stringtranslate.com

Гелий-3

Гелий-3 ( 3 He [1] [2] см . также гелий ) — легкий стабильный изотоп гелия с двумя протонами и одним нейтроном (напротив, наиболее распространенный изотоп гелий-4 имеет два протона и два нейтрона). Помимо протия (обычного водорода ), гелий-3 является единственным стабильным изотопом любого элемента , в котором протонов больше, чем нейтронов. Гелий-3 был открыт в 1939 году.

Гелий-3 встречается в виде первичного нуклида , выходящего из земной коры в атмосферу и в космическое пространство в течение миллионов лет. Гелий-3 также считается природным нуклеогенным и космогенным нуклидом , который образуется при бомбардировке лития естественными нейтронами, которые могут выделяться в результате спонтанного деления и ядерных реакций с космическими лучами . Часть гелия-3, обнаруженного в земной атмосфере, также является результатом атмосферных и подводных испытаний ядерного оружия .

Было высказано много предположений о возможности использования гелия-3 в качестве будущего источника энергии . В отличие от большинства реакций ядерного синтеза , синтез атомов гелия-3 является анейтронным , высвобождая большое количество энергии, не вызывая при этом радиоактивности окружающего материала . Однако температуры, необходимые для проведения реакций синтеза гелия-3 , намного выше, чем в традиционных реакциях синтеза [3] , и этот процесс может неизбежно вызвать другие реакции, которые сами по себе могут привести к тому, что окружающий материал станет радиоактивным. [4]

Считается, что содержание гелия-3 на Луне выше, чем на Земле, поскольку он был создан в верхнем слое реголита солнечным ветром в течение миллиардов лет, [5] хотя его содержание все же ниже, чем в газе Солнечной системы. гиганты . [6] [7]

История

Существование гелия-3 было впервые предположено в 1934 году австралийским физиком-ядерщиком Марком Олифантом, когда он работал в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета . Олифант проводил эксперименты, в которых быстрые дейтроны сталкивались с дейтронными мишенями (кстати, это была первая демонстрация ядерного синтеза ). [8] Впервые гелий-3 был выделен Луисом Альваресом и Робертом Корногом в 1939 году. [9] [10] Гелий-3 считался радиоактивным изотопом, пока он не был также обнаружен в образцах природного гелия, который в основном гелий-4 , добываемый как из земной атмосферы, так и из газовых скважин. [11]

Физические свойства

Из-за своей низкой атомной массы 3,016  ед. гелий-3 имеет некоторые физические свойства, отличные от свойств гелия-4 с массой 4,0026 ед. Из-за слабого индуцированного диполь-дипольного взаимодействия между атомами гелия их микроскопические физические свойства в основном определяются их нулевой энергией . Кроме того, микроскопические свойства гелия-3 приводят к тому, что он имеет более высокую нулевую энергию, чем гелий-4. Это означает, что гелий-3 может преодолевать диполь-дипольные взаимодействия с меньшей тепловой энергией , чем гелий-4.

Квантово -механические эффекты на гелий-3 и гелий-4 существенно различаются, поскольку с двумя протонами , двумя нейтронами и двумя электронами гелий-4 имеет общий спин , равный нулю, что делает его бозоном , но с одним нейтроном меньше, гелий-4 3 имеет общий спин, равный половине, что делает его фермионом .

Чистый газ гелий-3 кипит при 3,19 К по сравнению с гелием-4 при 4,23 К, а его критическая точка также ниже при 3,35 К по сравнению с гелием-4 при 5,2 К. Плотность гелия-3 составляет менее половины плотности гелия-3. 4, когда он находится в точке кипения: 59 г/л по сравнению со 125 г/л гелия-4 при давлении в одну атмосферу. Его скрытая теплота испарения также значительно ниже и составляет 0,026 кДж/моль по сравнению с 0,0829 кДж/моль гелия-4. [12] [13]

Сверхтекучесть

Фазовая диаграмма гелия-3. ОЦК – объемноцентрированная кубическая кристаллическая решетка.

Важным свойством гелия-3, отличающим его от более распространенного гелия-4, является то, что его ядро ​​является фермионом, поскольку оно содержит нечетное число частиц со спином 1/2 . Ядра гелия-4 являются бозонами , содержащими четное количество частиц со спином 1/2 . Это прямой результат правил сложения квантованного углового момента. При низких температурах (около 2,17 К) гелий-4 претерпевает фазовый переход : часть его переходит в сверхтекучую фазу , которую грубо можно понимать как разновидность конденсата Бозе-Эйнштейна . Такой механизм недоступен для атомов гелия-3, которые являются фермионами. Однако широко распространено мнение , что гелий-3 также мог бы стать сверхтекучим при гораздо более низких температурах, если бы атомы образовывали пары, аналогичные куперовским парам в теории сверхпроводимости БКШ . Каждую куперовскую пару, имеющую целочисленный спин, можно рассматривать как бозон. В 1970-е годы Дэвид Ли , Дуглас Ошерофф и Роберт Коулман Ричардсон обнаружили два фазовых перехода вдоль кривой плавления, которые вскоре оказались двумя сверхтекучими фазами гелия-3. [14] [15] Переход в сверхтекучее состояние происходит при 2,491 милликельвинах на кривой плавления. За свое открытие они были удостоены Нобелевской премии по физике 1996 года. Алексей Абрикосов , Виталий Гинзбург и Тони Леггетт получили Нобелевскую премию по физике 2003 года за работу по уточнению понимания сверхтекучей фазы гелия-3. [16]

В нулевом магнитном поле существуют две различные сверхтекучие фазы 3 He: A-фаза и B-фаза. B-фаза — это низкотемпературная фаза низкого давления, имеющая изотропную энергетическую щель. А-фаза — это фаза с более высокой температурой и более высоким давлением, которая дополнительно стабилизируется магнитным полем и имеет два точечных узла в зазоре. Наличие двух фаз является четким указанием на то, что 3 He является нетрадиционной сверхтекучей жидкостью (сверхпроводником), поскольку наличие двух фаз требует нарушения дополнительной симметрии, отличной от калибровочной симметрии. По сути, это сверхтекучая p -волновая жидкость со спином S = 1 и угловым моментом L = 1. Основное состояние соответствует нулю полного углового момента, J = S + L =0 (сложение векторов). Возможны возбужденные состояния с ненулевым полным угловым моментом J > 0, которые представляют собой возбужденные парные коллективные моды. Из-за чрезвычайной чистоты сверхтекучего 3 He (поскольку все материалы, кроме 4 He, затвердели и опустились на дно жидкого 3 He, а любой 4 He имеет полное разделение фаз, это наиболее чистое конденсированное состояние), эти коллективные моды были изучены с гораздо большей точностью, чем в любой другой нетрадиционной системе спаривания.

