Hélio-3 (Português)

Detecção de neutrõesEditar

Hélio-3 é um isótopo importante na instrumentação para a detecção de neutrões. Tem uma secção transversal de alta absorção para feixes de neutrões térmicos e é utilizado como gás conversor em detectores de neutrões. O neutron é convertido através da reacção nuclear

n + 3He → 3H + 1H + 0,764 MeV

em partículas carregadas de iões trítio (T, 3H) e iões de hidrogénio, ou protões (p, 1H) que são depois detectados através da criação de uma nuvem de carga no gás de paragem de um contador proporcional ou de um tubo Geiger-Müller.

Outras vezes, o processo de absorção é fortemente dependente do spin, o que permite que um volume de hélio-3 polimerizado por spin transmita neutrões com um componente spin enquanto absorve o outro. Este efeito é empregado na análise de polarização de neutrões, uma técnica que sonda as propriedades magnéticas da matéria.

O Departamento de Segurança Interna dos Estados Unidos esperava utilizar detectores para detectar plutónio contrabandeado em contentores de transporte pelas suas emissões de neutrões, mas a escassez mundial de hélio-3 na sequência da diminuição da produção de armas nucleares desde a Guerra Fria tem, até certo ponto, evitado isto. A partir de 2012, o DHS determinou que o fornecimento comercial de boro-10 apoiaria a conversão da sua infra-estrutura de detecção de neutrões para essa tecnologia.

CryogenicsEdit

Um frigorífico de hélio-3 utiliza hélio-3 para atingir temperaturas de 0,2 a 0,3 kelvin. Um frigorífico de diluição usa uma mistura de hélio-3 e hélio-4 para atingir temperaturas criogénicas tão baixas como alguns milésimos de um kelvin.

Uma propriedade importante do hélio-3, que o distingue do hélio-4 mais comum, é que o seu núcleo é um férmion, uma vez que contém um número ímpar de partículas de spin 1⁄2. Os núcleos de hélio-4 são bósons, contendo um número ímpar de partículas de spin 1⁄2. Isto é um resultado directo das regras de adição de impulso angular quantizado. A baixas temperaturas (cerca de 2,17 K), o hélio-4 sofre uma transição de fase: Uma fracção do mesmo entra numa fase superfluida que pode ser grosseiramente entendida como um tipo de condensado de Bose-Einstein. Tal mecanismo não está disponível para os átomos de hélio-3, que são férmions. No entanto, especulou-se amplamente que o hélio-3 poderia também tornar-se um superfluido a temperaturas muito mais baixas, se os átomos se formassem em pares análogos aos pares de Cooper na teoria da supercondutividade da BCS. Cada par de Cooper, tendo spin inteiro, pode ser pensado como um bóson. Durante a década de 1970, David Lee, Douglas Osheroff e Robert Coleman Richardson descobriram duas transições de fases ao longo da curva de fusão, que logo se realizaram como sendo as duas fases supérfluas do hélio-3. A transição para um superfluido ocorre a 2,491 millikelvins na curva de fusão. Foram galardoados com o Prémio Nobel da Física de 1996 pela sua descoberta. Alexei Abrikosov, Vitaly Ginzburg, e Tony Leggett ganharam o Prémio Nobel da Física de 2003 pelo seu trabalho de aperfeiçoamento da compreensão da fase superfluida do hélio-3.

Num campo magnético zero, há duas fases superfluidas distintas de 3He, a fase A e a fase B. A fase B é a fase de baixa temperatura e baixa pressão, que tem uma lacuna energética isotrópica. A fase A é a fase de maior temperatura, fase de maior pressão que é mais estabilizada por um campo magnético e tem dois nós de pontos no seu intervalo. A presença de duas fases é uma clara indicação de que 3He é um superfluido não convencional (supercondutor), uma vez que a presença de duas fases requer uma simetria adicional, para além da simetria manométrica, para ser quebrada. Na realidade, é um superfluido de onda p, com spin one, S=1, e momento angular one, L=1. O estado do solo corresponde ao momento angular total zero, J=S+L=0 (adição vectorial). Os estados excitados são possíveis com momento angular total não-zero, J>0, que são modos colectivos de par excitado. Devido à extrema pureza do superfluido 3He (uma vez que todos os materiais excepto 4He solidificaram e afundaram até ao fundo do líquido 3He e qualquer 4He separou completamente de fase, este é o estado mais puro da matéria condensada), estes modos colectivos foram estudados com muito maior precisão do que em qualquer outro sistema de emparelhamento não convencional.

