Hel-3

Detekcja neutronówEdit

Hel-3 jest ważnym izotopem w przyrządach do detekcji neutronów. Posiada on wysoki przekrój absorpcji dla wiązek neutronów termicznych i jest używany jako gaz konwertujący w detektorach neutronów. Neutron jest przekształcany w reakcji jądrowej

n + 3He → 3H + 1H + 0,764 MeV

w naładowane cząstki jonów trytu (T, 3H) i jonów wodoru, lub protonów (p, 1H), które są następnie wykrywane poprzez tworzenie chmury ładunków w gazie zatrzymującym licznika proporcjonalnego lub rurki Geigera-Müllera.

Ponadto, proces absorpcji jest silnie zależny od spinu, co pozwala spolaryzowanej spinowo objętości helu-3 przepuszczać neutrony z jednym składnikiem spinu, podczas gdy drugi składnik jest pochłaniany. Efekt ten jest wykorzystywany w analizie polaryzacji neutronów, technice, która bada właściwości magnetyczne materii.

Departament Bezpieczeństwa Wewnętrznego Stanów Zjednoczonych miał nadzieję na rozmieszczenie detektorów do wykrywania przemycanego plutonu w kontenerach transportowych na podstawie emisji neutronów, ale światowy niedobór helu-3 po zmniejszeniu produkcji broni jądrowej od czasów zimnej wojny w pewnym stopniu to uniemożliwił. W 2012 r. DHS stwierdził, że komercyjne dostawy boru-10 pozwoliłyby na konwersję infrastruktury wykrywania neutronów na tę technologię.

KriogenikaEdit

Lodówka helowa-3 wykorzystuje hel-3 do osiągnięcia temperatury od 0,2 do 0,3 kelwina. Chłodziarka rozcieńczalnikowa wykorzystuje mieszaninę helu-3 i helu-4, aby osiągnąć temperatury kriogeniczne tak niskie, jak kilka tysięcznych kelwina.

Ważną właściwością helu-3, która odróżnia go od bardziej powszechnego helu-4, jest to, że jego jądro jest fermionem, ponieważ zawiera nieparzystą liczbę cząstek o spinie 1⁄2. Jądra helu-4 są bozonami, zawierają parzystą liczbę cząstek o spinie 1⁄2. Wynika to bezpośrednio z reguł dodawania dla skwantowanego momentu pędu. W niskich temperaturach (ok. 2,17 K) hel-4 ulega przemianie fazowej: Pewien jego ułamek wchodzi w fazę nadciekłą, którą można z grubsza rozumieć jako rodzaj kondensatu Bosego-Einsteina. Taki mechanizm nie jest dostępny dla atomów helu-3, które są fermionami. Jednak powszechnie spekulowano, że hel-3 mógłby stać się nadciekły w znacznie niższych temperaturach, gdyby atomy tworzyły pary analogiczne do par Coopera w teorii BCS nadprzewodnictwa. Każda para Coopera, posiadająca spin całkowity, może być traktowana jako bozon. W latach 70-tych David Lee, Douglas Osheroff i Robert Coleman Richardson odkryli dwa przejścia fazowe wzdłuż krzywej topnienia, które wkrótce zostały uznane za dwie fazy nadciekłe helu-3. Przejście w stan nadciekły następuje w temperaturze 2,491 milikelwinów na krzywej topnienia. Za swoje odkrycie otrzymali w 1996 r. Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Aleksiej Abrikosow, Witalij Ginzburg i Tony Leggett otrzymali Nagrodę Nobla z fizyki w 2003 roku za pracę nad udoskonaleniem zrozumienia fazy nadciekłej helu-3.

