Detección de neutrones
El helio-3 es un isótopo importante en la instrumentación para la detección de neutrones. Tiene una elevada sección transversal de absorción para los haces de neutrones térmicos y se utiliza como gas convertidor en los detectores de neutrones. El neutrón se convierte a través de la reacción nuclear
n + 3He → 3H + 1H + 0,764 MeV
en partículas cargadas iones de tritio (T, 3H) e iones de hidrógeno, o protones (p, 1H) que luego se detectan creando una nube de carga en el gas de parada de un contador proporcional o un tubo Geiger-Müller.
Además, el proceso de absorción es fuertemente dependiente del espín, lo que permite que un volumen de helio-3 polarizado por espín transmita neutrones con un componente de espín mientras absorbe el otro. Este efecto se emplea en el análisis de la polarización de los neutrones, una técnica que busca las propiedades magnéticas de la materia.
El Departamento de Seguridad Nacional de los Estados Unidos esperaba desplegar detectores para detectar el plutonio de contrabando en los contenedores de transporte por sus emisiones de neutrones, pero la escasez mundial de helio-3 tras la reducción de la producción de armas nucleares desde la Guerra Fría lo ha impedido en cierta medida. A partir de 2012, el DHS determinó que el suministro comercial de boro-10 apoyaría la conversión de su infraestructura de detección de neutrones a esa tecnología.
CriogeniaEditar
Un refrigerador de helio-3 utiliza helio-3 para alcanzar temperaturas de 0,2 a 0,3 kelvin. Un refrigerador de dilución utiliza una mezcla de helio-3 y helio-4 para alcanzar temperaturas criogénicas tan bajas como unas milésimas de kelvin.
Una propiedad importante del helio-3, que lo distingue del más común helio-4, es que su núcleo es un fermión ya que contiene un número impar de partículas de espín 1⁄2. Los núcleos de helio-4 son bosones, que contienen un número par de partículas de espín 1⁄2. Esto es un resultado directo de las reglas de adición para el momento angular cuantizado. A bajas temperaturas (unos 2,17 K), el helio-4 experimenta una transición de fase: Una fracción de él entra en una fase superfluida que puede entenderse aproximadamente como un tipo de condensado de Bose-Einstein. Este mecanismo no existe para los átomos de helio-3, que son fermiones. Sin embargo, se especuló ampliamente con que el helio-3 también podría convertirse en un superfluido a temperaturas mucho más bajas, si los átomos se formaran en pares análogos a los pares de Cooper en la teoría BCS de la superconductividad. Cada par de Cooper, que tiene un espín entero, puede considerarse como un bosón. En la década de los 70, David Lee, Douglas Osheroff y Robert Coleman Richardson descubrieron dos transiciones de fase a lo largo de la curva de fusión, que pronto se dieron cuenta de que eran las dos fases superfluidas del helio-3. La transición a un superfluido se produce a 2,491 milikelvins en la curva de fusión. El descubrimiento les valió el Premio Nobel de Física de 1996. Alexei Abrikosov, Vitaly Ginzburg y Tony Leggett ganaron el Premio Nobel de Física en 2003 por su trabajo para perfeccionar la comprensión de la fase superfluida del helio-3.
En un campo magnético cero, hay dos fases superfluidas distintas del 3He, la fase A y la fase B. La fase B es la fase de baja temperatura y baja presión que tiene una brecha de energía isotrópica. La fase A es la fase de mayor temperatura y presión que se estabiliza aún más por un campo magnético y tiene dos nodos puntuales en su hueco. La presencia de dos fases es una clara indicación de que el 3He es un superfluido no convencional (superconductor), ya que la presencia de dos fases requiere que se rompa una simetría adicional, distinta de la simetría gauge. De hecho, es un superfluido de onda p, con espín uno, S=1, y momento angular uno, L=1. El estado básico corresponde a un momento angular total cero, J=S+L=0 (suma de vectores). Son posibles estados excitados con momento angular total distinto de cero, J>0, que son modos colectivos de pares excitados. Debido a la extrema pureza del 3He superfluido (ya que todos los materiales, excepto el 4He, se han solidificado y hundido en el fondo del 3He líquido y cualquier 4He se ha separado totalmente de la fase, éste es el estado más puro de la materia condensada), estos modos colectivos se han estudiado con mucha mayor precisión que en cualquier otro sistema de emparejamiento no convencional.
