Гелий-3, свойства, получение и применение

15.04.201930.04.2023 Виктор Потехин

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 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. Вокруг ядра гелия-3 вращаются два электрона.

Последний (⁴He) является более распространенным: на него, собственно, приходятся 99,999863 % 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

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

Коэффициент востребованности 3 604