ヘリウム-3

中性子検出編

ヘリウム-3は、中性子検出器の重要な同位体である。 熱中性子ビームに対して高い吸収断面積を持ち、中性子検出器の変換ガスとして使用されています。 中性子は、核反応により

n + 3He → 3H + 1H + 0.764 MeV

荷電粒子のトリチウムイオン(T, 3H)と水素イオンまたは陽子(p, 1H)に変換され、比例計数管やガイガー・ミューラー管の停止ガス中に電荷雲を生成することで検出されます。

さらに、この吸収過程には強いスピン依存性があり、スピン偏極したヘリウム3の体積は、一方のスピン成分の中性子を透過し、他方のスピン成分を吸収することができます。

米国国土安全保障省は、輸送コンテナ内の密輸プルトニウムを中性子の放出で発見するための検出器の配備を目指していたが、冷戦後の核兵器生産の縮小に伴うヘリウム3の世界的な不足により、これをある程度阻止している。

CryogenicsEdit

ヘリウム3冷凍機は、ヘリウム3を使用して0.2～0.3ケルビンの温度を実現する。

ヘリウム3型冷凍機はヘリウム3型を使用して0.2～0.3ケルビンの温度を実現し、希釈冷凍機はヘリウム3型とヘリウム4型の混合物を使用して数千分の1ケルビンの低温を実現します。

ヘリウム3型の重要な特性は、より一般的なヘリウム4型とは異なり、原子核が奇数個のスピン1/2粒子を含むフェルミオンであることです。 ヘリウム4の原子核は、偶数個のスピン1/2粒子を含むボゾンである。 これは、角運動量の量子化のための加算ルールの直接的な結果である。 低温（約2.17K）では、ヘリウム4は相転移を起こす。 ヘリウム4は低温（約2.17K）で相転移を起こし、その一部が超流動状態になるが、これは大まかにはボーズ-アインシュタイン凝縮の一種として理解できる。 このようなメカニズムは、フェルミオンであるヘリウム3原子には存在しない。 しかし、超伝導のBCS理論におけるクーパー対のようなペアを原子が形成すれば、ヘリウム3もはるかに低い温度で超流動体になるのではないかと広く考えられていたのである。 クーパー対は整数のスピンを持ち、ボゾンと考えられている。 1970年代、デビッド・リー、ダグラス・オシェロフ、ロバート・コールマン・リチャードソンの3人は、融解曲線に沿って2つの相転移を発見し、それがヘリウム3の2つの超流動相であることがすぐにわかった。 超流動への移行は、融解曲線上の2.491ミリケルビンで起こる。 彼らはこの発見により、1996年にノーベル物理学賞を受賞した。

ゼロ磁場下では、3HeにはA相とB相という2つの異なる超流動相が存在する。

ゼロ磁場中では、3Heの超流動相はA相とB相の2つに分かれます。B相は低温・低圧の相で、エネルギーギャップは等方的です。 A相は高温・高圧の相で、磁場によってさらに安定化され、ギャップに2つの点ノードを持つ。 2つの相が存在するということは、3Heが非従来型の超流動体（超電導体）であることを明確に示している。なぜなら、2つの相が存在するということは、ゲージ対称性以外の追加的な対称性を破る必要があるからである。 実際、3Heはp波の超流動体であり、スピンは1（S=1）、角運動量は1（L=1）である。 基底状態は、角運動量がゼロのJ=S+L=0（ベクトル加算）に相当する。 励起状態は、全角運動量が0ではないJ>0の状態で可能であり、これは励起ペア集団モードである。

Medical imagingEdit

ヘリウム3の原子核は、固有の核スピンが1/2で、比較的高い磁力線比を持っています。 ヘリウム3は、スピン交換光ポンピングのような非平衡状態を利用して超偏極させることができる。 この方法では、円偏光の赤外レーザー光を適切な波長に調整して、密閉されたガラス容器内のセシウムやルビジウムなどのアルカリ金属の電子を励起する。 アルカリ金属の電子が貴金属の原子核に衝突して角運動量が伝達される。 これにより、核のスピンを磁場に合わせてNMR信号を増強することができます。 過分極されたガスは、10気圧の圧力で最大100時間保存することができます。 過分極されたヘリウム3ガスを含む混合ガスを吸入した後、MRIスキャナーで撮影すると、肺の換気に関する解剖学的および機能的な画像を得ることができる。 この技術は、気道樹の画像を作成し、換気されていない欠陥を見つけ、肺胞酸素分圧を測定し、換気/過血比を測定することもできる。 この技術は、慢性閉塞性肺疾患（COPD）、肺気腫、嚢胞性線維症、喘息などの慢性呼吸器疾患の診断と治療管理に重要な役割を果たすと考えられます。

トカマク・プラズマ実験のためのラジオ・エネルギー吸収体Edit

MITのAlcator C-ModトカマクとJoint European Torus (JET)では、H-DプラズマにHe-3を少し加えることで、高周波(RF)エネルギーの吸収率を高め、Hイオン& Dイオンを加熱する「3イオン」効果の実験を行いました。

Nuclear fuelEdit

3Heは→3He＋γ＋4.98MeVの低温融合によって生成することができる。 融合温度がヘリウム原子核の融合温度以下であれば、この反応によって高エネルギーのアルファ粒子が生成され、このアルファ粒子はすぐに電子を獲得して安定した軽いヘリウムイオンを生成し、危険な中性子を発生させることなく直接電気の源として利用することができます。

核融合反応率は、温度が高くなるにつれて急激に増加し、最大になった後、徐々に低下していきます。 DT率のピークは低温（約70keV、8億ケルビン）で、一般的に核融合エネルギーとして考えられている他の反応よりも高い値を示します。

3Heは、核融合反応において、2H + 3He → 4He + 1p + 18.