Imágenes médicasEditar
Los núcleos de helio-3 tienen un espín nuclear intrínseco de 1⁄2, y una relación magnetogénica relativamente alta. El helio-3 puede hiperpolarizarse utilizando medios no equilibrados, como el bombeo óptico de intercambio de espín. Durante este proceso, la luz láser infrarroja circularmente polarizada, sintonizada a la longitud de onda apropiada, se utiliza para excitar electrones en un metal alcalino, como el cesio o el rubidio dentro de un recipiente de vidrio sellado. El momento angular se transfiere de los electrones del metal alcalino a los núcleos del gas noble mediante colisiones. En esencia, este proceso alinea los espines nucleares con el campo magnético para mejorar la señal de RMN. El gas hiperpolarizado puede entonces almacenarse a presiones de 10 atm, hasta 100 horas. Después de la inhalación, las mezclas de gas que contienen el gas helio-3 hiperpolarizado pueden ser visualizadas con un escáner de RMN para producir imágenes anatómicas y funcionales de la ventilación pulmonar. Esta técnica también puede producir imágenes del árbol de las vías respiratorias, localizar defectos no ventilados, medir la presión parcial de oxígeno alveolar y medir la relación ventilación/perfusión. Esta técnica puede ser fundamental para el diagnóstico y la gestión del tratamiento de enfermedades respiratorias crónicas como la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC), el enfisema, la fibrosis quística y el asma.
Absorbedor de energía de radio para experimentos con plasma de tokamakEditar
Tanto el tokamak Alcator C-Mod del MIT como el Joint European Torus (JET) han experimentado con la adición de un poco de He-3 a un plasma H-D para aumentar la absorción de energía de radiofrecuencia (RF) para calentar los iones H & D, un efecto de «tres iones».
Combustible nuclearEditar
| Reactantes | Productos | Q | n/MeV | Combustibles de fusión de primerageneración de combustibles de fusión |
|---|---|---|---|---|
| 2D + 2D | 3He + 1 0n |
3.268 MeV | 0.306 | |
| 2D + 2D | 3T + 1 1p |
4.032 MeV | 0 | |
| → | 4He + 1 | 17.571 MeV | 0,057 | |
| Combustible de fusión de segunda generación | ||||
| 2D + 3He | → | 4He + 1 1p |
18.354 MeV | 0 |
| Combustibles de fusión de tercera generación | ||||
| 3He + 3He | → | 4He+ 21 1p |
12.86 MeV | 0 | 11B + 1 1p |
→ | 3 4He | 8.68 MeV | 0 |
| Resultado neto de la quema de D (suma de las 4 primeras filas) | ||||
| 6 D | → | 2(4He + n + p) | 43.225 MeV | 0,046 |
| Combustible nuclear actual | ||||
| 235U + n | → | 2 FP+ 2,5n | ~200 MeV | 0.0075 |
El 3He puede ser producido por la fusión a baja temperatura de → 3He + γ + 4,98 MeV. Si la temperatura de fusión es inferior a la de los núcleos de helio para fusionarse, la reacción produce una partícula alfa de alta energía que adquiere rápidamente un electrón produciendo un ion de helio ligero estable que puede utilizarse directamente como fuente de electricidad sin producir neutrones peligrosos.
El 3He puede ser utilizado en reacciones de fusión por cualquiera de las reacciones 2H + 3He → 4He + 1p + 18.3 MeV, o 3He + 3He → 4He + 2 1p+ 12,86 MeV.
El proceso de fusión convencional de deuterio + tritio («D-T») produce neutrones energéticos que vuelven radiactivos los componentes del reactor con productos de activación. El atractivo de la fusión de helio-3 radica en la naturaleza aneutrónica de sus productos de reacción. El helio-3 en sí mismo no es radiactivo. El único subproducto de alta energía, el protón, puede ser contenido mediante campos eléctricos y magnéticos. La energía del momento de este protón (creada en el proceso de fusión) interactuará con el campo electromagnético que lo contiene, lo que dará lugar a la generación directa de electricidad neta.
Debido a la mayor barrera de Coulomb, las temperaturas necesarias para la fusión 2H + 3He son mucho más altas que las de la fusión D-T convencional. Además, como ambos reactantes deben mezclarse para fusionarse, se producirán reacciones entre núcleos del mismo reactante, y la reacción D-D (2H + 2H) sí produce un neutrón. Las velocidades de reacción varían con la temperatura, pero la velocidad de reacción D-3He nunca es mayor que 3,56 veces la velocidad de reacción D-D (ver gráfico). Por lo tanto, la fusión utilizando combustible D-3He a la temperatura adecuada y una mezcla de combustible D-lean, puede producir un flujo de neutrones mucho menor que la fusión D-T, pero no es limpia, anulando parte de su principal atractivo.
La segunda posibilidad, fusionar 3He consigo mismo (3He + 3He), requiere temperaturas aún más altas (ya que ahora ambos reactantes tienen una carga +2), y por lo tanto es aún más difícil que la reacción D-3He. Sin embargo, ofrece una posible reacción que no produce neutrones; los protones cargados producidos pueden contenerse utilizando campos eléctricos y magnéticos, lo que a su vez da lugar a la generación directa de electricidad. La fusión 3He + 3He es factible, tal y como se ha demostrado en el laboratorio, y tiene inmensas ventajas, pero la viabilidad comercial está a muchos años vista.
