Гелий-3, свойства, получение и применение


Гелий-3, свойства, получение и применение.

 

 

Гелий-3, 3He является редким изотопом. Он имеет перспективное применение в будущем в качестве топлива в термоядерных реакторах.

 

Гелий-3

Свойства гелия-3

Получение гелия-3

Применение гелия-3

Гелий-3 как топливо в термоядерном реакторе

Преимущества гелия-3 как топлива

 




Гелий-3:

Гелий-3 – более легкий из двух стабильных изотопов гелия. Химическая формула гелия-3 – 3He.

Ядро гелия-3 (гелион) состоит из двух протонов и одного нейтрона, в отличие от гелия-4 (4He), имеющего в составе два протона и два нейтрона.

Последний (4He) является более распространенным: на него, собственно, приходятся 99,99986 % гелия на Земле. На гелий-3 (3He) приходится 0,000137(3) % гелия на Земле.

Гелий-3 как частица относится к фермионам, т.к. имеет полуцелый спин.

Гелий-3 в основном содержится в атмосфере Земли, в природном газе (до 0,5%), а также в мантии планеты. Общее количество гелия-3 в атмосфере Земли оценивается порядка в 35 000 тонн.

На Солнце и в атмосферах планет-гигантов гелия-3 значительно больше, чем в атмосфере Земли.

 


Свойства гелия-3:

Наименование характеристики: Значение:
Атомная масса, а. е. м. 3,0160293191(26)
Дефект массы, кэВ 14 931,2148(24)
Удельная энергия связи (на нуклон), кэВ 2 572,681(1)
Изотопная распространённость, % 0,000137(3)
Период полураспада стабильный
Спин и чётность ядра 1/2+
Момент импульса 1/2
Плотность жидкого 3He при температуре кипения и нормальном давлении (101 325 Па), г/л 59
Плотность газообразного 3He при нормальных условиях (T = 273,15 K = 0 °C, P = 101 325 Па), г/л 0,1346
Температура кипения, К 3,19
Критическая точка, К 3,35
Удельная теплота испарения, Дж/моль 26
Объем одного грамма 3He при нормальных условиях (T = 273,15 K = 0 °C, P = 101 325 Па), литров 7,43
Сверхтекучее состояние при температурах ниже 2,6 мК и при давлении 34 атм.

 


Получение гелия-3:

В настоящее время гелий-3 не добывается из природных источников.

Его получают при распаде искусственно созданного трития, бомбардируя нейтронами литий-6 в ядерном реакторе. Таким способом можно можно получать до 18 кг гелия-3 в год.

Ввиду с растущей нехваткой гелия-3 рассматриваются такие экономически нецелесообразные возможности его производства, как получение в водных ядерных реакторах, выделение из продуктов работы тяжеловодных ядерных реакторов, производство трития или гелия-3 на ускорителях частиц, экстракция естественного гелия-3 из природного газа или атмосферы.

Существует также современная идея добычи гелия-3 на Луне, где его находится миллионы тонн в лунном грунте – реголите. Тонна лунного грунта (в тончайшем приповерхностном слое) содержит порядка 0,01 г гелия-3 и 28 г гелия-4.  Данная изотопная распространенность гелия-3 на Луне (~0,043 %) значительно выше, чем в земной атмосфере. В лунном грунте гелий-3 накопился в течение многих лет за счет облучения поверхности Луны солнечным ветром, в котором он содержится. Для извлечения гелия-3 из лунного грунта последний необходимо нагреть до нескольких сотен градусов Цельсия.

 


Применение гелия-3:

– для наполнения газовых счетчиков-детекторов нейтронов,

– в научных лабораториях для получения сверхнизких милликельвиновых температур (около 0,02 К) путем растворения жидкого гелия-3 в гелии-4,

– как термоядерное топливо в термоядерном реакторе (в будущем).

 

Гелий-3 как топливо в термоядерном реакторе:

Гелий-3 является отличным сырьем для протекания реакции термоядерного синтеза, в отличии от реакций ядерного распада. К сожалению, термоядерный реактор на основе гелия-3 является предметом научных разработок и его появление не ожидается в ближайшем будущем.

Ядерная реакция с гелием-3 выглядит следующим образом:

3He + 3He → 4He + 2p + 12,8 МэВ,
3He + D → 4He + p + 8,35 МэВ,

где D – дейтерий, p – протон.

В результате данной термоядерной реакции образуется стабильный изотоп гелия-4 (4He), протон и большое количество энергии. В то время как в ходе ядерной реакции распада образуются нейтроны, которые глубоко проникают в окружающие конструкционные материалы, делают их радиоактивными и разрушают их. В итоге такие материалы необходимо периодически (через несколько лет) захоранивать и заменять новыми. Протоны, которые образуются в результате реакции термоядерного синтеза с участием гелия-3, наоборот, глубоко не проникают в окружающие материалы и не наводят радиоактивность. Поэтому такие материалы и конструкции могут служить десятилетиями.

В целом вышеописанная реакция сопровождается радиацией, но она (реакция) в 50 раз менее радиоактивна, чем термоядерная реакция, например, дейтерия с тритием.