W zerowym polu magnetycznym istnieją dwie odrębne fazy nadciekłe 3He, faza A i faza B. Faza B jest fazą o niskiej temperaturze i niskim ciśnieniu, która posiada izotropową przerwę energetyczną. Faza A jest fazą o wyższej temperaturze i wyższym ciśnieniu, która jest dodatkowo stabilizowana przez pole magnetyczne i posiada dwa węzły punktowe w swojej szczelinie. Obecność dwóch faz jest wyraźną wskazówką, że 3He jest niekonwencjonalnym nadprzewodnikiem, ponieważ obecność dwóch faz wymaga złamania dodatkowej symetrii, innej niż symetria gauge’a. W rzeczywistości jest to nadprzewodnik typu p-adrenergicznego. W rzeczywistości jest to p-falowy superpłyn o spinie jeden, S=1, i pędzie jeden, L=1. Stan podstawowy odpowiada całkowitemu zerowemu momentowi pędu, J=S+L=0 (dodawanie wektorów). Możliwe są stany wzbudzone z niezerowym całkowitym momentem pędu, J>0, które są wzbudzonymi parami trybów kolektywnych. Ze względu na ekstremalną czystość nadciekłego 3He (ponieważ wszystkie materiały z wyjątkiem 4He zestaliły się i opadły na dno ciekłego 3He, a 4He całkowicie oddzieliło się od fazy, jest to najczystszy stan materii skondensowanej), te tryby kolektywne zostały zbadane z dużo większą precyzją niż w jakimkolwiek innym niekonwencjonalnym układzie par.

Obrazowanie medyczneEdit

Jądra helu-3 mają wewnętrzny spin jądrowy 1⁄2 i stosunkowo wysoki współczynnik magnetogryczny. Hel-3 może być spolaryzowany hiperpolaryzacyjnie przy użyciu środków nierównowagowych, takich jak pompowanie optyczne z wymianą spinu. Podczas tego procesu, spolaryzowane kołowo podczerwone światło laserowe, dostrojone do odpowiedniej długości fali, jest używane do wzbudzenia elektronów w metalu alkalicznym, takim jak cez lub rubid, znajdującym się w zamkniętym szklanym naczyniu. Moment pędu jest przenoszony z elektronów metalu alkalicznego do jąder gazu szlachetnego poprzez zderzenia. W istocie, proces ten skutecznie wyrównuje spiny jądrowe z polem magnetycznym w celu wzmocnienia sygnału NMR. Hiperpolaryzowany gaz może być następnie przechowywany pod ciśnieniem 10 atm, przez okres do 100 godzin. Po inhalacji, mieszaniny gazów zawierające hiperpolaryzowany hel-3 mogą być obrazowane za pomocą skanera MRI w celu uzyskania anatomicznych i funkcjonalnych obrazów wentylacji płuc. Technika ta jest również w stanie wyprodukować obrazy drzewa dróg oddechowych, zlokalizować niewentylowane defekty, zmierzyć ciśnienie parcjalne tlenu w pęcherzykach płucnych i zmierzyć stosunek wentylacji do perfuzji. Technika ta może być krytyczna w diagnostyce i zarządzaniu leczeniem przewlekłych chorób układu oddechowego, takich jak przewlekła obturacyjna choroba płuc (POChP), rozedma, mukowiscydoza i astma.

Pochłaniacz energii radiowej do eksperymentów z plazmą w tokamakuEdit

Oba tokamaki Alcator C-Mod MIT i Joint European Torus (JET) eksperymentowały z dodaniem odrobiny He-3 do plazmy H-D, aby zwiększyć absorpcję energii o częstotliwości radiowej (RF) w celu podgrzania jonów H & D, efekt „trzech jonów”.

Paliwo jądroweEdit

3He może być produkowany przez niskotemperaturową fuzję → 3He + γ + 4.98 MeV. Jeśli temperatura fuzji jest niższa od temperatury, w której jądra helu mogą się połączyć, w wyniku reakcji powstaje wysokoenergetyczna cząstka alfa, która szybko nabywa elektron, tworząc stabilny lekki jon helu, który może być bezpośrednio wykorzystany jako źródło energii elektrycznej bez wytwarzania niebezpiecznych neutronów.

Szybkość reakcji syntezy jądrowej wzrasta gwałtownie wraz z temperaturą aż do osiągnięcia maksimum, a następnie stopniowo spada. Szybkość DT osiąga szczyt w niższej temperaturze (około 70 keV, lub 800 milionów kelwinów) i przy wyższej wartości niż inne reakcje powszechnie rozważane dla energii termojądrowej.

