Гелий-3
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
| Гелий-3 (3He) | |
|---|---|
| Является изотопом | гелия |
| Атомная масса | 3,016 а. е. м. |
| Период полураспада | стабильный |
| Количество протонов и нейтронов в ядре | p2; n1 |
Гелий-3 — самый лёгкий из изотопов гелия, один из двух его стабильных изотопов.
Содержание |
[править] Состав и строение
Ядро гелия-3 (гелион) состоит из двух протонов и одного нейтрона, в отличие от гелия-4, имеющего в составе по два протона и нейтрона. Природная изотопная распространённость гелия-3 составляет 0,000137 % (в атмосфере Земли; в других резервуарах она может очень сильно отличаться в результате природного фракционирования и т. п.). Общее содержание гелия-3 в атмосфере Земли оценивается всего 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 — это ядро гелия-4). В отличие от более тяжёлого изотопа, гелий-3 не появляется в процессах радиоактивного распада (за исключением распада космогенного трития). Бо́льшая часть гелия-3 на Земле сохранилась со времён её образования. Он растворён в мантии и постепенно поступает в атмосферу; считается, что его изотопная распространённость в мантии составляет 200—300 частей на миллион частей гелия-4, то есть на 2 порядка больше, чем в атмосфере. Однако его поступление из мантии в атмосферу (через вулканы и разломы в коре) оценивается всего в несколько кг 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 содержит 0,01 г гелия-3 и 28 г гелия-4; это изотопное соотношение (~0,04 %) значительно выше, чем в земной атмосфере.
[править] Открытие
Существование гелия-3 было предположено австралийским ученым Марком Олифантом во время работы в Кембриджском университете в 1934. Окончательно открыли этот изотоп Луис Альварес и Роберт Корног в 1939.
[править] Физические свойства
Атомная масса гелия-3 равна 3,016 (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 она равна 124,73 г/л, в 2 раза больше. Удельная теплота испарения равна 26 Дж/моль (у гелия-4 — 82,9 Дж/моль).
[править] Жидкий гелий-3
Квантовая жидкость, существенно отличающаяся по свойствам от жидкого гелия-4. См. также Сверхтекучесть. 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. За открытие сверхтекучести гелия-3 в 1996 г. была присуждена Нобелевская премия по физике Дугласу Ошерову, Роберту Ричардсону и Дэвиду Ли. В 2003 году Нобелевской премией по физике отмечены Алексей Алексеевич Абрикосов, Виталий Лазаревич Гинзбург и Энтони Леггет, в том числе и за создание теории сверхтекучести жидкого гелия-3. [1]
[править] Использование
[править] Счётчики нейтронов
Газовые счётчики, наполненные гелием-3, используются для детектирования нейтронов. Это наиболее распространённый метод измерения нейтронного потока. В них 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.
[править] Получение сверхнизких температур
Путём растворения жидкого гелия-3 в гелии-4 достигают милликельвиновых температур.
[править] Медицина
Поляризованный гелий-3 (он может долго храниться) недавно начал использоваться в магнитно-резонансной томографии для получения изображения лёгких с помощью ядерного магнитного резонанса.
[править] Гелий-3 как ядерное топливо
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:
- На порядки более низкий поток нейтронов из зоны реакции, что резко уменьшает наведённую радиоактивность и деградацию конструкционных материалов реактора;
- Получаемые протоны, в отличие от нейтронов, легко улавливаются и могут быть использованы для дополнительной генерации электроэнергии;
- Исходные материалы для синтеза неактивны и их хранение не требует особых мер предосторожности;
- При аварии реактора с разгерметизацией активной зоны радиоактивность выброса близка к нулю.
К недостаткам гелий-дейтериевой реакции следует отнести значительно более высокий температурный порог. Необходимо достигнуть миллиард градусов, чтобы она могла начаться.
В настоящее время гелий-3 не добывается из природных источников, а создаётся искусственно, при распаде трития. Последний производился для термоядерного оружия путём облучения бора-10 и лития-6 в ядерных реакторах.
[править] Планы добычи гелия-3 на Луне
Гелий-3 является побочным продуктом реакций, протекающих на Солнце. На Земле его добывают в очень небольших количествах, исчисляемых несколькими десятками граммов за год.
Другое дело — Луна, у которой нет атмосферы. В результате чего ценного вещества там находится до 10 млн тонн (по минимальным оценкам — 500 тысяч тонн[2]), в то время как на Земле его запасы оцениваются в 500—1000 килограмм.
При термоядерном синтезе, когда в реакцию вступает 1 тонна гелия-3 с 0,67 тоннами дейтерия, высвобождается энергия, эквивалентная сгоранию 15 млн т. нефти (однако на настоящий момент не изучена техническая возможность осуществления данной реакции). Как сообщил президент РКК «Энергия» Н. Н. Севастьянов, «Постоянную станцию на Луне мы планируем создать уже к 2015 году, а с 2020 года может начаться промышленная добыча на спутнике Земли редкого изотопа — гелия-3»
Исходя из чего, населению нашей планеты лунного ресурса гелия-3 должно хватить как минимум на ближайшее тысячелетие. Основной проблемой 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 не менее 100 млн тонн грунта.
Продажная цена на гелий-3 компании Спектра (Spectra) составляет $825 за 5 литров[3], что в пересчёте на граммы, означает приблизительно $1200 за грамм ($1,2 млрд за тонну, хотя на данный момент вряд ли возможна продажа такого количества по данной цене).
[править] Критика планов добычи гелия-3 на Луне
В то же время критики планов добычи гелия-3 на Луне, не оспаривая его достоинства как термоядерного топлива, отмечают следующие обстоятельства:
- Себестоимость производства гелия-3 с помощью синтеза на ядерных реакторах деления (через тритий) намного ниже космической;
- Критики глубоко заблуждаются: производство через тритий энергетически существенно дороже,
как и шесть других возможных в принципе способов получения He3. Источник - И.Н.Головин, препринт ИАЭ им.Курчатова, 1992.
- Существующие методы вывода тяжёлых грузов на орбиту недостаточно надёжны и экологически небезопасны, что может привести к сильному разрушению озонового слоя и загрязнению атмосферы и земной поверхности остатками ракетного топлива и продуктами его сгорания, а также отработанными ракетными ступенями и потерпевшими аварию головными частями;
- Реализация длительной, крайне дорогостоящей и плохо поддающейся аудиту лунной программы может привести к неоправданному перерасходу и даже расхищению огромных денежных средств.
Вместо этого ряд специалистов предлагает разработать программу дешёвого и эффективного производства необходимого объёма гелия-3 из широко распространённого в природе лития-6 на существующих атомных электростанциях.
[править] В фантастике
В игре Mass Effect человечество использовало гелий-3 как основное топливо.
[править] Примечания
- ↑ Сверхтекучий ³He: ранняя история глазами теоретика — нобелевская лекция Э. Дж. Леггетта, УФН, т. 174, № 11, 2003 г.
- ↑ 3D News Колонизация Солнечной системы отменяется (4 марта 2007). Проверено 26 мая 2007.
- ↑ Spectra Spectra Gases. Catalog of products. Проверено 27 мая 2007.
