Elio-3

Rilevamento dei neutroniModifica

L’elio-3 è un isotopo importante nella strumentazione per il rilevamento dei neutroni. Ha un’alta sezione d’assorbimento per i fasci di neutroni termici ed è usato come gas convertitore nei rivelatori di neutroni. Il neutrone viene convertito attraverso la reazione nucleare

n + 3He → 3H + 1H + 0,764 MeV

in particelle cariche ioni di trizio (T, 3H) e ioni di idrogeno, o protoni (p, 1H) che poi vengono rilevati creando una nuvola di carica nel gas di arresto di un contatore proporzionale o un tubo Geiger-Müller.

Inoltre, il processo di assorbimento è fortemente dipendente dallo spin, il che permette ad un volume di elio-3 polarizzato in spin di trasmettere neutroni con una componente di spin mentre assorbe l’altra. Questo effetto è impiegato nell’analisi della polarizzazione dei neutroni, una tecnica che sonda le proprietà magnetiche della materia.

Il Dipartimento per la sicurezza interna degli Stati Uniti aveva sperato di impiegare dei rilevatori per individuare il plutonio di contrabbando nei container di spedizione attraverso le loro emissioni di neutroni, ma la carenza mondiale di elio-3 a seguito della riduzione della produzione di armi nucleari dalla guerra fredda ha in qualche misura impedito questo. A partire dal 2012, il DHS ha determinato che la fornitura commerciale di boro-10 sosterrebbe la conversione della sua infrastruttura di rilevamento dei neutroni a tale tecnologia.

CryogenicsEdit

Un frigorifero ad elio-3 utilizza elio-3 per raggiungere temperature da 0,2 a 0,3 kelvin. Un frigorifero a diluizione usa una miscela di elio-3 ed elio-4 per raggiungere temperature criogeniche di pochi millesimi di kelvin.

Un’importante proprietà dell’elio-3, che lo distingue dal più comune elio-4, è che il suo nucleo è un fermione poiché contiene un numero dispari di particelle di spin 1⁄2. I nuclei di elio-4 sono bosoni, contenenti un numero pari di particelle di spin 1⁄2. Questo è un risultato diretto delle regole di addizione per il momento angolare quantizzato. A basse temperature (circa 2,17 K), l’elio-4 subisce una transizione di fase: Una frazione di esso entra in una fase superfluida che può essere approssimativamente compresa come un tipo di condensato di Bose-Einstein. Un tale meccanismo non è disponibile per gli atomi di elio-3, che sono fermioni. Tuttavia, è stato ampiamente ipotizzato che l’elio-3 potrebbe anche diventare un superfluido a temperature molto più basse, se gli atomi si formassero in coppie analoghe alle coppie di Cooper nella teoria BCS della superconduttività. Ogni coppia di Cooper, avendo spin intero, può essere pensata come un bosone. Durante gli anni ’70, David Lee, Douglas Osheroff e Robert Coleman Richardson scoprirono due transizioni di fase lungo la curva di fusione, che furono presto comprese essere le due fasi superfluide dell’elio-3. La transizione verso un superfluido avviene a 2,491 millikelvin sulla curva di fusione. Hanno ricevuto il premio Nobel per la fisica nel 1996 per la loro scoperta. Alexei Abrikosov, Vitaly Ginzburg, e Tony Leggett hanno vinto il Premio Nobel per la Fisica nel 2003 per il loro lavoro di perfezionamento della comprensione della fase superfluida dell’elio-3.

In un campo magnetico zero, ci sono due distinte fasi superfluide di 3He, la fase A e la fase B. La fase B è la fase a bassa temperatura e bassa pressione che ha un gap energetico isotropo. La fase A è la fase a più alta temperatura e pressione che è ulteriormente stabilizzata da un campo magnetico e ha due nodi puntiformi nel suo gap. La presenza di due fasi è una chiara indicazione che il 3He è un superfluido non convenzionale (superconduttore), poiché la presenza di due fasi richiede un’ulteriore simmetria, diversa da quella di gauge, da rompere. Infatti, è un superfluido ad onde p, con spin uno, S=1, e momento angolare uno, L=1. Lo stato fondamentale corrisponde al momento angolare totale zero, J=S+L=0 (addizione vettoriale). Sono possibili stati eccitati con momento angolare totale non nullo, J>0, che sono modi collettivi di coppia eccitati. A causa dell’estrema purezza del 3He superfluido (poiché tutti i materiali tranne il 4He si sono solidificati e si sono depositati sul fondo del 3He liquido e qualsiasi 4He si è separato completamente dalla fase, questo è lo stato più puro della materia condensata), questi modi collettivi sono stati studiati con una precisione molto maggiore che in qualsiasi altro sistema di accoppiamento non convenzionale.

