Гелий-3

У этого термина существуют и другие значения, см. Гелий (значения).

Гелий-3 Таблица нуклидов
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 — самый лёгкий из стабильных изотопов гелия.

Состав и строение

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 килограмм 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

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

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

См. также: Сверхтекучесть#Сверхтекучесть в жидком гелии-3

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

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.

Получение сверхнизких температур

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

Медицина

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

Стоимость

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

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:

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^{[источник не указан 190 дней]}.

К недостаткам гелий-дейтериевой реакции следует отнести значительно более высокий температурный порог. Необходимо достигнуть температуры приблизительно в миллиард градусов, чтобы она могла начаться^{[источник не указан 1175 дней]}.

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

Гелий-3 является побочным продуктом реакций, протекающих на Солнце.^{[источник не указан 554 дня]} На Земле его добывают в очень небольших количествах, исчисляемых несколькими десятками граммов за год.

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 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.

В фантастике

• В игре Mass Effect человечество использовало гелий-3 как основное топливо.
• В игре EVE Online раса Амарр добывает гелий-3 из космического льда и использует его как топливо для своих звездных баз, а также для прыжковых двигателей.
• В аниме Planetes люди добывают гелий-3 на Луне и будут использовать его в качестве топлива на корабле «Фон Браун», который отправится к Юпитеру.
• В аниме Moonlight Mile люди строят станцию на Луне для добычи гелия-3.
• В фильме Луна 2112 ведется промышленная добыча гелия-3 на Луне, для производства энергии на Земле.
• В фильме Железное небо астронавты США прилетели на Луну для разведки количества Гелия-3.

Примечания

1. ↑ ^{1 2 3} G. Audi, A.H. Wapstra, and C. Thibault (2003). «The AME2003 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs, and references.». Nuclear Physics A 729: 337—676. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003.
2. ↑ ^{1 2 3 4} G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot and A. H. Wapstra (2003). «The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties». Nuclear Physics A 729: 3–128. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001.
3. ↑ Сверхтекучий ³He: ранняя история глазами теоретика — нобелевская лекция Э. Дж. Леггетта, УФН, т. 174, № 11, 2003 г.
4. ↑ Survey of Critical Use of 3He for Cryogenic Purposes — Northwestern University
5. ↑ 3D News Колонизация Солнечной системы отменяется (4 марта 2007). Проверено 26 мая 2007.
6. ↑ http://www.ria.ru/science/20120725/709192459.html // РИА Новости

Литература

• E. R. Dobbs, Helium Three. - Oxford University press, 2000. ISBN 0-19-850640-6

Эта статья нуждается в дополнительных источниках для улучшения проверяемости. Вы можете помочь улучшить эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Не подтверждённая источниками информация может быть поставлена под сомнение и удалена.