3He może być użyty w reakcjach termojądrowych przez jedną z reakcji 2H + 3He → 4He + 1p + 18.3 MeV, lub 3He + 3He → 4He + 2 1p+ 12.86 MeV.

Konwencjonalny proces syntezy jądrowej deuter + tryt („D-T”) wytwarza energetyczne neutrony, które powodują, że elementy reaktora stają się radioaktywne z produktami aktywacji. Atrakcyjność fuzji helu-3 wynika z aneutronowego charakteru produktów reakcji. Sam hel-3 jest nieradioaktywny. Samotny wysokoenergetyczny produkt uboczny, proton, może być zatrzymany za pomocą pól elektrycznych i magnetycznych. Energia pędu tego protonu (wytworzona w procesie fuzji) będzie oddziaływać z polem elektromagnetycznym, w którym zachodzi reakcja, dając w efekcie bezpośrednią produkcję energii elektrycznej netto.

Z powodu wyższej bariery Coulomba, temperatury wymagane dla fuzji 2H + 3He są znacznie wyższe niż dla konwencjonalnej fuzji D-T. Ponadto, ponieważ oba reagenty muszą być zmieszane ze sobą, aby doszło do fuzji, będą zachodziły reakcje pomiędzy jądrami tego samego reagenta, a reakcja D-D (2H + 2H) wytwarza neutron. Szybkość reakcji zmienia się w zależności od temperatury, ale szybkość reakcji D-3He nigdy nie jest większa niż 3,56 razy szybkość reakcji D-D (patrz wykres). Dlatego fuzja z użyciem paliwa D-3He w odpowiedniej temperaturze i czystej mieszanki paliwowej D może dać znacznie niższy strumień neutronów niż fuzja D-T, ale nie jest czysta, co neguje jej główną atrakcyjność.

Druga możliwość, fuzja 3He z samym sobą (3He + 3He), wymaga jeszcze wyższej temperatury (ponieważ teraz oba reagenty mają ładunek +2), a więc jest jeszcze trudniejsza niż reakcja D-3He. Jest to jednak możliwa reakcja, która nie wytwarza neutronów; powstające naładowane protony mogą być zatrzymywane za pomocą pól elektrycznych i magnetycznych, co z kolei umożliwia bezpośrednie wytwarzanie energii elektrycznej. Fuzja 3He + 3He jest możliwa do przeprowadzenia w warunkach laboratoryjnych i ma ogromne zalety, ale jej komercyjne wykorzystanie jest odległe o wiele lat.

Ilości helu-3 potrzebnego do zastąpienia paliw konwencjonalnych są znaczne w porównaniu z ilościami obecnie dostępnymi. Całkowita ilość energii wytworzonej w reakcji 2D + 3He wynosi 18,4 MeV, co odpowiada około 493 megawatogodzinom (4,93×108 W-h) na trzy gramy (jeden mol) 3He. Gdyby tę całkowitą ilość energii można było przetworzyć na energię elektryczną ze 100% wydajnością (fizyczna niemożliwość), odpowiadałoby to około 30 minutom pracy gigawatowej elektrowni na jeden mol 3He. Zatem roczna produkcja (przy 6 gramach na każdą godzinę pracy) wymagałaby 52,5 kilograma helu-3. Ilość paliwa potrzebnego do zastosowań wielkoskalowych można również przedstawić w kategoriach całkowitego zużycia: zużycie energii elektrycznej przez 107 milionów amerykańskich gospodarstw domowych w 2001 roku wyniosło 1 140 miliardów kW-h (1,14×1015 W-h). Zakładając 100% sprawność konwersji, do zaspokojenia tego segmentu zapotrzebowania na energię w Stanach Zjednoczonych potrzebne byłoby 6,7 ton helu-3 rocznie, a przy bardziej realistycznej sprawności konwersji end-to-end – 15-20 ton rocznie.

