Helium-3 (Deutsch)

Neutronendetektion

Helium-3 ist ein wichtiges Isotop in Instrumenten zur Neutronendetektion. Es hat einen hohen Absorptionsquerschnitt für thermische Neutronenstrahlen und wird als Konvertergas in Neutronendetektoren eingesetzt. Das Neutron wird durch die Kernreaktion

n + 3He → 3H + 1H + 0,764 MeV

in geladene Teilchen Tritium-Ionen (T, 3H) und Wasserstoff-Ionen oder Protonen (p, 1H) umgewandelt, die dann durch die Erzeugung einer Ladungswolke im Stoppgas eines Proportionalzählers oder eines Geiger-Müller-Rohrs nachgewiesen werden.

Darüber hinaus ist der Absorptionsprozess stark spinabhängig, was es einem spinpolarisierten Helium-3-Volumen ermöglicht, Neutronen mit einer Spin-Komponente durchzulassen, während die andere absorbiert wird. Dieser Effekt wird in der Neutronenpolarisationsanalyse genutzt, einer Technik, die nach magnetischen Eigenschaften von Materie sucht.

Das United States Department of Homeland Security (DHS) hatte gehofft, Detektoren einsetzen zu können, um geschmuggeltes Plutonium in Schiffscontainern anhand ihrer Neutronenemissionen zu erkennen, aber die weltweite Verknappung von Helium-3 infolge des Rückgangs der Kernwaffenproduktion seit dem Kalten Krieg hat dies teilweise verhindert. Ab 2012 stellte das DHS fest, dass das kommerzielle Angebot an Bor-10 die Umstellung seiner Infrastruktur zur Neutronendetektion auf diese Technologie unterstützen würde.

KryogenikEdit

Ein Helium-3-Kühlschrank verwendet Helium-3, um Temperaturen von 0,2 bis 0,3 Kelvin zu erreichen. Eine Verdünnungs-Kältemaschine verwendet eine Mischung aus Helium-3 und Helium-4, um kryogene Temperaturen bis zu einigen tausendstel Kelvin zu erreichen.

Eine wichtige Eigenschaft von Helium-3, die es von dem häufigeren Helium-4 unterscheidet, ist, dass sein Kern ein Fermion ist, da er eine ungerade Anzahl von Spin 1⁄2-Teilchen enthält. Helium-4-Kerne sind Bosonen, die eine gerade Anzahl von Spin 1⁄2-Teilchen enthalten. Dies ist eine direkte Folge der Additionsregeln für den quantisierten Drehimpuls. Bei tiefen Temperaturen (etwa 2,17 K) macht Helium-4 einen Phasenübergang durch: Ein Teil davon geht in eine superfluide Phase über, die grob als eine Art Bose-Einstein-Kondensat verstanden werden kann. Für Helium-3-Atome, die Fermionen sind, gibt es einen solchen Mechanismus nicht. Es wurde jedoch weithin spekuliert, dass Helium-3 auch bei viel niedrigeren Temperaturen zu einem Suprafluid werden könnte, wenn sich die Atome zu Paaren zusammenschließen, die den Cooper-Paaren in der BCS-Theorie der Supraleitung entsprechen. Jedes Cooper-Paar, das einen ganzzahligen Spin hat, kann man sich als Boson vorstellen. In den 1970er Jahren entdeckten David Lee, Douglas Osheroff und Robert Coleman Richardson zwei Phasenübergänge entlang der Schmelzkurve, die bald als die beiden suprafluiden Phasen von Helium-3 erkannt wurden. Der Übergang zum Suprafluid findet bei 2,491 Millikelvins auf der Schmelzkurve statt. Für ihre Entdeckung wurde ihnen 1996 der Nobelpreis für Physik verliehen. Alexei Abrikosov, Vitaly Ginzburg und Tony Leggett erhielten 2003 den Nobelpreis für Physik für ihre Arbeit zur Verbesserung des Verständnisses der superfluiden Phase von Helium-3.