従来の重水素＋トリチウム（「D-T」）の核融合プロセスでは、高エネルギーの中性子が発生し、放射化生成物によって原子炉の部品を放射性にしてしまいます。

従来の重水素＋トリチウム（D-T）核融合では、高エネルギーの中性子が発生し、放射化生成物によって原子炉部品が放射化されていたが、ヘリウム3核融合の魅力は、反応生成物が非中性子であることにある。 ヘリウム3自体は放射性物質ではない。 唯一の高エネルギー副生成物である陽子は、電場と磁場を使って封じ込めることができる。

クーロン障壁が高いため、2H＋3Heの核融合に必要な温度は、通常のD-T核融合よりもはるかに高い。 また、核融合には両方の反応物を混ぜる必要があるため、同じ反応物の原子核同士の反応が起こり、D-D反応（2H＋2H）では中性子が発生する。 反応速度は温度によって異なるが、D-3Heの反応速度がD-D反応速度の3.56倍を超えることはない（グラフ参照）。

2つ目の可能性である、3Heと3Heの融合（3He + 3He）は、より高い温度を必要とするため（両方の反応物が+2の電荷を持つため）、D-3He反応よりもさらに困難です。 しかし、中性子を発生させず、発生した電荷を持つ陽子を電界や磁界で封じ込め、直接発電することが可能な反応である。

従来の燃料の代替として必要なヘリウム3の量は、現在入手可能な量と比較してかなり多い。 2D + 3He反応で生成されるエネルギーの総量は18.4MeVで、3Heの3グラム（1モル）あたり約493メガワット時（4.93×108W-h）に相当する。この総量のエネルギーを100%の効率で電力に変換できるとすると（物理的には不可能）、3Heの1モルあたりギガワット級の発電所の約30分の出力に相当する。 したがって、1年間の生産（1時間あたり6グラムの運転）には、52.5キログラムのヘリウム3が必要となる。 大規模なアプリケーションに必要な燃料の量は、総消費量で考えることもできる。2001年の米国の1億700万世帯の電力消費量は、1兆1,400億kW-h（1.14×1015W-h）だった。

制御された核融合発電の第2世代のアプローチでは、ヘリウム3と重水素（2D）を組み合わせます。 この反応では、アルファ粒子のようなヘリウム4イオン（4He）と、高エネルギーのプロトン（正電荷を帯びた水素イオン）が生成されます。 この核融合反応の発電などへの応用上の最大の利点は、燃料イオンと核融合陽子の制御に静電場を用いることができることである。 高速の陽子は正電荷を帯びた粒子であるため、その運動エネルギーを固体変換材料などを用いて直接電気に変換することができる。 タービン発電機を駆動するために陽子のエネルギーを熱に変換する必要がないため、潜在的な変換効率は70%に達する可能性があります。

ヘリウム3発電所の性能については様々な主張があります。 提案者によると、重水素とヘリウム3を使った核融合発電所は、技術的な複雑さが少なく、変換効率が高く、サイズが小さく、放射性燃料がなく、大気や水の汚染がなく、低レベルの放射性廃棄物処理しか必要としないため、資本コストと運営コストが競合他社よりも低くなるという。 最近の試算では、最初のヘリウム3核融合発電所の開発・建設には約60億ドルの投資資金が必要とされている。 今日の卸電力価格（1キロワット時当たり5米ドルセント）で計算すると、1ギガワット級の発電所が5基稼働し、古い従来型発電所の代替や新たな需要に対応した時点で収支が均衡することになる。

現実はそれほど明確ではない。 世界で最も進んだ核融合プログラムは、国立点火施設などの慣性閉じ込め核融合と、ITERやWendelstein 7-Xなどの磁場閉じ込め核融合である。 前者の場合、発電までの確実なロードマップはありません。 後者の場合、商業的な発電が期待できるのは2050年頃です。 いずれの場合も、議論されている核融合のタイプは最も単純なものである。 D-T融合である。 その理由は、この反応のクーロン障壁が非常に低いからである。D+3Heの場合、障壁ははるかに高く、3He-3Heの場合はさらに高くなる。 ITERや米国国立点火施設のような原子炉が莫大なコストを要するのは、その大きさに起因するところが大きいが、より高いプラズマ温度にスケールアップするには、さらに大きな原子炉が必要となる。 D-3He核融合では、14.7MeVの陽子と3.6MeVのアルファ粒子が得られ、さらに変換効率が高いため、D-T核融合（17.6MeV）よりも1kgあたりの電力量が多くなるが、それほど多くはならない。 また、ヘリウム3核融合反応の反応率はそれほど高くないため、同じ量の電力を得るためには、より大きな原子炉、あるいはより多くの原子炉が必要になるという欠点もある。

D-T核融合はもちろんのこと、より困難なD-3He核融合でさえ経済的ではないかもしれない大規模な発電所の問題を解決するために、Fusor、Polywell、Focus fusionなど、他の多くの原子炉が提案されていますが、これらのコンセプトの多くは、エネルギーの純増を達成するための根本的な問題を抱えており、一般的に熱不平衡状態での核融合を実現しようとしていますが、これは潜在的に不可能であることが判明しており、結果として、これらの長期的なプログラムは低予算にもかかわらず、資金を集めるのに苦労する傾向があります。 しかし、「大きな」「熱い」核融合システムとは異なり、もしこのようなシステムが成功すれば、より障壁の高い「非中性子」燃料にスケールアップすることができるため、支持者はヘリウム-3のようなエキゾチックな燃料を必要としないp-B核融合を推進する傾向にあります。