Природное изобилие

Земное изобилие

3 Он представляет собой первичное вещество мантии Земли , которое, как полагают, попало в ловушку Земли во время формирования планет. Отношение 3 He к 4 He в земной коре и мантии меньше, чем оценки состава солнечного диска, полученные из метеоритных и лунных образцов, при этом земные материалы обычно содержат более низкие отношения 3 He/ 4 He из-за производства 4 He. от радиоактивного распада.

Космологическое соотношение 3 He составляет 300 атомов на миллион атомов 4 He (ат. ppm), что позволяет предположить, что первоначальное соотношение этих первичных газов в мантии составляло около 200-300 ppm при формировании Земли. За всю историю Земли распад альфа-частиц урана, тория и других радиоактивных изотопов привел к образованию значительных количеств 4 He, так что только около 7% гелия, который сейчас находится в мантии, представляет собой первичный гелий, [17] снижая общее количество 3 He/ 4. Его соотношение составляет около 20 частей на миллион. Соотношения 3 He/ 4 He сверх атмосферного указывают на вклад 3 He из мантии. В земных источниках преобладает 4 He , образующийся в результате радиоактивного распада.

Соотношение гелия-3 и гелия-4 в природных земных источниках сильно различается. [18] [19] Было обнаружено , что образцы литиевой руды сподумена из шахты Эдисон, Южная Дакота, содержат от 12 частей гелия-3 до миллиона частей гелия-4. Пробы из других шахт показали 2 части на миллион. [18]

Гелий также присутствует в виде до 7% в некоторых источниках природного газа [20] , а в крупных источниках его содержание составляет более 0,5% (более 0,2% делает его добычу жизнеспособной). [21] Было обнаружено , что доля 3 He в гелии, выделенном из природного газа в США, находится в диапазоне от 70 до 242 частей на миллиард. [22] [23] Таким образом, запасы США в 2002 году объемом 1 миллиард нормальных м 3 [21] содержали от 12 до 43 килограммов (от 26 до 95 фунтов) гелия-3. По словам американского физика Ричарда Гарвина , около 26 кубических метров (920 куб. футов) или почти 5 килограммов (11 фунтов) 3 He доступно ежегодно для отделения от потока природного газа США. Если в процессе выделения 3 He можно использовать в качестве сырья сжиженный гелий, обычно используемый для транспортировки и хранения больших количеств, оценки дополнительных затрат на электроэнергию варьируются от 34 до 300 долларов за литр (от 150 до 1360 долларов за имп. галлон) NTP, исключая стоимость инфраструктуры и оборудования. [22] Предполагается, что годовая добыча газа в Алжире составляет 100 миллионов нормальных кубических метров [21] , и это будет содержать от 7 до 24 кубических метров (250 и 850 кубических футов) гелия-3 (около 1–4 килограммов (2,2–8,8 фунт)) при условии аналогичной доли 3 He.

3 Он также присутствует в атмосфере Земли . Естественное содержание 3 He в встречающемся в природе газообразном гелии составляет 1,38 × 10−6 (1,38 частей на миллион). Парциальное давление гелия в атмосфере Земли составляет около 0,52 паскаля (7,5 × 10 -5  фунтов на квадратный дюйм), и, таким образом, гелий составляет 5,2 части на миллион от общего давления (101325 Па) в атмосфере Земли, и, таким образом, 3 He составляет 7,2 части на триллион атмосферы. Поскольку атмосфера Земли имеет массу около 5,14 × 10 18 килограммов (1,133 × 10 19  фунтов), [24] масса 3 He в атмосфере Земли является произведением этих чисел, или около 37 000 тонн (36 000 длинных тонн; 41 000 коротких тонн) 3 He. (На самом деле эффективная цифра в десять раз меньше, поскольку приведенные выше ppm — это ppmv, а не ppmw. Нужно умножить на 3 (молекулярная масса гелия-3) и разделить на 29 (средняя молекулярная масса атмосферы), в результате чего в 3828 тоннах (3768 длинных тонн; 4220 коротких тонн) гелия-3 в земной атмосфере.)

3 Он производится на Земле из трех источников: расщепления лития , космических лучей и бета-распада трития ( 3 H). Вклад космических лучей незначителен во всех материалах, кроме самых старых реголитов, а реакции расщепления лития вносят меньший вклад, чем производство 4 He в результате выбросов альфа-частиц .

Общее количество гелия-3 в мантии может находиться в пределах 0,1–1 мегатонны (98 000–984 000 длинных тонн; 110 000–1 100 000 коротких тонн). Однако большая часть мантии недоступна напрямую. Некоторое количество гелия-3 просачивается через глубокие горячие точки вулканов, например, на Гавайских островах , но в атмосферу выбрасывается только 300 граммов (11 унций) в год. Срединно-океанические хребты выбрасывают еще 3 килограмма в год (8,2 г/сут). Вокруг зон субдукции различные источники производят гелий-3 в месторождениях природного газа , которые, возможно, содержат тысячу тонн гелия-3 (хотя их может быть 25 тысяч тонн, если такие месторождения есть во всех древних зонах субдукции). По оценкам Виттенберга, общее количество источников природного газа в земной коре США может составлять всего полтонны. [25] Виттенберг процитировал оценку Андерсона еще 1200 тонн (1200 длинных тонн; 1300 коротких тонн) частиц межпланетной пыли на дне океана. [26] В исследовании 1994 года извлечение гелия-3 из этих источников потребляет больше энергии, чем выделит термоядерный синтез. [27]

Лунная поверхность

См. Внеземную добычу полезных ископаемых или лунные ресурсы.