In einem Null-Magnetfeld gibt es zwei verschiedene superfluide Phasen von 3He, die A-Phase und die B-Phase. Die B-Phase ist die Niedertemperatur- und Niederdruckphase, die eine isotrope Energielücke aufweist. Die A-Phase ist die Phase mit höherer Temperatur und höherem Druck, die durch ein Magnetfeld weiter stabilisiert wird und zwei Punktknoten in ihrer Lücke hat. Das Vorhandensein von zwei Phasen ist ein klares Indiz dafür, dass 3He ein unkonventionelles Suprafluid (Supraleiter) ist, da das Vorhandensein von zwei Phasen eine zusätzliche Symmetrie, außer der Eichsymmetrie, erfordert, die gebrochen werden muss. In der Tat ist es ein p-Wellen-Suprafluid, mit Spin eins, S=1, und Drehimpuls eins, L=1. Der Grundzustand entspricht dem Gesamtdrehimpuls Null, J=S+L=0 (Vektoraddition). Es sind angeregte Zustände mit Gesamtdrehimpuls ungleich Null, J>0, möglich, die angeregte paarige Kollektivmoden sind. Aufgrund der extremen Reinheit von supraflüssigem 3He (da alle Materialien außer 4He erstarrt und auf den Boden des flüssigen 3He gesunken sind und jegliches 4He vollständig phasengetrennt ist, ist dies der reinste Zustand der kondensierten Materie) wurden diese kollektiven Moden mit viel größerer Präzision untersucht als in jedem anderen unkonventionellen Paarungssystem.

Medizinische BildgebungBearbeiten

Helium-3-Kerne haben einen intrinsischen Kernspin von 1⁄2 und ein relativ hohes magnetogyrisches Verhältnis. Helium-3 kann mit Hilfe von Nicht-Gleichgewichtsmitteln wie dem optischen Pumpen durch Spin-Austausch hyperpolarisiert werden. Bei diesem Verfahren wird zirkular polarisiertes Infrarot-Laserlicht, das auf die entsprechende Wellenlänge abgestimmt ist, verwendet, um Elektronen in einem Alkalimetall, wie z. B. Cäsium oder Rubidium, in einem abgedichteten Glasgefäß anzuregen. Der Drehimpuls wird von den Alkalimetallelektronen durch Stöße auf die Edelgaskerne übertragen. Im Wesentlichen richtet dieser Prozess die Kernspins effektiv mit dem Magnetfeld aus, um das NMR-Signal zu verstärken. Das hyperpolarisierte Gas kann dann bei einem Druck von 10 atm für bis zu 100 Stunden gelagert werden. Nach der Inhalation können Gasgemische, die das hyperpolarisierte Helium-3-Gas enthalten, mit einem MRT-Scanner abgebildet werden, um anatomische und funktionelle Bilder der Lungenventilation zu erzeugen. Diese Technik ist auch in der Lage, Bilder des Atemwegsbaums zu erstellen, unbelüftete Defekte zu lokalisieren, den alveolären Sauerstoffpartialdruck zu messen und das Belüftungs-/Perfusionsverhältnis zu bestimmen. Diese Technik kann für die Diagnose und das Behandlungsmanagement von chronischen Atemwegserkrankungen wie chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD), Emphysem, zystischer Fibrose und Asthma entscheidend sein.

Radioenergie-Absorber für Tokamak-Plasmaexperimente

Sowohl der Alcator C-Mod-Tokamak des MIT als auch der Joint European Torus (JET) haben mit der Zugabe von etwas He-3 zu einem H-D-Plasma experimentiert, um die Absorption von Hochfrequenz (RF)-Energie zur Erwärmung der H & D-Ionen zu erhöhen, ein „Drei-Ionen-Effekt“.

KernbrennstoffBearbeiten

3He kann durch die Tieftemperaturfusion von → 3He + γ + 4,98 MeV erzeugt werden. Wenn die Fusionstemperatur unter der für die Verschmelzung der Heliumkerne liegt, erzeugt die Reaktion ein hochenergetisches Alphateilchen, das schnell ein Elektron aufnimmt und ein stabiles, leichtes Heliumion erzeugt, das direkt als Stromquelle genutzt werden kann, ohne gefährliche Neutronen zu erzeugen.

Die Fusionsreaktionsrate steigt schnell mit der Temperatur an, bis sie ein Maximum erreicht und dann allmählich abfällt. Die DT-Rate gipfelt bei einer niedrigeren Temperatur (etwa 70 keV, oder 800 Millionen Kelvin) und bei einem höheren Wert als andere Reaktionen, die üblicherweise für Fusionsenergie in Betracht gezogen werden.

3He kann in Fusionsreaktionen durch eine der Reaktionen 2H + 3He → 4He + 1p + 18.3 MeV, oder 3He + 3He → 4He + 2 1p+ 12,86 MeV.