Druga generacja kontrolowanej syntezy jądrowej polega na połączeniu helu-3 i deuteru (2D). W wyniku tej reakcji powstaje jon helu-4 (4He) (podobny do cząstki alfa, ale innego pochodzenia) oraz wysokoenergetyczny proton (dodatnio naładowany jon wodoru). Najważniejszą potencjalną zaletą reakcji fuzji jądrowej dla produkcji energii elektrycznej oraz innych zastosowań jest jej kompatybilność z wykorzystaniem pól elektrostatycznych do sterowania jonami paliwa i protonami fuzyjnymi. Szybkie protony, jako dodatnio naładowane cząstki, mogą mieć swoją energię kinetyczną przekształcaną bezpośrednio w energię elektryczną, poprzez zastosowanie półprzewodnikowych materiałów konwersyjnych, jak również innych technik. Potencjalna sprawność konwersji może wynosić 70%, ponieważ nie ma potrzeby przekształcania energii protonów w ciepło, aby napędzać generator elektryczny zasilany turbiną.

Pojawiało się wiele twierdzeń na temat możliwości elektrowni wykorzystujących hel-3. Według zwolenników, elektrownie termojądrowe pracujące na deuterze i helu-3 oferują niższe koszty inwestycyjne i operacyjne niż ich konkurenci ze względu na mniejszą złożoność techniczną, wyższą sprawność konwersji, mniejsze rozmiary, brak paliwa radioaktywnego, brak zanieczyszczeń powietrza i wody oraz konieczność składowania tylko niewielkich odpadów radioaktywnych. Według ostatnich szacunków, do opracowania i budowy pierwszej elektrowni wykorzystującej syntezę helu-3 potrzebny będzie kapitał inwestycyjny w wysokości około 6 mld USD. Finansowy próg rentowności przy dzisiejszych cenach hurtowych energii elektrycznej (5 centów za kilowatogodzinę) zostałby osiągnięty po uruchomieniu pięciu elektrowni o mocy 1 gigawata, które zastąpiłyby stare elektrownie konwencjonalne lub zaspokoiłyby nowe zapotrzebowanie. Najbardziej zaawansowane programy fuzji jądrowej na świecie to fuzja z zamknięciem bezwładnościowym (np. National Ignition Facility) i magnetycznym (np. ITER i Wendelstein 7-X). W przypadku tej pierwszej nie ma solidnej mapy drogowej do wytwarzania energii. W drugim przypadku komercyjne wytwarzanie energii elektrycznej przewiduje się dopiero około 2050 roku. W obu przypadkach omawiany rodzaj fuzji jest najprostszy: fuzja D-T. Powodem tego jest bardzo niska bariera Coulomba dla tej reakcji; dla D+3He bariera ta jest znacznie wyższa, a dla 3He-3He jeszcze wyższa. Ogromne koszty reaktorów takich jak ITER czy National Ignition Facility wynikają w dużej mierze z ich ogromnych rozmiarów, jednak zwiększenie skali do wyższych temperatur plazmy wymagałoby reaktorów o wiele większych. Energia 14,7 MeV protonów i 3,6 MeV cząstek alfa z fuzji D-3He, plus wyższa sprawność konwersji, oznacza, że z kilograma uzyskuje się więcej energii elektrycznej niż w przypadku fuzji D-T (17,6 MeV), ale nie aż tak dużo. Dodatkowym minusem jest fakt, że szybkości reakcji syntezy helu-3 nie są szczególnie wysokie, co sprawia, że do wytworzenia tej samej ilości energii elektrycznej potrzebny jest większy reaktor lub więcej reaktorów.

Próbując obejść problem ogromnych elektrowni, które mogą być nieopłacalne nawet w przypadku fuzji D-T, nie mówiąc już o znacznie trudniejszej fuzji D-3He, zaproponowano wiele innych reaktorów – Fusor, Polywell, Focus fusion i wiele innych, choć wiele z tych koncepcji ma fundamentalne problemy z osiągnięciem zysku energetycznego netto i generalnie próbuje osiągnąć fuzję w nierównowadze termicznej, co potencjalnie może okazać się niemożliwe, a co za tym idzie, te dalekosiężne programy mają problemy ze zdobyciem funduszy mimo niskich budżetów. W przeciwieństwie jednak do „dużych”, „gorących” systemów fuzji, gdyby takie systemy zadziałały, mogłyby być skalowane do paliw o wyższej barierze „aneutronowej”, dlatego ich zwolennicy promują fuzję p-B, która nie wymaga egzotycznych paliw, takich jak hel-3.

.