Las cantidades de helio-3 que se necesitan para sustituir a los combustibles convencionales son sustanciales en comparación con las cantidades actualmente disponibles. La cantidad total de energía producida en la reacción 2D + 3He es de 18,4 MeV, lo que corresponde a unos 493 megavatios-hora (4,93×108 W-h) por cada tres gramos (un mol) de 3He Si la cantidad total de energía pudiera convertirse en energía eléctrica con una eficiencia del 100% (algo físicamente imposible), correspondería a unos 30 minutos de producción de una planta eléctrica de un gigavatio por cada mol de 3He. Así, la producción de un año (a 6 gramos por cada hora de funcionamiento) requeriría 52,5 kilogramos de helio-3. La cantidad de combustible necesaria para las aplicaciones a gran escala también puede expresarse en términos de consumo total: el consumo de electricidad de 107 millones de hogares estadounidenses en 2001 ascendió a 1.140 billones de kW-h (1,14×1015 W-h). Suponiendo de nuevo una eficiencia de conversión del 100%, se necesitarían 6,7 toneladas al año de helio-3 para ese segmento de la demanda energética de Estados Unidos, entre 15 y 20 toneladas al año dada una eficiencia de conversión de extremo a extremo más realista.
Un enfoque de segunda generación para la energía de fusión controlada implica la combinación de helio-3 y deuterio (2D). Esta reacción produce un ion de helio-4 (4He) (como una partícula alfa, pero de origen diferente) y un protón de alta energía (ion de hidrógeno con carga positiva). La ventaja potencial más importante de esta reacción de fusión para la producción de energía, así como para otras aplicaciones, reside en su compatibilidad con el uso de campos electrostáticos para controlar los iones combustibles y los protones de fusión. Los protones de alta velocidad, como partículas cargadas positivamente, pueden tener su energía cinética convertida directamente en electricidad, mediante el uso de materiales de conversión de estado sólido, así como otras técnicas. Puede ser posible una eficiencia de conversión potencial del 70%, ya que no es necesario convertir la energía de los protones en calor para accionar un generador eléctrico alimentado por una turbina.
Ha habido muchas afirmaciones sobre las capacidades de las centrales eléctricas de helio-3. Según sus defensores, las centrales de fusión que funcionan con deuterio y helio-3 ofrecerían menores costes de capital y de explotación que sus competidoras debido a su menor complejidad técnica, su mayor eficiencia de conversión, su menor tamaño, la ausencia de combustible radiactivo, la ausencia de contaminación del aire o del agua y la necesidad de eliminar sólo residuos radiactivos de bajo nivel. Según estimaciones recientes, se necesitarán unos 6.000 millones de dólares de capital de inversión para desarrollar y construir la primera central de fusión de helio-3. El punto de equilibrio financiero a los precios actuales de la electricidad al por mayor (5 centavos de dólar por kilovatio-hora) se produciría después de que cinco plantas de 1 gigavatio estuvieran en funcionamiento, sustituyendo a las antiguas plantas convencionales o satisfaciendo la nueva demanda.
La realidad no es tan clara. Los programas de fusión más avanzados del mundo son la fusión por confinamiento inercial (como la National Ignition Facility) y la fusión por confinamiento magnético (como el ITER y Wendelstein 7-X). En el caso del primero, no existe una hoja de ruta sólida para la generación de energía. En el caso de la segunda, la generación de energía comercial no se espera hasta alrededor de 2050. En ambos casos, el tipo de fusión del que se habla es el más sencillo: La fusión D-T. La razón es la bajísima barrera de Coulomb para esta reacción; para D+3He, la barrera es mucho mayor, y lo es aún más para 3He-3He. El inmenso coste de reactores como el ITER y la National Ignition Facility se debe en gran medida a su inmenso tamaño, aunque para ampliarlo a temperaturas de plasma más altas se necesitarían reactores mucho más grandes aún. El protón de 14,7 MeV y la partícula alfa de 3,6 MeV de la fusión D-3He, más la mayor eficiencia de conversión, significa que se obtiene más electricidad por kilogramo que con la fusión D-T (17,6 MeV), pero no mucho más. Como inconveniente adicional, las velocidades de reacción de las reacciones de fusión de helio-3 no son especialmente altas, por lo que se necesita un reactor aún más grande o más reactores para producir la misma cantidad de electricidad.
Para intentar solucionar este problema de las grandes centrales eléctricas que ni siquiera pueden ser económicas con la fusión D-T, por no hablar de la fusión D-3He, que es mucho más difícil, se han propuesto otros reactores: el Fusor, el Polywell, la fusión Focus y muchos más, aunque muchos de estos conceptos tienen problemas fundamentales para conseguir una ganancia neta de energía y, por lo general, intentan conseguir la fusión en desequilibrio térmico, algo que podría resultar imposible y, en consecuencia, estos programas de larga duración suelen tener problemas para conseguir financiación a pesar de sus bajos presupuestos. Sin embargo, a diferencia de los sistemas de fusión «grandes» y «calientes», si estos sistemas funcionaran, podrían escalar a los combustibles «aneutrónicos» de mayor barrera, y por ello sus defensores tienden a promover la fusión p-B, que no requiere combustibles exóticos como el helio-3.