Der konventionelle Deuterium + Tritium („D-T“) Fusionsprozess erzeugt energiereiche Neutronen, die Reaktorkomponenten mit Aktivierungsprodukten radioaktiv machen. Der Reiz der Helium-3-Fusion liegt in der aneutronischen Natur ihrer Reaktionsprodukte. Helium-3 selbst ist nicht-radioaktiv. Das einzige hochenergetische Nebenprodukt, das Proton, kann durch elektrische und magnetische Felder eingegrenzt werden. Die Impulsenergie dieses Protons (die im Fusionsprozess entsteht) interagiert mit dem einschließenden elektromagnetischen Feld, was zu einer direkten Netto-Elektrizitätserzeugung führt.

Aufgrund der höheren Coulomb-Barriere sind die für die 2H + 3He-Fusion erforderlichen Temperaturen viel höher als die der konventionellen D-T-Fusion. Da außerdem beide Reaktanten miteinander vermischt werden müssen, um zu fusionieren, kommt es zu Reaktionen zwischen Kernen desselben Reaktanten, und bei der D-D-Reaktion (2H + 2H) entsteht ein Neutron. Die Reaktionsraten variieren mit der Temperatur, aber die D-3He-Reaktionsrate ist nie größer als das 3,56-fache der D-D-Reaktionsrate (siehe Grafik). Daher kann die Fusion mit D-3He-Brennstoff bei der richtigen Temperatur und einer D-mageren Brennstoffmischung einen viel geringeren Neutronenfluss als die D-T-Fusion erzeugen, ist aber nicht sauber, was einen Teil ihrer Hauptattraktivität zunichte macht.

Die zweite Möglichkeit, die Fusion von 3He mit sich selbst (3He + 3He), erfordert noch höhere Temperaturen (da nun beide Reaktanten eine +2-Ladung haben) und ist daher noch schwieriger als die D-3He-Reaktion. Sie bietet jedoch eine mögliche Reaktion, bei der keine Neutronen entstehen; die entstehenden geladenen Protonen können mit Hilfe von elektrischen und magnetischen Feldern eingedämmt werden, was wiederum zu einer direkten Stromerzeugung führt. Die 3He + 3He-Fusion ist, wie im Labor demonstriert, machbar und hat immense Vorteile, aber die kommerzielle Nutzbarkeit liegt noch viele Jahre in der Zukunft.

Die Mengen an Helium-3, die als Ersatz für konventionelle Brennstoffe benötigt werden, sind im Vergleich zu den derzeit verfügbaren Mengen beträchtlich. Die Gesamtenergiemenge, die bei der 2D + 3He-Reaktion erzeugt wird, beträgt 18,4 MeV, was etwa 493 Megawattstunden (4,93×108 W-h) pro drei Gramm (ein Mol) 3He entspricht. Wenn die Gesamtenergiemenge mit 100 % Wirkungsgrad in elektrischen Strom umgewandelt werden könnte (eine physikalische Unmöglichkeit), würde dies etwa 30 Minuten Leistung eines Gigawatt-Elektrokraftwerks pro Mol 3He entsprechen. Somit würde die Produktion eines Jahres (bei 6 Gramm pro Betriebsstunde) 52,5 Kilogramm Helium-3 erfordern. Die für großtechnische Anwendungen benötigte Brennstoffmenge lässt sich auch in Bezug auf den Gesamtverbrauch setzen: Der Stromverbrauch von 107 Millionen US-Haushalten im Jahr 2001 belief sich auf 1.140 Milliarden kW-h (1,14×1015 W-h). Wiederum unter der Annahme eines Umwandlungswirkungsgrads von 100 % würden für dieses Segment des Energiebedarfs der Vereinigten Staaten 6,7 Tonnen Helium-3 pro Jahr benötigt, 15 bis 20 Tonnen pro Jahr bei einem realistischeren End-to-End-Umwandlungswirkungsgrad.

