Helium-3

NeutronendetectieEdit

Helium-3 is een belangrijke isotoop in instrumentatie voor neutronendetectie. Het heeft een hoge absorptiedoorsnede voor thermische neutronenbundels en wordt gebruikt als convertorgas in neutronendetectoren. Het neutron wordt via de kernreactie

n + 3He → 3H + 1H + 0,764 MeV

omgezet in geladen deeltjes tritiumionen (T, 3H) en waterstofionen, of protonen (p, 1H), die vervolgens worden gedetecteerd door een ladingswolk te creëren in het stopgas van een proportionele teller of een Geiger-Müller-buis.

Daarnaast is het absorptieproces sterk spin-afhankelijk, waardoor een spin-gepolariseerd helium-3-volume neutronen met één spin-component kan uitzenden terwijl het de andere absorbeert. Dit effect wordt gebruikt bij neutronenpolarisatie-analyse, een techniek die magnetische eigenschappen van materie opspoort.

Het Amerikaanse ministerie van Binnenlandse Veiligheid had gehoopt detectoren te kunnen inzetten om gesmokkeld plutonium in scheepscontainers op te sporen aan de hand van hun neutronenemissies, maar het wereldwijde tekort aan helium-3 als gevolg van de terugtrekking van de kernwapenproductie sinds de Koude Oorlog heeft dit tot op zekere hoogte verhinderd. In 2012 heeft het DHS bepaald dat de commerciële levering van borium-10 de omschakeling van zijn neutronendetectie-infrastructuur naar die technologie zou ondersteunen.

CryogenicsEdit

Een helium-3-koelkast gebruikt helium-3 om temperaturen van 0,2 tot 0,3 kelvin te bereiken. Een verdunningskoelkast gebruikt een mengsel van helium-3 en helium-4 om cryogene temperaturen te bereiken van slechts enkele duizendsten van een kelvin.

Een belangrijke eigenschap van helium-3, die het onderscheidt van het meer gangbare helium-4, is dat de kern een fermion is, aangezien deze een oneven aantal spin 1⁄2 deeltjes bevat. Helium-4 kernen zijn bosonen, die een even aantal spin 1⁄2 deeltjes bevatten. Dit is een direct gevolg van de optelregels voor gekwantiseerd impulsmoment. Bij lage temperaturen (ongeveer 2,17 K) ondergaat helium-4 een faseovergang: Een fractie ervan komt in een superfluïde fase die ruwweg kan worden opgevat als een soort Bose-Einstein condensaat. Een dergelijk mechanisme is niet beschikbaar voor helium-3-atomen, die fermionen zijn. Er werd echter alom gespeculeerd dat helium-3 ook bij veel lagere temperaturen een superfluïde zou kunnen worden, als de atomen zich zouden vormen tot paren naar analogie van Cooperparen in de BCS-theorie van supergeleiding. Elk Cooperpaar, dat een gehele spin heeft, kan worden beschouwd als een boson. In de jaren zeventig ontdekten David Lee, Douglas Osheroff en Robert Coleman Richardson twee faseovergangen langs de smeltcurve, waarvan al snel werd aangenomen dat het de twee superfluïde fasen van helium-3 waren. De overgang naar een superfluïde vindt plaats bij 2,491 millikelvins op de smeltkromme. Voor hun ontdekking kregen zij in 1996 de Nobelprijs voor natuurkunde. Alexei Abrikosov, Vitaly Ginzburg en Tony Leggett hebben de Nobelprijs voor natuurkunde 2003 gekregen voor hun werk aan een beter begrip van de superfluïde fase van helium-3.

