Гелий-3

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Гелий-3
Общие сведения
Название, символ Гелий-3, 3He
Нейтронов 1
Протонов 2
Свойства нуклида
Атомная масса 3,0160293191(26)[1] а. е. м.
Избыток массы 14 931,2148(24)[1] кэВ
Удельная энергия связи (на нуклон) 2 572,681(1)[1] кэВ
Изотопная распространённость 0,000137(3)[2] %
Период полураспада стабильный[2]
Родительские изотопы 3H (β)
Спин и чётность ядра 1/2+[2]

Гелий-3 — более лёгкий из двух стабильных изотопов гелия.

Состав и строение[править | править вики-текст]

Ядро гелия-3(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.)[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 — 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 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 содержит 0,01 г гелия-3 и 28 г гелия-4; это изотопное соотношение (~0,04 %) значительно выше, чем в земной атмосфере.

Открытие[править | править вики-текст]

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.

Физические свойства[править | править вики-текст]

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).

Жидкий гелий-3[править | править вики-текст]

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 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.[3]

Использование[править | править вики-текст]

Счётчики нейтронов[править | править вики-текст]

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.

Получение сверхнизких температур[править | править вики-текст]

Путём растворения жидкого гелия-3 в гелии-4 достигают милликельвиновых температур.

Медицина[править | править вики-текст]

Поляризованный гелий-3 (он может долго храниться) недавно начал использоваться в магнитно-резонансной томографии для получения изображения лёгких с помощью ядерного магнитного резонанса.

Стоимость[править | править вики-текст]

Средняя цена гелия-3 в 2009 году составила 930 USD за литр[4].

Гелий-3 как ядерное топливо[править | править вики-текст]

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:

  1. В десятки раз более низкий поток нейтронов из зоны реакции, что резко уменьшает наведённую радиоактивность и деградацию конструкционных материалов реактора;
  2. Получаемые протоны, в отличие от нейтронов, легко улавливаются 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.

К недостаткам гелий-дейтериевой реакции следует отнести значительно более высокий температурный порог. Необходимо достигнуть температуры приблизительно в миллиард кельвинов, 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.

Планы добычи гелия-3 на Луне[править | править вики-текст]

Гелий-3 является побочным продуктом реакций, протекающих на Солнце.

Другое дело — Луна, у которой нет атмосферы. В результате этого ценного вещества там находится до 10 млн тонн (по минимальным оценкам — 500 тысяч тонн[5]). При термоядерном синтезе, когда в реакцию вступает 1 тонна гелия-3 с 0,67 тоннами дейтерия, высвобождается энергия, эквивалентная сгоранию 15 млн тонн нефти[6] (однако на настоящий момент не изучена техническая возможность осуществления данной реакции). Следовательно, населению нашей планеты лунного ресурса гелия-3 должно хватить примерно на пять тысячелетий[7]. 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.

В художественной литературе[править | править вики-текст]

В фантастических произведениях (играх, фильмах, аниме) гелий-3 иногда выступает в качестве основного топлива и как ценный ресурс, добываемый в том числе на Луне.

Основой сюжета британского научно-фантастического фильма 2009 года «Луна 2112», является работа горнодобывающего комплекса компании «Лунар». Комплекс обеспечивает добычу изотопа гелий-3, с помощью которого удалось остановить катастрофический энергетический кризис на Земле.

В комедийном боевике «Железное небо» гелий-3, полученный из реголита, использовался в качестве топлива для межпланетных цеппелинов

Примечания[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]

  • 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: Луна может стать неисчерпаемым источником энергии, если использовать доставленный с её поверхности гелий-3. - Редкие земли. 2014. № 2. С. 6-12.