Солнечная туманность (изначальная) численность

Одной из первых оценок изначального соотношения 3 He и 4 He в солнечной туманности было измерение их соотношения в атмосфере Юпитера, измеренное масс-спектрометром зонда входа в атмосферу Галилео. Это соотношение составляет примерно 1:10 000 [28] или 100 частей 3 He на миллион частей 4 He. Это примерно такое же соотношение изотопов, как и в лунном реголите , который содержит 28 частей на миллион гелия-4 и 2,8 частей на миллиард гелия-3 (что находится на нижнем конце фактических измерений образца, которые варьируются примерно от 1,4 до 15 частей на миллиард). Однако земные соотношения изотопов ниже в 100 раз, главным образом из-за обогащения запасов гелия-4 в мантии миллиардами лет альфа-распада урана , тория , а также продуктов их распада и вымерших радионуклидов .

Человеческое производство

Распад трития

Практически весь гелий-3, используемый сегодня в промышленности, производится в результате радиоактивного распада трития , учитывая его очень низкую распространенность в природе и очень высокую стоимость.

Производство, продажа и распространение гелия-3 в США находятся в ведении изотопной программы Министерства энергетики США (DOE). [29]

Хотя тритий имеет несколько различных экспериментально определенных значений периода полураспада , NIST перечисляет4500 ± 8 дней (12,32 ± 0,02 года ). [30] Он распадается на гелий-3 в результате бета-распада , как в этом ядерном уравнении:

Среди общей выделившейся энергии18,6 кэВ , доля кинетической энергии электрона варьируется, в среднем5,7 кэВ , а оставшаяся энергия уносится почти необнаружимым электронным антинейтрино . Бета-частицы трития могут проникнуть в воздух лишь на глубину около 6,0 миллиметров (0,24 дюйма) и не способны пройти через отмерший внешний слой человеческой кожи. [31] Необычно низкая энергия, выделяющаяся при бета-распаде трития, делает этот распад (наряду с распадом рения-187 ) подходящим для измерения абсолютной массы нейтрино в лаборатории (самый последний эксперимент — KATRIN ).

Низкая энергия излучения трития затрудняет обнаружение меченных тритием соединений, кроме как с помощью жидкостного сцинтилляционного счетчика .

Тритий представляет собой радиоактивный изотоп водорода и обычно производится путем бомбардировки лития-6 нейтронами в ядерном реакторе. Ядро лития поглощает нейтрон и распадается на гелий-4 и тритий. Тритий распадается на гелий-3 с периодом полураспада12,3 года , поэтому гелий-3 можно производить, просто храня тритий до тех пор, пока он не подвергнется радиоактивному распаду. Поскольку тритий образует стабильное соединение с кислородом ( тритированная вода ), а гелий-3 — нет, в процессе хранения и сбора может непрерывно собираться материал, выделяющийся из хранимого материала.

Тритий является важнейшим компонентом ядерного оружия , и исторически он производился и накапливался в первую очередь для этого применения. Распад трития на гелий-3 снижает взрывную мощность термоядерной боеголовки, поэтому периодически накопленный гелий-3 необходимо удалять из резервуаров боеголовки и хранить тритий. Гелий-3, удаленный в ходе этого процесса, продается для других целей.

На протяжении десятилетий он был и остается основным источником гелия-3 в мире. [32] Однако с момента подписания Договора СНВ-1 в 1991 году количество ядерных боеголовок, находящихся в готовности к использованию, уменьшилось. [33] [34] Это уменьшило количество гелия-3, доступного из этого источника. Запасы гелия-3 еще больше сократились из-за возросшего спроса [22] , в первую очередь для использования в детекторах нейтронного излучения и медицинских диагностических процедурах. Промышленный спрос в США на гелий-3 достиг пика в 70 000 литров (15 000 имп галлонов; 18 000 галлонов США) (приблизительно 8 килограммов (18 фунтов)) в год в 2008 году. Цена на аукционе исторически составляла около 100 долларов за литр (450 долларов США за имп галлон). ), достигала 2000 долларов за литр (9100 долларов за галлон). [35] С тех пор спрос на гелий-3 снизился примерно до 6000 литров (1300 имп галлонов; 1600 галлонов США) в год из-за высокой стоимости и усилий Министерства энергетики по его переработке и поиску заменителей. Если предположить, что плотность 114 граммов на кубический метр (0,192 фунта на кубический ярд) при цене 100 долларов за литр гелия-3 будет примерно в тридцатую часть дороже трития (примерно 880 долларов за грамм (25 000 долларов за унцию) против примерно 30 000 долларов за грамм (850 000 долларов за унцию) унция)) в то время как при цене 2000 долларов за литр гелий-3 будет примерно вдвое дешевле трития (17 540 долларов за грамм (497 000 долларов за унцию) против 30 000 долларов за грамм (850 000 долларов за унцию)).

Министерство энергетики осознало растущую нехватку как трития, так и гелия-3, и в 2010 году начало производить тритий путем облучения лития на атомной электростанции Уоттс-Бар, принадлежащей администрации долины Теннесси. [22] В этом процессе производятся выгорающие поглотительные стержни, производящие тритий (TPBAR). ), содержащие литий в керамической форме, вставляются в реактор вместо обычных борных регулирующих стержней [36]. Периодически TPBAR заменяются и тритий извлекается.

В настоящее время только два коммерческих ядерных реактора (блоки 1 и 2 атомной электростанции Уоттс-Бар) используются для производства трития, но при необходимости этот процесс может быть значительно расширен для удовлетворения любого мыслимого спроса, просто за счет использования большего количества национальных энергетических реакторов . нужный ] . Значительные количества трития и гелия-3 также могут быть извлечены из тяжеловодного замедлителя в ядерных реакторах CANDU . [22] [37] Известно , что Индия и Канада, две страны с крупнейшим парком тяжеловодных реакторов , извлекают тритий из тяжелой воды замедлителя/теплоносителя, но этих количеств недостаточно для удовлетворения мирового спроса ни на тритий, ни на гелий. -3.

Поскольку тритий также случайно образуется в различных процессах в легководных реакторах (подробности см. в статье о тритии), извлечение из этих источников может стать еще одним источником гелия-3. Однако если взять за основу ежегодные выбросы трития (по данным за 2018 год) на перерабатывающем заводе в Ла-Гаге , то выбрасываемых объемов (31,2 грамма (1,10 унции) на заводе в Ла-Гаге) недостаточно для удовлетворения спроса, даже если 100% выздоровление может быть достигнуто.