In een magnetisch veld van nul zijn er twee verschillende superfluïde fasen van 3He, de A-fase en de B-fase. De B-fase is de lage-temperatuur, lage-druk fase die een isotrope energie kloof heeft. De A-fase is de hogere temperatuur, hogere druk fase die verder gestabiliseerd wordt door een magnetisch veld en twee puntknopen in zijn spleet heeft. De aanwezigheid van twee fasen is een duidelijke aanwijzing dat 3He een onconventionele superfluïde (supergeleider) is, aangezien de aanwezigheid van twee fasen vereist dat een extra symmetrie, anders dan de ijksymmetrie, wordt verbroken. In feite is het een p-golf superfluïde, met spin 1, S=1, en impulsmoment 1, L=1. De grondtoestand komt overeen met totaal impulsmoment nul, J=S+L=0 (vectoroptelling). Opgewonden toestanden zijn mogelijk met een totaal impulsmoment van niet nul, J>0, en dat zijn aangeslagen paar-collectieve toestanden. Vanwege de extreme zuiverheid van superfluïd 3He (aangezien alle materialen behalve 4He zijn gestold en naar de bodem van het vloeibare 3He zijn gezonken en elk 4He zich volledig van fase heeft afgescheiden, is dit de meest zuivere toestand in gecondenseerde materie), zijn deze collectieve toestanden met veel grotere precisie bestudeerd dan in enig ander onconventioneel paarsysteem.

Medische beeldvormingEdit

Helium-3 kernen hebben een intrinsieke kernspin van 1⁄2, en een relatief hoge magnetogyric verhouding. Helium-3 kan worden gehyperpolariseerd met behulp van niet-evenwichtsmiddelen, zoals spin-exchange optisch pompen. Tijdens dit proces wordt circulair gepolariseerd infrarood laserlicht, afgestemd op de juiste golflengte, gebruikt om elektronen te exciteren in een alkalimetaal, zoals cesium of rubidium, in een afgesloten glazen vat. Het impulsmoment wordt door middel van botsingen overgedragen van de alkalimetaalelektronen op de edelgaskernen. In wezen brengt dit proces de kernspins op één lijn met het magnetische veld om het NMR-signaal te versterken. Het hypergepolariseerde gas kan vervolgens worden opgeslagen bij een druk van 10 atm, gedurende maximaal 100 uur. Na inhalatie kunnen gasmengsels die het gehyperpolariseerde helium-3-gas bevatten, worden afgebeeld met een MRI-scanner om anatomische en functionele beelden van de longventilatie te verkrijgen. Met deze techniek kunnen ook beelden van de luchtwegenboom worden gemaakt, niet-geventileerde defecten worden gelokaliseerd, de partiële alveolaire zuurstofdruk worden gemeten en de ventilatie/perfusieverhouding worden gemeten. Deze techniek kan van cruciaal belang zijn voor de diagnose en behandeling van chronische respiratoire aandoeningen zoals chronische obstructieve longziekte (COPD), emfyseem, cystische fibrose en astma.

Radio-energie-absorber voor tokamakplasma-experimentenEdit

Zowel MIT’s Alcator C-Mod tokamak als de Joint European Torus (JET) hebben geëxperimenteerd met het toevoegen van een beetje He-3 aan een H-D plasma om de absorptie van radiofrequente (RF) energie te verhogen om de H & D ionen te verhitten, een “drie-ionen”-effect.

Nucleaire brandstofEdit

3He kan worden geproduceerd door de lage-temperatuurfusie van → 3He + γ + 4,98 MeV. Als de fusietemperatuur lager is dan de temperatuur waarbij de heliumkernen kunnen versmelten, produceert de reactie een hoogenergetisch alfadeeltje dat snel een elektron verwerft en een stabiel licht heliumion produceert dat direct als elektriciteitsbron kan worden gebruikt zonder gevaarlijke neutronen te produceren.

De snelheid van de fusiereactie neemt snel toe met de temperatuur totdat deze maximaal is en neemt dan geleidelijk af. De DT-snelheid bereikt een piek bij een lagere temperatuur (ongeveer 70 keV, of 800 miljoen kelvin) en bij een hogere waarde dan andere reacties die gewoonlijk voor fusie-energie in aanmerking worden genomen.

3He kan in fusiereacties worden gebruikt door een van de reacties 2H + 3He → 4He + 1p + 18.3 MeV, of 3He + 3He → 4He + 2 1p+ 12,86 MeV.

