульсу цього протона, створеного в процесі синтезу, взаємодіятиме з електромагнітним полем, яке його утримує, що дає змогу безпосередньо виробляти чисту електроенергію[80].
Через вищий кулонівський бар'єр температура, необхідна для синтезу 2H + 3He, набагато вища, ніж для звичайного D-T-синтезу. Ба більше, оскільки для синтезу обидва реагенти повинні бути змішані, відбуватимуться реакції не лише D + T, а й між ядрами того самого реагенту — D + D та T + T, а реакція D + D (2H + 2H) супроводжується утворенням нейтрона. Швидкість реакції залежить від температури, але швидкість реакції D + 3He ніколи не перевищує швидкість реакції D + D більше, ніж в 3,56 раза (див. графік праворуч). Тому термоядерний синтез із використанням палива D + 3He при правильній температурі та збідненій паливній суміші може виробляти набагато менший потік нейтронів, ніж D-T-синтез, але через утворення нейтрона він не є чистим, що зводить нанівець його привабливість, принаймні частково.
Друга можливість — злиття 3He із самим собою (3He + 3He) — вимагає ще вищих температур (адже в цьому разі обидва реагенти мають заряд +2), а отже, її реалізація є ще складнішою, ніж реакція D + 3He. Однак у цій реакції не утворюються нейтрони, а протони, оскільки вони є зарядженими частинками, можна утримувати за допомогою електричних і магнітних полів. Отже, ця реакція уможливлює пряме генерування електроенергії. Термоядерний синтез 3He + 3He можливий (це вже продемонстровано в лабораторних умовах) і має величезні переваги, але його прибуткове комерційне застосування буде досягнуто через багато років[81].
Обсяги гелію-3, необхідні для заміни традиційних видів палива, є значними порівняно з наявними на сьогодні. Загальна кількість енергії, яка виробляється в реакції 2D + 3He, становить 18,4 мегаелектронвольт, що відповідає приблизно 493 мегават-годинам (4,93×108 Вт·год) на три грами (один моль) 3He. Якби всю цю енергію можна було перетворити на електричну зі 100%-вою ефективністю (що фізично неможливо), це відповідало б приблизно 30 хвилинам роботи гігаватної електростанції на один моль 3He. Таким чином, для річного виробництва (за витрати 6 грамів на кожну годину роботи) знадобилося б 52,5 кілограма гелію-3.
Кількість палива, необхідного для великомасштабних застосувань, можна також виразити через загальне споживання: споживання електроенергії 107 мільйонами американських домогосподарств (за даними Управління енергетичної інформації США) у 2001 році становило 1140 млрд кВт·год (1,14×1015 Вт·год). Якщо припустити, ефективність перетворення є 100%-вою, то для цього сегмента енергетичного попиту США знадобиться 6,7 тонни гелію-3 на рік, або, за більш реалістичної ефективності перетворення з урахування втрат під час передавання від виробників до кінцевих споживачів, — 15—20 тонн на рік.
Підхід другого покоління до керованого термоядерного синтезу передбачає поєднання гелію-3 і дейтерію, 2D. У результаті цієї реакції утворюється альфа-частинка і високоенергетичний протон. Найважливіша потенційна перевага цієї реакції термоядерного синтезу для виробництва енергії, а також інших застосувань полягає в її сумісності з використанням електростатичних полів для керування іонами палива і протонами синтезу. Завдяки використанню твердотільних перетворювальних матеріалів та інших технологій з'являється можливість перетворювати кінетичну енергію високошвидкісних протонів — позитивно заряджених частинок — безпосередньо в електричний струм. Потенційна ефективність перетворення може досягати 70 %, оскільки зникає потреба спершу перетворювати енергію протонів на тепло, а потім тепло на електричний струм за допомогою електричного генератора.
Про можливості електростанцій на гелії-3 було багато заяв. На думку їх прихильників, термоядерні електростанції, які працюють на дейтерії і гелії-3, потребуватимуть нижчих капітальних та експлуатаційних витрат, ніж їхні конкуренти, завдяки меншій технічній складності, вищій ефективності перетворення, меншим розмірам, відсутності радіоактивного палива, відсутності забруднення повітря і води, а також низьким вимогам до заховання радіоактивних відходів. За останніми оцінками, для розробки й будівництва першої електростанції на основі термоядерного синтезу гелію-3 знадобиться близько 6 млрд дол. інвестицій. Фінансова беззбитковість за сьогоднішніх оптових цін на електроенергію (0,05 долара за кіловат-годину) настане після того, як в експлуатацію будуть введені п'ять 1-гігаватних електростанцій, які замінять старі традиційні електростанції або задовольнять новий попит[82].