Использование

Спиновое эхо гелия-3

Гелий-3 может быть использован для проведения спин-эхо-экспериментов по динамике поверхности , которые проводятся в Группе физики поверхности Кавендишской лаборатории в Кембридже и на химическом факультете Университета Суонси .

Обнаружение нейтронов

Гелий-3 является важным изотопом в приборах для обнаружения нейтронов . Он имеет высокое сечение поглощения пучков тепловых нейтронов и используется в качестве конвертерного газа в детекторах нейтронов. Нейтрон преобразуется в результате ядерной реакции

n + 3 He → 3 H + 1 H + 0,764 МэВ

на заряженные частицы ионы трития (T, 3 H) и ионы водорода или протоны (p, 1 H), которые затем обнаруживаются путем создания облака заряда в останавливающем газе пропорционального счетчика или трубки Гейгера-Мюллера . [40]

Более того, процесс поглощения сильно зависит от спина , что позволяет спин-поляризованному объему гелия-3 передавать нейтроны с одним спиновым компонентом, поглощая при этом другой. Этот эффект используется в анализе поляризации нейтронов — методе исследования магнитных свойств материи. [41] [42] [43] [44]

Министерство внутренней безопасности США надеялось установить детекторы для обнаружения контрабандного плутония в транспортных контейнерах по выбросам нейтронов, но глобальная нехватка гелия-3 после сокращения производства ядерного оружия со времен холодной войны в некоторой степени помешала этому. [45] По состоянию на 2012 год DHS определило, что коммерческие поставки бора-10 позволят перевести его инфраструктуру обнаружения нейтронов на эту технологию. [46]

Криогеника

Холодильник с гелием-3 использует гелий-3 для достижения температуры от 0,2 до 0,3 Кельвина . Холодильник разбавления использует смесь гелия-3 и гелия-4 для достижения криогенных температур всего в несколько тысячных кельвина . [47]

Медицинская визуализация

Ядра гелия-3 имеют собственный ядерный спин 1/2 и относительно высокое магнитогирическое отношение . Гелий-3 можно гиперполяризовать с помощью неравновесных средств, таких как спин-обменная оптическая накачка. [48] ​​Во время этого процесса инфракрасный лазерный свет с круговой поляризацией , настроенный на соответствующую длину волны, используется для возбуждения электронов в щелочном металле , таком как цезий или рубидий, внутри герметичного стеклянного сосуда. Угловой момент передается от электронов щелочных металлов к ядрам благородных газов посредством столкновений. По сути, этот процесс эффективно выравнивает ядерные спины с магнитным полем, чтобы усилить сигнал ЯМР . Гиперполяризованный газ затем можно хранить при давлении 10 атм до 100 часов. После вдыхания газовые смеси, содержащие гиперполяризованный газ гелий-3, можно визуализировать с помощью МРТ-сканера для получения анатомических и функциональных изображений вентиляции легких. Этот метод также позволяет получать изображения дерева дыхательных путей, определять местонахождение невентилируемых дефектов, измерять парциальное давление альвеолярного кислорода и измерять соотношение вентиляции/перфузии . Этот метод может иметь решающее значение для диагностики и лечения хронических респираторных заболеваний, таких как хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ) , эмфизема , муковисцидоз и астма . [49]

Поглотитель радиоэнергии для плазменных экспериментов в токамаке

И токамак Alcator C-Mod Массачусетского технологического института , и Joint European Torus (JET) экспериментировали с добавлением небольшого количества гелия-3 в H–D-плазму, чтобы увеличить поглощение радиочастотной (РЧ) энергии для нагрева ионов водорода и дейтерия. «трехионный» эффект. [50] [51]

Ядерное топливо

3 He можно получить низкотемпературным синтезом (Дп)2 Н + 1 п → 3 He + γ + 4,98 МэВ. Если температура синтеза ниже температуры, необходимой для слияния ядер гелия, в результате реакции образуется альфа-частица высокой энергии, которая быстро приобретает электрон, образуя стабильный легкий ион гелия, который можно использовать непосредственно в качестве источника электричества, не производя опасных нейтронов.

Скорость реакции синтеза быстро увеличивается с температурой, пока не достигнет максимума, а затем постепенно упадет. Пик скорости DT достигается при более низкой температуре (около 70 кэВ, или 800 миллионов Кельвинов) и при более высоком значении, чем у других реакций, обычно рассматриваемых для энергии термоядерного синтеза.

3 He может использоваться в реакциях синтеза по любой из реакций 2 H + 3 He → 4 He + 1 p + 18,3 МэВ или 3 He + 3 He → 4 He + 2 1 p + 12,86 МэВ.

Обычный процесс синтеза дейтерия + трития («DT») производит энергичные нейтроны, которые делают компоненты реактора радиоактивными продуктами активации . Привлекательность термоядерного синтеза гелия-3 обусловлена ​​анейтронной природой продуктов его реакции. Сам гелий-3 нерадиоактивен. Единственный высокоэнергетический побочный продукт, протон , можно удерживать с помощью электрических и магнитных полей. Энергия импульса этого протона (созданная в процессе термоядерного синтеза) будет взаимодействовать с содержащимся в нем электромагнитным полем, что приведет к прямой генерации электроэнергии. [57]

Из-за более высокого кулоновского барьера температуры, необходимые для синтеза 2 H + 3 He , намного выше, чем для обычного DT-синтеза . Более того, поскольку для слияния оба реагента необходимо смешать, будут происходить реакции между ядрами одного и того же реагента, и реакция DD ( 2 H + 2 H ) действительно производит нейтрон . Скорость реакции зависит от температуры, но скорость реакции D- 3He никогда не превышает скорость реакции DD более чем в 3,56 раза (см. график). Следовательно, термоядерный синтез с использованием топлива D- 3 He при правильной температуре и обедненной D топливной смеси может производить гораздо меньший нейтронный поток, чем DT-синтез, но он не является чистым, что сводит на нет его главную привлекательность.