Het conventionele deuterium + tritium (“D-T”)-fusieproces produceert energetische neutronen die reactoronderdelen radioactief maken met activeringsproducten. De aantrekkingskracht van helium-3-fusie berust op de aneutronische aard van de reactieproducten. Helium-3 zelf is niet radioactief. Het enige hoogenergetische bijproduct, het proton, kan worden ingedamd met behulp van elektrische en magnetische velden. De impulsenergie van dit proton (ontstaan tijdens het fusieproces) zal in wisselwerking treden met het bevattende elektromagnetische veld, wat resulteert in directe netto elektriciteitsopwekking.

Omdat de Coulomb-barrière hoger is, zijn de temperaturen die nodig zijn voor 2H + 3He fusie veel hoger dan die van conventionele D-T fusie. Bovendien, aangezien beide reactanten moeten worden gemengd om te fuseren, zullen reacties tussen kernen van hetzelfde reactant optreden, en de D-D reactie (2H + 2H) produceert wel een neutron. De reactiesnelheid varieert met de temperatuur, maar de D-3He reactiesnelheid is nooit groter dan 3,56 maal de D-D reactiesnelheid (zie grafiek). Daarom kan fusie met D-3He brandstof bij de juiste temperatuur en een D-lean brandstofmengsel een veel lagere neutronenflux produceren dan D-T fusie, maar het is niet schoon, waardoor een deel van de belangrijkste aantrekkingskracht teniet wordt gedaan.

De tweede mogelijkheid, het fuseren van 3He met zichzelf (3He + 3He), vereist nog hogere temperaturen (omdat nu beide reactanten een +2 lading hebben), en is dus nog moeilijker dan de D-3He reactie. Het biedt echter wel een mogelijke reactie waarbij geen neutronen worden geproduceerd; de geproduceerde geladen protonen kunnen worden ingedamd met behulp van elektrische en magnetische velden, wat weer resulteert in directe elektriciteitsopwekking. 3He + 3He fusie is haalbaar zoals aangetoond in het laboratorium en heeft immense voordelen, maar commerciële levensvatbaarheid ligt nog vele jaren in de toekomst.

De hoeveelheden helium-3 die nodig zijn als vervanging voor conventionele brandstoffen zijn aanzienlijk in vergelijking met de hoeveelheden die momenteel beschikbaar zijn. De totale hoeveelheid energie die wordt geproduceerd in de 2D + 3He-reactie is 18,4 MeV, wat overeenkomt met ongeveer 493 megawattuur (4,93×108 W-h) per drie gram (één mol) 3He Als de totale hoeveelheid energie zou kunnen worden omgezet in elektrisch vermogen met een efficiëntie van 100% (een fysische onmogelijkheid), zou dit overeenkomen met ongeveer 30 minuten output van een gigawatt-elektriciteitscentrale per mol 3He. Voor de productie van een jaar (bij 6 gram voor elk bedrijfsuur) zou dus 52,5 kilogram helium-3 nodig zijn. De hoeveelheid brandstof die nodig is voor grootschalige toepassingen kan ook worden uitgedrukt in termen van totaal verbruik: het elektriciteitsverbruik van 107 miljoen Amerikaanse huishoudens bedroeg in 2001 in totaal 1.140 miljard kW-h (1,14×1015 W-h). Wederom uitgaande van een omzettingsefficiëntie van 100%, zou voor dat deel van de energiebehoefte van de Verenigde Staten 6,7 ton helium-3 per jaar nodig zijn, 15 tot 20 ton per jaar bij een realistischer end-to-end omzettingsefficiëntie.