Medical imagingEdit

I nuclei di elio-3 hanno uno spin nucleare intrinseco di 1⁄2, e un rapporto magnetogirico relativamente alto. L’elio-3 può essere iperpolarizzato usando mezzi di non-equilibrio come il pompaggio ottico a scambio di spin. Durante questo processo, la luce laser infrarossa polarizzata circolarmente, sintonizzata sulla lunghezza d’onda appropriata, viene usata per eccitare gli elettroni in un metallo alcalino, come il cesio o il rubidio all’interno di un recipiente di vetro sigillato. Il momento angolare viene trasferito dagli elettroni del metallo alcalino ai nuclei del gas nobile attraverso le collisioni. In sostanza, questo processo allinea efficacemente gli spin nucleari con il campo magnetico per migliorare il segnale NMR. Il gas iperpolarizzato può quindi essere conservato a pressioni di 10 atm, per un massimo di 100 ore. Dopo l’inalazione, le miscele di gas contenenti il gas elio-3 iperpolarizzato possono essere visualizzate con uno scanner MRI per produrre immagini anatomiche e funzionali della ventilazione polmonare. Questa tecnica è anche in grado di produrre immagini dell’albero delle vie aeree, individuare i difetti non ventilati, misurare la pressione parziale dell’ossigeno alveolare e misurare il rapporto ventilazione/perfusione. Questa tecnica può essere fondamentale per la diagnosi e la gestione del trattamento delle malattie respiratorie croniche come la broncopneumopatia cronica ostruttiva (COPD), l’enfisema, la fibrosi cistica e l’asma.

Assorbitore di energia radio per esperimenti sul plasma tokamakMod

Sia il tokamak Alcator C-Mod del MIT che il Joint European Torus (JET) hanno sperimentato l’aggiunta di un po’ di He-3 a un plasma H-D per aumentare l’assorbimento di energia a radiofrequenza (RF) per riscaldare gli ioni H & D, un effetto “tre ioni”.

Combustibile nucleareModifica

3He può essere prodotto dalla fusione a bassa temperatura di → 3He + γ + 4,98 MeV. Se la temperatura di fusione è inferiore a quella per la fusione dei nuclei di elio, la reazione produce una particella alfa di alta energia che acquisisce rapidamente un elettrone producendo uno ione di elio leggero stabile che può essere utilizzato direttamente come fonte di elettricità senza produrre neutroni pericolosi.

Il tasso di reazione di fusione aumenta rapidamente con la temperatura fino a massimizzare e poi diminuisce gradualmente. Il tasso DT ha un picco ad una temperatura più bassa (circa 70 keV, o 800 milioni di kelvin) e ad un valore più alto di altre reazioni comunemente considerate per l’energia di fusione.

3He può essere usato in reazioni di fusione da una delle reazioni 2H + 3He → 4He + 1p + 18.3 MeV, o 3He + 3He → 4He + 2 1p + 12,86 MeV.

Il processo di fusione convenzionale deuterio + trizio (“D-T”) produce neutroni energetici che rendono i componenti del reattore radioattivi con prodotti di attivazione. Il fascino della fusione dell’elio-3 deriva dalla natura aneutronica dei suoi prodotti di reazione. L’elio-3 stesso non è radioattivo. L’unico sottoprodotto ad alta energia, il protone, può essere contenuto usando campi elettrici e magnetici. L’energia del momento di questo protone (creato nel processo di fusione) interagirà con il campo elettromagnetico di contenimento, con conseguente generazione diretta di elettricità netta.

A causa della barriera di Coulomb più alta, le temperature richieste per la fusione 2H + 3He sono molto più alte di quelle della fusione D-T convenzionale. Inoltre, poiché entrambi i reagenti devono essere mescolati insieme per fondere, si verificheranno reazioni tra nuclei dello stesso reagente, e la reazione D-D (2H + 2H) produce un neutrone. I tassi di reazione variano con la temperatura, ma il tasso di reazione D-3He non è mai maggiore di 3,56 volte il tasso di reazione D-D (vedi grafico). Quindi, la fusione usando il combustibile D-3He alla giusta temperatura e una miscela di combustibile D-lean, può produrre un flusso di neutroni molto più basso della fusione D-T, ma non è pulita, negando parte della sua attrazione principale.

La seconda possibilità, fondere il 3He con se stesso (3He + 3He), richiede temperature ancora più alte (poiché ora entrambi i reagenti hanno una carica +2), e quindi è ancora più difficile della reazione D-3He. Tuttavia, offre una possibile reazione che non produce neutroni; i protoni carichi prodotti possono essere contenuti usando campi elettrici e magnetici, che a loro volta si traducono in generazione diretta di elettricità. La fusione 3He + 3He è fattibile come dimostrato in laboratorio e ha immensi vantaggi, ma la fattibilità commerciale è lontana anni nel futuro.