Вторая возможность, сплавление 3 He с самим собой ( 3 He + 3 He ), требует еще более высоких температур (поскольку теперь оба реагента имеют заряд +2) и, таким образом, даже более трудна, чем реакция D- 3 He . Однако он предлагает возможную реакцию, в которой нейтроны не образуются; образующиеся заряженные протоны можно удерживать с помощью электрических и магнитных полей, что, в свою очередь, приводит к прямому производству электроэнергии. Синтез 3 He + 3 He возможен, как было продемонстрировано в лаборатории, и имеет огромные преимущества, но коммерческая жизнеспособность появится через много лет в будущем. [58]

Количества гелия-3, необходимые для замены обычного топлива, значительны по сравнению с доступными в настоящее время количествами. Общее количество энергии, выделяемой в реакции 2 D + 3 He, составляет 18,4 МэВ , что соответствует примерно 493 мегаватт-часам (4,93×10 8 Вт·ч) на три грамма (один моль ) 3 He . Если бы общее количество энергии можно было преобразовать в электрическую мощность со 100%-ным КПД (физическая невозможность), это соответствовало бы примерно 30 минутам выработки гигаваттной электростанции на моль 3 He . Таким образом, на годовое производство (при 6 граммах на каждый час работы) потребуется 52,5 килограмма гелия-3. Количество топлива, необходимого для крупномасштабных применений, также можно выразить через общее потребление: потребление электроэнергии 107 миллионами домохозяйств в США в 2001 году [59] составило 1140 миллиардов кВт·ч (1,14×10 15 Вт·ч). Опять же, при условии 100% эффективности преобразования, для этого сегмента энергетических потребностей Соединенных Штатов потребуется 6,7 тонны гелия-3 в год, от 15 до 20 тонн в год при более реалистичной сквозной эффективности преобразования. [ нужна цитата ]

Подход второго поколения к управляемому термоядерному синтезу предполагает объединение гелия-3 и дейтерия 2D . В результате этой реакции образуется альфа-частица и протон высокой энергии . Наиболее важное потенциальное преимущество этой реакции синтеза для производства энергии, а также для других применений заключается в ее совместимости с использованием электростатических полей для контроля ионов топлива и протонов термоядерного синтеза. Высокоскоростные протоны, как положительно заряженные частицы, могут преобразовывать свою кинетическую энергию непосредственно в электричество с помощью твердотельных конверсионных материалов, а также других методов. Потенциальная эффективность преобразования может достигать 70%, поскольку нет необходимости преобразовывать энергию протонов в тепло для привода электрического генератора с турбинным приводом . [ нужна цитата ]

Силовые установки He-3

Было много заявлений о возможностях электростанций на гелии-3. По мнению сторонников, термоядерные электростанции, работающие на дейтерии и гелии-3, будут предлагать более низкие капитальные и эксплуатационные затраты , чем их конкуренты, из-за меньшей технической сложности, более высокой эффективности преобразования, меньших размеров, отсутствия радиоактивного топлива, отсутствия загрязнения воздуха или воды и требования по захоронению только низкоактивных радиоактивных отходов. По последним оценкам, для разработки и строительства первой термоядерной электростанции на гелии-3 потребуется около 6 миллиардов долларов инвестиционного капитала . Финансовая безубыточность при сегодняшних оптовых ценах на электроэнергию (5 центов США за киловатт-час ) наступит после того, как пять электростанций мощностью по 1 гигаватту будут введены в эксплуатацию, заменив старые традиционные электростанции или удовлетворив новый спрос. [60]

Реальность не столь однозначна. Самыми передовыми термоядерными программами в мире являются термоядерный синтез с инерционным удержанием (например, National Ignition Facility ) и термоядерный синтез с магнитным удержанием (например, ИТЭР и Вендельштейн 7-X ). В первом случае не существует четкой дорожной карты по производству электроэнергии. В случае последнего коммерческое производство электроэнергии не ожидается примерно до 2050 года. [61] В обоих случаях обсуждаемый тип термоядерного синтеза является самым простым: термоядерный синтез DT. Причиной этого является очень низкий кулоновский барьер для этой реакции; для D+ 3 He барьер значительно выше, а для 3 He– 3 He он еще выше. Огромная стоимость реакторов, таких как ИТЭР и Национальная установка зажигания, во многом обусловлена ​​их огромными размерами, однако для масштабирования до более высоких температур плазмы потребуются реакторы еще большего размера. Протон с энергией 14,7 МэВ и альфа-частица с энергией 3,6 МэВ в результате синтеза D- 3 He, а также более высокая эффективность преобразования означают, что на килограмм получается больше электричества, чем при DT-синтезе (17,6 МэВ), но не намного больше. Еще одним недостатком является то, что скорости реакций синтеза гелия-3 не особенно высоки, что требует реактора еще большего размера или большего количества реакторов для производства того же количества электроэнергии.

Альтернативы He-3

Чтобы попытаться обойти эту проблему огромных электростанций, которые могут оказаться неэкономичными даже при DT-термоядерном синтезе, не говоря уже о гораздо более сложном термоядерном синтезе D- 3 He, был предложен ряд других реакторов - Fusor , Polywell , Focus. и многие другие, хотя многие из этих концепций имеют фундаментальные проблемы с достижением чистого выигрыша в энергии и обычно пытаются достичь термоядерного синтеза в условиях теплового неравновесия, что потенциально может оказаться невозможным, [62] и, следовательно, эти долгосрочные программы имеют тенденцию испытывают проблемы с привлечением финансирования, несмотря на небольшой бюджет. Однако, в отличие от «больших», «горячих» термоядерных систем, если бы такие системы работали, они могли бы масштабироваться до « анейтронного » топлива с более высоким барьером, и поэтому их сторонники склонны продвигать pB-синтез , который не требует никаких экзотических видов топлива, таких как гелий-3.