Een tweede generatie benadering van beheerste fusie-energie behelst een combinatie van helium-3 en deuterium (2D). Deze reactie produceert een helium-4-ion (4He) (als een alfadeeltje, maar van een andere oorsprong) en een hoogenergetisch proton (positief geladen waterstofion). Het belangrijkste potentiële voordeel van deze fusiereactie voor energieopwekking en andere toepassingen ligt in de compatibiliteit ervan met het gebruik van elektrostatische velden om de brandstofionen en de fusieprotonen te beheersen. Snelle protonen kunnen, als positief geladen deeltjes, hun kinetische energie rechtstreeks in elektriciteit laten omzetten, zowel met behulp van materialen voor vaste-stofomzetting als met andere technieken. Potentiële omzettingsefficiënties van 70% zijn mogelijk, omdat het niet nodig is protonenergie om te zetten in warmte om een door een turbine aangedreven elektrische generator aan te drijven.

Er zijn veel beweringen gedaan over de mogelijkheden van helium-3 krachtcentrales. Volgens de voorstanders zouden fusiecentrales die werken op deuterium en helium-3 lagere kapitaal- en bedrijfskosten hebben dan hun concurrenten, vanwege de geringere technische complexiteit, de hogere omzettingsefficiëntie, de kleinere afmetingen, de afwezigheid van radioactieve brandstof, de afwezigheid van lucht- en waterverontreiniging, en de geringe behoefte aan verwijdering van radioactief afval. Volgens recente ramingen is voor de ontwikkeling en bouw van de eerste fusiecentrale op basis van helium-3 ongeveer 6 miljard dollar aan investeringskapitaal nodig. Bij de huidige groothandelsprijzen voor elektriciteit (5 dollarcent per kilowattuur) zou het financiële evenwicht pas worden bereikt wanneer vijf centrales van 1 gigawatt in bedrijf zijn, ter vervanging van oude conventionele centrales of om aan de nieuwe vraag te voldoen.

De realiteit is niet zo eenduidig. De meest geavanceerde fusieprogramma’s in de wereld zijn inertiële opsluiting (zoals de National Ignition Facility) en magnetische opsluiting (zoals ITER en Wendelstein 7-X). In het eerste geval is er geen solide routekaart naar energieopwekking. In het laatste geval wordt commerciële stroomopwekking pas rond 2050 verwacht. In beide gevallen is de besproken vorm van fusie de eenvoudigste: D-T fusie. De reden hiervoor is de zeer lage Coulomb-barrière voor deze reactie; voor D+3He is de barrière veel hoger, en voor 3He-3He is hij nog hoger. De immense kosten van reactoren als ITER en de National Ignition Facility zijn grotendeels te wijten aan hun immense omvang, maar om op te schalen naar hogere plasmatemperaturen zouden reactoren nodig zijn die nog veel groter zijn. Het proton van 14,7 MeV en het alfadeeltje van 3,6 MeV van D-3He fusie, plus de hogere omzettingsefficiëntie, betekent dat er per kilogram meer elektriciteit wordt verkregen dan met D-T fusie (17,6 MeV), maar niet zo veel meer. Een ander nadeel is dat de reactiesnelheid voor helium-3-fusiereacties niet bijzonder hoog is, zodat een nog grotere reactor of meer reactoren nodig zijn om dezelfde hoeveelheid elektriciteit te produceren.

Om dit probleem van enorme krachtcentrales te omzeilen, die misschien niet eens rendabel zijn met D-T fusie, laat staan met de veel moeilijkere D-3He fusie, zijn een aantal andere reactoren voorgesteld – de Fusor, Polywell, Focus fusie, en nog veel meer, hoewel veel van deze concepten fundamentele problemen hebben met het bereiken van een netto energiewinst, en in het algemeen proberen fusie te bereiken in thermisch onevenwicht, iets wat mogelijk onmogelijk zou kunnen blijken, en bijgevolg hebben deze lange-termijn programma’s vaak moeite om financiering te krijgen, ondanks hun lage budgetten. In tegenstelling tot de “grote”, “hete” fusiesystemen echter, zouden dergelijke systemen, als ze zouden werken, kunnen worden opgeschaald naar de “aneutronische” brandstoffen met een hogere barrière, en daarom zijn hun voorstanders geneigd p-B fusie te promoten, waarvoor geen exotische brandstoffen zoals helium-3 nodig zijn.