Утім, реальність не така однозначна. Найбільш інноваційні програми термоядерного синтезу у світі передбачають інерційне утримання плазми (наприклад, Національний комплекс лазерних термоядерних реакцій) або магнітний термоядерний синтез (наприклад, Міжнародний експериментальний термоядерний реактор і Wendelstein 7-X). Для першого з цих способів не розроблено чіткої дорожньої карти виробництва електроенергії. Щодо другого, комерційне виробництво електроенергії не очікується раніше 2050 року[83]. В обох випадках йдеться про найпростіший тип термоядерного синтезу — D + T. Причиною цього є дуже низький кулонівський бар'єр для цієї реакції; для реакції D + 3He бар'єр набагато вищий, а для 3He + 3He — ще вищий.
Величезна вартість таких реакторів, як ІТЕР і Національний комплекс лазерних термоядерних реакцій, значною мірою пов'язана з їхніми величезними розмірами, але для масштабування до вищих температур плазми потрібні ще більші реактори. Протони з енергією 14,7 МеВ, альфа-частинки з енергією 3,6 МеВ від синтезу D + 3He, а також вища ефективність перетворення — усе це означає, що з кілограма речовини видобувається більше електроенергії, ніж при синтезі D + T (17,6 МеВ), але не набагато більше. Ще одним недоліком є те, що швидкість реакції синтезу гелію-3 не є особливо високою, що вимагає більшого реактора або більшої кількості реакторів для виробництва такої ж кількості електроенергії.
Щоб обійти проблему величезних електростанцій, економічна неефективність яких неочевидна навіть для синтезу D + T, не кажучи вже про набагато складніший синтез D + 3He, запропоновано низку інших типів реакторів — фузор, полівелл, щільний плазмовий фокус[en] (DPF) і багато інших. Утім, чимало з цих концепцій мають фундаментальні проблеми з досягненням чистого приросту енергії і, як правило, вони передбачають досягнення термоядерного синтезу в умовах теплової нерівноваги, що потенційно може виявитися неможливим[84]. Як наслідок, реалізація цих перспективних програм супроводжується проблемами з фінансуванням, незважаючи на їхні порівняно невеликиі бюджети. Однак, на відміну від «великих» і «гарячих» систем термоядерного синтезу, такі системи, якщо їх вдасться реалізувати, здатні масштабуватися до безнейтронного ядерного синтезу[en] з вищим бар'єром, і тому їхні прихильники, як правило, пропагують синтез за формулою p + 11B (протон + бор-11), який не потребує таких екзотичних видів палива, як гелій-3.
Матеріали на поверхні Місяця, розташовані в освітлених Сонцем ділянках, містять гелій-3 у концентрації від 1,4 до 15 частин на мільярд[85][86]; у постійно затінених регіонах концентрація може досягати 50 частин на мільярд[87]. Ряд людей, зокрема Джеральд Кульчинський (Gerald Kulcinski) в 1986 році[88], запропонували досліджувати Місяць, видобувати місячний реголіт і використовувати гелій-3, який у ньому міститься, для термоядерного синтезу. Через низьку концентрацію гелію-3 будь-якому гірничодобувному обладнанню доведеться переробляти надзвичайно велику кількість реголіту (понад 150 тонн реголіту для отримання одного грама гелію-3)[89].
Першочерговим завданням першого місячного зонду Індійської організації космічних досліджень і розробок (ISRO) під назвою «Чандраян-1», запущеного 22 жовтня 2008 року[90], як повідомлялося в деяких джерелах, було картування поверхні Місяця з метою пошуку мінералів, що містять гелій-3[91]. В офіційному переліку цілей проєкту така мета не згадується, хоча багато встановленої на ньому наукового обладнання має застосування, пов'язане з гелієм-3[92][93].
Космо- і геохімік Оуян Цзиюань[en] з Китайської академії наук, який нині очолює Китайську програму дослідження Місяця, уже неодноразово заявляв, що однією з головних цілей програми буде видобуток гелію-3, з якого
…щороку три польоти космічних шатлів могли б приносити достатньо палива для всього людства[94].
У січні 2006 року російська космічна компанія РКК «Енергія» оголосила, що вважає місячний гелій-3 потенційним економічним ресурсом, видобування якого можна буде почати до 2020 року[95] за наявності фінансування[96][97].
Не всі згодні, що видобуток місячного гелію-3 можливий і навіть що на нього буде попит для термоядерного синтезу. Зокрема, Дуейн Дей[en] у своїй статті 2015 року в онлайн-журналі The Space Review[en] характеризує видобуток гелію-3 на Місяці з метою його використання в термоядерному синтезі як мрію про неперевірену магічну технологію, ставить під сумнів доцільність цього задуму і вказує, що видобуток гелію-3 на Землі міг би бути ефективнішим[98].
Існують пропозиції видобувати гелій-3 на газових гігантах[99]. Наприклад, гіпотетичний міжзоряний зонд «Дедал», розроблюваний Британським міжпланетним товариством[100], передбачає заправку гелієм-3 зі спеціальних «шахт» в атмосфері Юпітера[101].
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.