Инопланетянин

Луна

Материалы на поверхности Луны содержат гелий-3 в концентрациях от 1,4 до 15 частей на миллиард в освещенных солнцем районах [63] [64] и могут содержать концентрации до 50 частей на миллиард в постоянно затененных регионах. [7] Ряд людей, начиная с Джеральда Кульчински в 1986 году, [65] предлагали исследовать Луну , добывать лунный реголит и использовать гелий-3 для термоядерного синтеза . Из-за низкой концентрации гелия-3 любому горнодобывающему оборудованию придется перерабатывать чрезвычайно большие объемы реголита (более 150 тонн реголита для получения одного грамма гелия-3). [66]

В некоторых источниках сообщается , что основной целью первого лунного зонда Индийской организации космических исследований под названием «Чандраян-1» , запущенного 22 октября 2008 года, было картирование поверхности Луны на предмет минералов, содержащих гелий-3. [67] Однако в официальном списке целей проекта такая цель не упоминается, хотя во многих его научных проектах отмечены применения, связанные с гелием-3. [68] [69]

Космохимик и геохимик Оуян Цзыюань из Китайской академии наук , который сейчас отвечает за китайскую программу исследования Луны, уже неоднократно заявлял, что одной из главных целей программы будет добыча гелия-3, на основе которой и будет осуществляться операция». каждый год три полета космических челноков могли бы обеспечить достаточно топлива для всего человечества». [70]

В январе 2006 года российская космическая компания РКК «Энергия» объявила, что считает лунный гелий-3 потенциальным экономическим ресурсом, который будет добыт к 2020 году [71] , если будет найдено финансирование. [72] [73]

Не все авторы считают, что добыча лунного гелия-3 осуществима или даже что на него будет спрос для термоядерного синтеза. Дуэйн Дэй , написавший в The Space Review в 2015 году, характеризует добычу гелия-3 с Луны для использования в термоядерном синтезе как магическое размышление о недоказанной технологии и ставит под сомнение осуществимость добычи на Луне по сравнению с производством на Земле. [74]

Газовые гиганты

Предлагались также добычные газовые гиганты для гелия-3. [75] Например, гипотетический межзвездный зонд проекта «Дедал » Британского межпланетного общества работал на шахтах гелия-3 в атмосфере Юпитера .