Le quantità di elio-3 necessarie per sostituire i combustibili convenzionali sono sostanziali rispetto alle quantità attualmente disponibili. La quantità totale di energia prodotta nella reazione 2D + 3He è di 18,4 MeV, che corrisponde a circa 493 megawatt-ora (4,93×108 W-h) per tre grammi (una mole) di 3He Se la quantità totale di energia potesse essere convertita in energia elettrica con il 100% di efficienza (un’impossibilità fisica), corrisponderebbe a circa 30 minuti di produzione di un gigawatt elettrico per mole di 3He. Così, la produzione di un anno (a 6 grammi per ogni ora di funzionamento) richiederebbe 52,5 chilogrammi di elio-3. La quantità di combustibile necessaria per applicazioni su larga scala può anche essere messa in termini di consumo totale: il consumo di elettricità da parte di 107 milioni di famiglie statunitensi nel 2001 ammontava a 1.140 miliardi di kW-h (1,14×1015 W-h). Sempre assumendo un’efficienza di conversione del 100%, sarebbero necessarie 6,7 tonnellate all’anno di elio-3 per quel segmento della domanda di energia degli Stati Uniti, da 15 a 20 tonnellate all’anno se si considera un’efficienza di conversione end-to-end più realistica.

Un approccio di seconda generazione alla fusione controllata prevede la combinazione di elio-3 e deuterio (2D). Questa reazione produce uno ione elio-4 (4He) (come una particella alfa, ma di origine diversa) e un protone ad alta energia (ione idrogeno con carica positiva). Il vantaggio potenziale più importante di questa reazione di fusione per la produzione di energia e per altre applicazioni sta nella sua compatibilità con l’uso di campi elettrostatici per controllare gli ioni combustibili e i protoni di fusione. I protoni ad alta velocità, come particelle caricate positivamente, possono avere la loro energia cinetica convertita direttamente in elettricità, attraverso l’uso di materiali di conversione allo stato solido così come altre tecniche. Potenziali efficienze di conversione del 70% possono essere possibili, dato che non c’è bisogno di convertire l’energia dei protoni in calore per azionare un generatore elettrico a turbina.

Ci sono state molte affermazioni sulle capacità delle centrali a elio-3. Secondo i sostenitori, le centrali a fusione che operano con deuterio ed elio-3 offrirebbero costi di capitale e operativi più bassi rispetto ai loro concorrenti, grazie alla minore complessità tecnica, alla maggiore efficienza di conversione, alle dimensioni più piccole, all’assenza di combustibile radioattivo, all’assenza di inquinamento dell’aria e dell’acqua e alla necessità di smaltire solo rifiuti radioattivi di basso livello. Stime recenti suggeriscono che saranno necessari circa 6 miliardi di dollari di capitale di investimento per sviluppare e costruire la prima centrale a fusione di elio-3. Il break even finanziario ai prezzi odierni dell’elettricità all’ingrosso (5 centesimi di dollaro per kilowatt-ora) si verificherebbe dopo che cinque impianti da 1 gigawatt fossero in linea, sostituendo vecchi impianti convenzionali o soddisfacendo la nuova domanda.

La realtà non è così chiara. I programmi di fusione più avanzati al mondo sono la fusione a confinamento inerziale (come il National Ignition Facility) e la fusione a confinamento magnetico (come ITER e Wendelstein 7-X). Nel caso del primo, non c’è una solida tabella di marcia per la generazione di energia. Nel caso del secondo, la generazione commerciale di energia non è prevista fino al 2050 circa. In entrambi i casi, il tipo di fusione discusso è il più semplice: La fusione D-T. La ragione di ciò è la barriera di Coulomb molto bassa per questa reazione; per D+3He, la barriera è molto più alta, ed è ancora più alta per 3He-3He. L’immenso costo di reattori come ITER e National Ignition Facility è in gran parte dovuto alle loro immense dimensioni, ma per scalare fino a temperature di plasma più alte ci vorrebbero reattori ancora più grandi. Il protone di 14,7 MeV e la particella alfa di 3,6 MeV della fusione D-3He, più la maggiore efficienza di conversione, significa che si ottiene più elettricità per chilogrammo che con la fusione D-T (17,6 MeV), ma non molto di più. Come ulteriore svantaggio, i tassi di reazione per le reazioni di fusione dell’elio-3 non sono particolarmente alti, richiedendo un reattore ancora più grande o più reattori per produrre la stessa quantità di elettricità.

Per tentare di aggirare questo problema delle centrali elettriche di grandi dimensioni che potrebbero non essere economiche nemmeno con la fusione D-T, per non parlare della ben più impegnativa fusione D-3He, sono stati proposti diversi altri reattori – il Fusor, il Polywell, la fusione Focus, e molti altri, anche se molti di questi concetti hanno problemi fondamentali per ottenere un guadagno netto di energia, e generalmente tentano di ottenere la fusione in disequilibrio termico, cosa che potrebbe rivelarsi impossibile, e di conseguenza, questi programmi a lungo termine tendono ad avere problemi a raccogliere fondi nonostante i loro bassi budget. A differenza dei “grandi” sistemi di fusione “calda”, tuttavia, se tali sistemi dovessero funzionare, potrebbero essere scalati ai combustibili “aneutronici” a più alta barriera, e quindi i loro sostenitori tendono a promuovere la fusione p-B, che non richiede combustibili esotici come l’elio-3.