Ein Ansatz der zweiten Generation zur kontrollierten Fusionsenergie beinhaltet die Kombination von Helium-3 und Deuterium (2D). Diese Reaktion erzeugt ein Helium-4-Ion (4He) (wie ein Alphateilchen, aber anderen Ursprungs) und ein hochenergetisches Proton (positiv geladenes Wasserstoff-Ion). Der wichtigste potenzielle Vorteil dieser Fusionsreaktion für die Energieerzeugung sowie für andere Anwendungen liegt in der Kompatibilität mit der Nutzung elektrostatischer Felder zur Steuerung der Brennstoff-Ionen und der Fusionsprotonen. Hochgeschwindigkeits-Protonen können als positiv geladene Teilchen ihre kinetische Energie direkt in Elektrizität umwandeln lassen, sowohl durch den Einsatz von Festkörper-Konversionsmaterialien als auch durch andere Techniken. Potenzielle Umwandlungswirkungsgrade von 70 % sind möglich, da die Protonenenergie nicht in Wärme umgewandelt werden muss, um einen turbinengetriebenen Stromgenerator anzutreiben.

Es gibt viele Behauptungen über die Möglichkeiten von Helium-3-Kraftwerken. Befürwortern zufolge würden Fusionskraftwerke, die mit Deuterium und Helium-3 betrieben werden, aufgrund der geringeren technischen Komplexität, des höheren Umwandlungswirkungsgrads, der geringeren Größe, des Fehlens von radioaktivem Brennstoff, der fehlenden Luft- und Wasserverschmutzung und der nur geringen Anforderungen an die Entsorgung von radioaktivem Abfall niedrigere Kapital- und Betriebskosten als ihre Konkurrenten aufweisen. Jüngste Schätzungen gehen davon aus, dass für die Entwicklung und den Bau des ersten Helium-3-Fusionskraftwerks ein Investitionskapital von etwa 6 Milliarden Dollar erforderlich ist. Der finanzielle Break-Even würde bei den heutigen Großhandelspreisen für Strom (5 US-Cent pro Kilowattstunde) erreicht, wenn fünf 1-Gigawatt-Kraftwerke in Betrieb sind, die alte konventionelle Kraftwerke ersetzen oder den neuen Bedarf decken.

Die Realität ist nicht so eindeutig. Die am weitesten fortgeschrittenen Fusionsprogramme der Welt sind die Trägheitseinschlussfusion (wie die National Ignition Facility) und die magnetische Einschlussfusion (wie ITER und Wendelstein 7-X). Im Falle der ersteren gibt es keinen festen Fahrplan zur Energieerzeugung. Im Falle der letzteren wird die kommerzielle Stromerzeugung nicht vor etwa 2050 erwartet. In beiden Fällen ist die diskutierte Art der Fusion die einfachste: Die D-T-Fusion. Der Grund dafür ist die sehr niedrige Coulombbarriere für diese Reaktion; für D+3He ist die Barriere viel höher, und für 3He-3He ist sie noch höher. Die immensen Kosten von Reaktoren wie ITER und National Ignition Facility sind größtenteils auf ihre immense Größe zurückzuführen, doch um auf höhere Plasmatemperaturen zu skalieren, wären noch viel größere Reaktoren erforderlich. Die 14,7 MeV Protonen und 3,6 MeV Alphateilchen der D-3He-Fusion sowie der höhere Umwandlungswirkungsgrad bedeuten, dass pro Kilogramm mehr Strom gewonnen wird als bei der D-T-Fusion (17,6 MeV), aber nicht so viel mehr. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Reaktionsgeschwindigkeiten der Helium-3-Fusionsreaktionen nicht besonders hoch sind, so dass ein noch größerer Reaktor oder mehrere Reaktoren erforderlich sind, um die gleiche Menge an Strom zu erzeugen.

Um dieses Problem der riesigen Kraftwerke zu umgehen, die nicht einmal bei der D-T-Fusion wirtschaftlich sind, geschweige denn bei der weitaus schwierigeren D-3He-Fusion, wurden eine Reihe anderer Reaktoren vorgeschlagen – der Fusor, Polywell, Focus-Fusion und viele andere, obwohl viele dieser Konzepte grundlegende Probleme mit der Erzielung eines Netto-Energiegewinns haben und im Allgemeinen versuchen, die Fusion im thermischen Ungleichgewicht zu erreichen, was sich möglicherweise als unmöglich erweisen könnte, und folglich haben diese Long-Shot-Programme Schwierigkeiten, trotz ihrer geringen Budgets eine Finanzierung zu erhalten. Im Gegensatz zu den „großen“, „heißen“ Fusionssystemen könnten solche Systeme jedoch, wenn sie funktionieren würden, auf die „aneutronischen“ Brennstoffe mit höherer Barriere skalieren, und deshalb neigen ihre Befürworter dazu, die p-B-Fusion zu fördern, die keine exotischen Brennstoffe wie Helium-3 benötigt.