Смотрите также

Примечания и ссылки

  1. ^ Галли, Д. (сентябрь 2004 г.). «Космическая сага о 3 He». arXiv : astro-ph/0412380v1 .
  2. ^ Лей, Вилли (октябрь 1966 г.). «Отложенное открытие». Довожу до вашего сведения. Галактическая научная фантастика . стр. 116–127.
  3. ↑ Мэтсон, Джон (12 июня 2009 г.). «Основано ли научно-фантастическое видение MOON о добыче гелия-3 на Луне в реальности?». Scientific American — новостной блог . Проверено 29 августа 2017 г.
  4. ^ Клоуз, Фрэнк (август 2007 г.). «Страхи по поводу фактов» (PDF) . Сервер документов ЦЕРН . Physicsworld.com . Проверено 8 июля 2018 г.
  5. ^ Фа ВэньЧжэ; Цзинь Яцю (декабрь 2010 г.). «Глобальный запас гелия-3 в лунных реголитах, оцененный с помощью многоканального микроволнового радиометра на лунном спутнике Чанг-Э-1».
  6. ^ Слюта, Э.Н.; Абдрахимов А.М.; Галимов Э.М. (12–16 марта 2007 г.). Оценка вероятных запасов гелия-3 в лунном реголите (PDF) . 38-я конференция по науке о Луне и планетах. п. 2175.
  7. ^ ab Cocks, FH (2010). « 3 Он на постоянно затененных лунных полярных поверхностях». Икар . 206 (2): 778–779. Бибкод : 2010Icar..206..778C. дои : 10.1016/j.icarus.2009.12.032.
  8. ^ Олифант, MLE; Хартек, П.; Резерфорд, Э. (1934). «Эффекты трансмутации, наблюдаемые с тяжелым водородом». Труды Королевского общества А. 144 (853): 692–703. Бибкод : 1934RSPSA.144..692O. дои : 10.1098/rspa.1934.0077 . JSTOR  2935553.
  9. ^ Альварес, Луис; Корног, Роберт (1939). «Гелий и водород массы 3». Физический обзор . 56 (6): 613. Бибкод : 1939PhRv...56..613A. doi : 10.1103/PhysRev.56.613.
  10. ^ Альварес, Луис В.; Питер Троуэр, W (1987). Открытие Альвареса: избранные работы Луиса В. Альвареса с комментариями его учеников и коллег . Издательство Чикагского университета. стр. 26–30. ISBN 978-0-226-81304-2.
  11. ^ «Лоуренс и его лаборатория: Эпизод: Продуктивная ошибка». Публикация в журнале новостей. 1981. Архивировано из оригинала 10 мая 2017 г. Проверено 1 сентября 2009 г.
  12. ^ Краткое изложение свойств криогена Терагоном Teragon Research, 2005 г.
  13. ^ Чейз, CE; Циммерман, ГО (1973). «Измерения PVT и критических индексов He 3 ». Журнал физики низких температур . 11 (5–6): 551. Бибкод : 1973JLTP...11..551C. дои : 10.1007/BF00654447. S2CID  123038029.
  14. ^ Ошеров, Д.Д.; Ричардсон, Колорадо; Ли, DM (1972). «Доказательства новой фазы твердого He3». Письма о физических отзывах . 28 (14): 885–888. Бибкод : 1972PhRvL..28..885O. doi : 10.1103/PhysRevLett.28.885 .
  15. ^ Ошеров, Д.Д.; Галли, штат Вашингтон; Ричардсон, Колорадо; Ли, DM (1972). «Новые магнитные явления в жидком He 3 при температуре ниже 3 мК». Письма о физических отзывах . 29 (14): 920–923. Бибкод : 1972PhRvL..29..920O. doi : 10.1103/PhysRevLett.29.920.
  16. ^ Леггетт, AJ (1972). «Интерпретация недавних результатов по He 3 ниже 3 мК: новая жидкая фаза?». Письма о физических отзывах . 29 (18): 1227–1230. Бибкод : 1972PhRvL..29.1227L. doi : 10.1103/PhysRevLett.29.1227.
  17. ^ аб Виттенберг, 1994 г.
  18. ^ аб Олдрич, LT; Ниер, Альфред О. Phys. Откровение 74, 1590 – 1594 (1948). Присутствие He3 в природных источниках гелия. Страница 1592, Таблицы I и II.
  19. ^ Холден, Нормен Э. 1993. Изменение содержания изотопов гелия в природе. копия статьи БНЛ-49331 «Таблица II. 3 He Содержание природного газа… 3 He в ppm… Олдрич 0,05 – 0,5… Сано 0,46 – 22,7», «Таблица V. … Воды.. . 3 He в ppm ... 1,6 – 1,8 Восточная часть Тихого океана ... 0,006 – 1,5 Меловая река Манитоба ... 164 Японское море » (Олдрич измерял гелий из скважин США, Сано - из тайваньского газа: Сано, Юдзи; Вакита, Хироши ) ; Хуанг, Чин-Ван (сентябрь 1986 г.). «Поток гелия в континентальной части суши оценивается по соотношению 3 He / 4 He на севере Тайваня». Nature . 323 (6083): 55–57. Бибкод : 1986Natur.323.. .55S.doi : 10.1038 /323055a0. ISSN  1476-4687. S2CID  4358031.)
  20. ^ Периодическая таблица WebElements: Профессиональная версия: Гелий: ключевая информация. Webelements.com. Проверено 8 ноября 2011 г.
  21. ^ abc Smith, DM «любая концентрация гелия выше примерно 0,2 процента считается заслуживающей изучения» ... «Правительство США все еще владеет примерно 1 миллиардом нм 3 запасов гелия», «Ближний Восток и Северная Африка ... многие из них очень крупные, богатые гелием (до 0,5 процента) месторождения природного газа» (Смит использует нм 3 для обозначения «нормального кубического метра », в других местах называемого «кубическим метром в NTP »)
  22. ^ abcde Ши, Дана А.; Морган, Дэниел (22 декабря 2010 г.). Дефицит гелия-3: предложение, спрос и варианты для Конгресса (PDF) (Отчет). Исследовательская служба Конгресса . 7-5700.
  23. ^ Дэвидсон, Томас А.; Эмерсон, Дэвид Э. (1990). Метод и аппарат для прямого определения гелия-3 в природном газе и гелии (Отчет). Горное бюро Министерства внутренних дел США . Отчет о расследовании 9302.
  24. ^ Смит, Лесли; Тренберт, Кевин Э. (2005). «Масса атмосферы: ограничение глобального анализа». Журнал климата . 18 (6): 864–875. Бибкод : 2005JCli...18..864T. дои : 10.1175/JCLI-3299.1 . S2CID  16754900.
  25. ^ Виттенберг 1994 с. 3, табл. 1; п. 9.
  26. ^ Виттенберг, 1994 г., страница A-1 со ссылкой на Андерсона 1993 г., «1200 метрических тонн»
  27. ^ Виттенберг, 1994, стр. A-4 "1 кг ( 3 He), мощность накачки составит 1,13 × 106 МВт в год... термоядерная энергия... 19 МВт в год"
  28. ^ Ниманн, Хассо Б.; Атрея, Сушил К.; Кариньян, Джордж Р.; Донахью, Томас М.; Хаберман, Джон А.; Гарпольд, Дэн Н.; Хартл, Ричард Э.; Хантен, Дональд М.; и другие. (1996). «Масс-спектрометр зонда Галилео: состав атмосферы Юпитера». Наука . 272 (5263): 846–9. Бибкод : 1996Sci...272..846N. дои : 10.1126/science.272.5263.846. PMID  8629016. S2CID  3242002.
  29. ^ «Разработка и производство изотопов для исследований и применений (IDPRA)» . Управление науки Министерства энергетики США . 18 октября 2018 года . Проверено 11 января 2019 г.
  30. ^ Лукас, LL и Унтервегер, член парламента (2000). «Комплексный обзор и критическая оценка периода полураспада трития». Журнал исследований Национального института стандартов и технологий . 105 (4): 541–549. дои : 10.6028/jres.105.043. ПМЦ 4877155 . ПМИД  27551621. 
  31. ^ Паспорт безопасности нуклидов: Водород-3. ehso.emory.edu
  32. ^ Тритиевое предприятие Саванны Ривер: Информационный бюллетень
  33. ^ Производство трития на ускорителе Чармиана Шаллера - это может означать 40 лет работы. Лос-Аламос Монитор. 1 марта 1998 г.
  34. ^ Наука для демократических действий Том. 5 № 1. ИЭОР. Проверено 8 ноября 2011 г.;