Ядерная реакция дейтерия с тритием описывается следующим образом:

2H + 3H → 4He + n + 17,6 МэВ,

где 2H – дейтерий, 3H – тритий, n – нейтрон.

Недостатком реакции дейтерия с тритием является то, что тритий сам по себе сильно радиоактивен. Во-вторых, в ходе такой реакции возникает сильное нейтронное излучение.

Энергетическая эффективность гелия-3 как топлива в термоядерном синтезе весьма огромна. Так, 1 тонна гелия-3 заменяет порядка 15-20 миллионов тонн нефти. Ежегодная потребность России в гелии-3 составляет порядка 20-30 тонн, а всего человечества – 200 тонн.

 


Преимущества гелия-3 как топлива:

– это экологически чистое термоядерное топливо, сам по себе гелий-3 нерадиоактивен и его хранение не требует особых мер предосторожности,

– высокая энергетическая эффективность,

– вместо нейтронов реактор на гелии-3 излучает протоны, которые в отличие от нейтронов, легко улавливаются и могут быть использованы для дополнительной генерации электроэнергии, например, в МГД-генераторе,

– кинетическая энергия протонов напрямую преобразуется в электричество за счет твердотельного преобразования,

– реактор на основе гелия-3 имеет более низкие эксплуатационные затраты, чем традиционный,

– при аварии реактора с разгерметизацией активной зоны радиоактивность выброса близка к нулю.

 

Таблица химических элементов Д.И. Менделеева

 

  1. 1. Водород
  2. 2. Гелий
  3. 3. Литий
  4. 4. Бериллий
  5. 5. Бор
  6. 6. Углерод
  7. 7. Азот
  8. 8. Кислород
  9. 9. Фтор
  10. 10. Неон
  11. 11. Натрий
  12. 12. Магний
  13. 13. Алюминий
  14. 14. Кремний
  15. 15. Фосфор
  16. 16. Сера
  17. 17. Хлор
  18. 18. Аргон
  19. 19. Калий
  20. 20. Кальций
  21. 21. Скандий
  22. 22. Титан
  23. 23. Ванадий
  24. 24. Хром
  25. 25. Марганец
  26. 26. Железо
  27. 27. Кобальт
  28. 28. Никель
  29. 29. Медь
  30. 30. Цинк
  31. 31. Галлий
  32. 32. Германий
  33. 33. Мышьяк
  34. 34. Селен
  35. 35. Бром
  36. 36. Криптон
  37. 37. Рубидий
  38. 38. Стронций
  39. 39. Иттрий
  40. 40. Цирконий
  41. 41. Ниобий
  42. 42. Молибден
  43. 43. Технеций
  44. 44. Рутений
  45. 45. Родий
  46. 46. Палладий
  47. 47. Серебро
  48. 48. Кадмий
  49. 49. Индий
  50. 50. Олово
  51. 51. Сурьма
  52. 52. Теллур
  53. 53. Йод
  54. 54. Ксенон
  55. 55. Цезий
  56. 56. Барий
  57. 57. Лантан
  58. 58. Церий
  59. 59. Празеодим
  60. 60. Неодим
  61. 61. Прометий
  62. 62. Самарий
  63. 63. Европий
  64. 64. Гадолиний
  65. 65. Тербий
  66. 66. Диспрозий
  67. 67. Гольмий
  68. 68. Эрбий
  69. 69. Тулий
  70. 70. Иттербий
  71. 71. Лютеций
  72. 72. Гафний
  73. 73. Тантал
  74. 74. Вольфрам
  75. 75. Рений
  76. 76. Осмий
  77. 77. Иридий
  78. 78. Платина
  79. 79. Золото
  80. 80. Ртуть
  81. 81. Таллий
  82. 82. Свинец
  83. 83. Висмут
  84. 84. Полоний
  85. 85. Астат
  86. 86. Радон
  87. 87. Франций
  88. 88. Радий
  89. 89. Актиний
  90. 90. Торий
  91. 91. Протактиний
  92. 92. Уран
  93. 93. Нептуний
  94. 94. Плутоний
  95. 95. Америций
  96. 96. Кюрий
  97. 97. Берклий
  98. 98. Калифорний
  99. 99. Эйнштейний
  100. 100. Фермий
  101. 101. Менделеевий
  102. 102. Нобелий
  103. 103. Лоуренсий
  104. 104. Резерфордий
  105. 105. Дубний
  106. 106. Сиборгий
  107. 107. Борий
  108. 108. Хассий
  109. 109. Мейтнерий
  110. 110. Дармштадтий
  111. 111. Рентгений
  112. 112. Коперниций
  113. 113. Нихоний
  114. 114. Флеровий
  115. 115. Московий
  116. 116. Ливерморий
  117. 117. Теннессин
  118. 118. Оганесон

 

Таблица химических элементов Д.И. Менделеева

 

Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com

 





Найти что-нибудь еще?










Похожие записи:



карта сайта

реакция дейтерий сверхтекучий жидкий синтез газ гелий 3 на луне википедия на земле образуется на солнце добыча купить
содержание формула изотоп запасы реакции синтеза масса ядра добыча плотность гелия 3 в гелии цена на луне применение