  35. ^ Физические проекты сдуваются из-за нехватки гелия-3. Spectrum.ieee.org. Проверено 8 ноября 2011 г.
  36. ^ Комиссия по ядерному регулированию производства трития, 2005.
  37. ^ CA 2810716, Сур, Бхаскар; Родриго, Лакшман и Дидсбери, Ричард, «Система и метод сбора газа 3 He из тяжеловодных ядерных реакторов», опубликовано 30 сентября 2013 г., выпущено в 2013 г.  Архивировано 23 декабря 2015 г. в Wayback Machine.
  38. ^ «Основная политика обращения с очищенной водой ALPS» (PDF) . Министерство экономики, торговли и промышленности. 13 апреля 2021 г.
  39. ^ «2020년도 원전주변 환경방사능 조사 및 평가보고서» [Отчет о радиационном обследовании и оценке окружающей среды вокруг атомной электростанции за 2020 год]. Корейская гидро- и атомная энергетика. 26 апреля 2021 г. с. 25.(таблица 8)
  40. ^ Модульный детектор нейтронов | Лето 2003 | Национальная лаборатория Лос-Аламоса. Архивировано 3 мая 2008 г. в Wayback Machine . Lanl.gov. Проверено 8 ноября 2011 г.
  41. ^ Нейтронные спиновые фильтры NCNR. Ncnr.nist.gov (28 апреля 2004 г.). Проверено 8 ноября 2011 г.
  42. ^ 3He-спин-фильтры / ILL 3He-спин-фильтры [ постоянная мертвая ссылка ] . Ill.eu (22 октября 2010 г.). Проверено 8 ноября 2011 г.
  43. ^ Джентиле, ТР; Джонс, Г.Л.; Томпсон, АК; Баркер, Дж.; Глинка, CJ; Хаммуда, Б.; Линн, JW (2000). «Анализ поляризации SANS с ядерным спин-поляризованным 3He» (PDF) . Дж. Прил. Кристаллогр . 33 (3): 771–774. дои : 10.1107/S0021889800099817.
  44. ^ Нейтронные спиновые фильтры: поляризованный 3He. NIST.gov
  45. ^ Уолд, Мэтью Л.. (22 ноября 2009 г.) 3Helium.html?partner=rss&emc=rss Детекторы ядерных бомб остановились из-за нехватки материалов. Nytimes.com. Проверено 8 ноября 2011 г.
  46. ^ «Офис науки» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 26 июля 2014 г. Проверено 18 июля 2014 г.
  47. ^ Охлаждение с разбавлением. cern.ch
  48. ^ Ливудс, Джейсон С.; Яблонский Дмитрий А.; Саам, Брайан; Джерада, Дэвид С.; Конради, Марк С. (2001). «Производство гиперполяризованного газа 3 He и МРТ легких». Концепции магнитного резонанса . 13 (5): 277–293. CiteSeerX 10.1.1.492.8128 . дои : 10.1002/cmr.1014. 
  49. ^ Альтес, Талисса; Салерно, Майкл (2004). «Гиперполяризованная газовая визуализация легких». J Визуализация грудной клетки . 19 (4): 250–258. дои : 10.1097/01.rti.0000142837.52729.38. ПМИД  15502612.
  50. ↑ Массачусетский технологический институт добился прорыва в области ядерного синтеза, август 2017 г.
  51. ^ Казаков, Е. О.; и другие. (19 июня 2017 г.). «Эффективная генерация энергичных ионов в многоионной плазме путем радиочастотного нагрева». Физика природы . 13 (10): 973–978. Бибкод : 2017NatPh..13..973K. дои : 10.1038/nphys4167. hdl : 1721.1/114949 . S2CID  106402331.
  52. ^ "Инерционный электростатический термоядерный синтез" . Проверено 6 мая 2007 г.
  53. ^ «Ядерное деление и синтез». Архивировано из оригинала 4 апреля 2007 г. Проверено 6 мая 2007 г.
  54. ^ «Реакция синтеза». Архивировано из оригинала 31 июля 2013 г. Проверено 6 мая 2007 г.
  55. ^ Джон Сантариус (июнь 2006 г.). «Стратегия развития D – 3He» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 3 июля 2007 г. Проверено 6 мая 2007 г.
  56. ^ «Ядерные реакции» . Проверено 6 мая 2007 г.
  57. ^ Джон Сантариус (28 сентября 2004 г.). «Лунный 3He и термоядерная энергия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 3 июля 2007 г. Проверено 6 мая 2007 г.
  58. ↑ Марк Уильямс (23 августа 2007 г.). «Добыча Луны: лабораторные эксперименты предполагают, что будущие термоядерные реакторы могут использовать гелий-3, собранный с Луны». Обзор технологий Массачусетского технологического института . Проверено 25 января 2011 г.
  59. ^ Дата Управления энергетической информации США.
  60. ^ Пол ДиМаре (октябрь 2004 г.). «Добыча Луны». Популярная механика . Архивировано из оригинала 14 августа 2007 г. Проверено 6 мая 2007 г.
  61. ^ «ИТЭР и не только». Архивировано из оригинала 20 мая 2009 г. Проверено 4 августа 2009 г.
  62. ^ Тодд Райдер. «Общая критика термоядерных систем с инерционно-электростатическим удержанием». hdl : 1721.1/29869.
  63. ^ Исследовательские проекты FTI :: Лунная добыча 3He. Архивировано 4 сентября 2006 г. в Wayback Machine . Fti.neep.wisc.edu. Проверено 8 ноября 2011 г.
  64. ^ Э. Н. Слюта; А.М. Абдрахимов; ЭМ Галимов (2007). «Оценка вероятных запасов гелия-3 в лунном реголите» (PDF) . Наука о Луне и планетах XXXVIII (1338): 2175. Бибкод : 2007LPI....38.2175S.
  65. ↑ Эрик Р. Хедман (16 января 2006 г.). «Увлекательный час с Джеральдом Кульчински». Космический обзор .
  66. ^ И. Н. Святославский (ноябрь 1993 г.). «Задача добычи He-3 на поверхности Луны: как все части сочетаются друг с другом» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 20 января 2019 г. Проверено 4 марта 2008 г.Технический отчет Висконсинского центра космической автоматизации и робототехники WCSAR-TR-AR3-9311-2.
  67. ^ «Имея в виду He-3, Индия готовится к лунной миссии» . Таймс оф Индия . 19 сентября 2008 г.
  68. ^ Научный архив. Архивировано 12 октября 2009 г. в Wayback Machine . Isro.org (11 ноября 2008 г.). Проверено 8 ноября 2011 г.
  69. ^ Luna C/I:: Функция полезной нагрузки Chandrayaan-1 № 2: Анализатор отражения атомов субкеВ (SARA). Luna-ci.blogspot.com (12 ноября 2008 г.). Проверено 8 ноября 2011 г.
  70. ↑ Он попросил луну — и получил ее. Chinadaily.com.cn (26 июля 2006 г.). Проверено 8 ноября 2011 г.
  71. ^ Российский ракетостроитель планирует построить базу на Луне к 2015 году, говорится в сообщениях. Ассошиэйтед Пресс (через space.com). 26 января 2006 г.
  72. ↑ Джеймс Оберг (6 февраля 2006 г.). «Moonscam: Русские пытаются продать Луну за иностранную валюту».
  73. ↑ Дуэйн А. Дэй (5 марта 2007 г.). «Смертельные муки и великие заблуждения». Космический обзор .
  74. ↑ Дэй, Дуэйн (28 сентября 2015 г.). «Заклинание гелия-3». Космический обзор . Проверено 11 января 2019 г. Вера в добычу гелия-3 является отличным примером мифа, который был включен в более широкий энтузиазм по поводу полетов человека в космос, магического заклинания, о котором шепчут, но редко обсуждают на самом деле.
  75. ^ Брайан Палашевски. «Атмосферная добыча во внешней Солнечной системе» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 27 марта 2009 г.Технический меморандум НАСА 2006-214122. АИАА–2005–4319. Подготовлено для 41-й совместной конференции и выставки по двигательной технике, спонсируемой AIAA, ASME, SAE и ASEE, Тусон, Аризона, 10–13 июля 2005 г.

Библиография

Внешние ссылки