imagiologia médicaEdit

núcleos de hélio-3 têm um spin nuclear intrínseco de 1⁄2, e uma relação magnetotécnica relativamente alta. O hélio-3 pode ser hiperpolarizado utilizando meios não-equilibrios, tais como a bombagem óptica de troca de spin. Durante este processo, a luz laser infravermelha circularmente polarizada, sintonizada no comprimento de onda apropriado, é utilizada para excitar electrões num metal alcalino, como o césio ou o rubídio dentro de um recipiente de vidro selado. O momento angular é transferido dos electrões do metal alcalino para os núcleos de gás nobre através de colisões. Em essência, este processo alinha eficazmente as rotações nucleares com o campo magnético, a fim de melhorar o sinal NMR. O gás hiperpolarizado pode então ser armazenado a pressões de 10 atm, durante até 100 horas. Após inalação, as misturas de gás contendo o gás hélio-3 hiperpolarizado podem ser imitadas com um scanner de ressonância magnética para produzir imagens anatómicas e funcionais da ventilação pulmonar. Esta técnica é também capaz de produzir imagens da árvore das vias aéreas, localizar defeitos não ventilados, medir a pressão parcial do oxigénio alveolar e medir a relação ventilação/perfusão. Esta técnica pode ser crítica para o diagnóstico e tratamento de doenças respiratórias crónicas, tais como doença pulmonar obstrutiva crónica (DPOC), enfisema, fibrose cística, e asma.

Absorvedor de energia de rádio para experiências de plasma tokamakEdit

Tanto o Alcator C-Mod tokamak do MIT como o Joint European Torus (JET) experimentaram adicionar um pouco de He-3 a um plasma H-D para aumentar a absorção de energia de radio-frequência (RF) para aquecer o H & iões D, um efeito de “três iões”.

Combustível nuclearEdit

>th>Produtosth>>th>Qth>n/MeV

>/tr>

>2(4He + n + p)

3P>3Ele pode ser produzido pela fusão a baixa temperatura de → 3He + γ + 4,98 MeV. Se a temperatura de fusão for inferior à dos núcleos de hélio a fundir, a reacção produz uma partícula alfa de alta energia que rapidamente adquire um electrão produzindo um ião de hélio leve estável que pode ser utilizado directamente como fonte de electricidade sem produzir neutrões perigosos.

A taxa de reacção de fusão aumenta rapidamente com a temperatura até se maximizar e depois cai gradualmente. A taxa de DT atinge picos a uma temperatura mais baixa (cerca de 70 keV, ou 800 milhões de kelvins) e a um valor superior a outras reacções geralmente consideradas para energia de fusão.

3He pode ser utilizado em reacções de fusão por qualquer das reacções 2H + 3He → 4He + 1p + 18.3 MeV, ou 3He + 3He → 4He + 2 1p+ 12,86 MeV.

O processo de fusão convencional deutério + trítio (“D-T”) produz neutrões energéticos que tornam os componentes do reactor radioactivos com produtos de activação. O apelo da fusão do hélio-3 deriva da natureza aneutrónica dos seus produtos de reacção. O próprio hélio-3 é não radioactivo. O único subproduto de alta energia, o próton, pode ser contido utilizando campos eléctricos e magnéticos. A energia dinâmica deste protão (criada no processo de fusão) irá interagir com o campo electromagnético que o contém, resultando na produção directa de electricidade líquida.

Por causa da barreira Coulomb mais elevada, as temperaturas necessárias para a fusão 2H + 3He são muito superiores às da fusão D-T convencional. Além disso, como ambos os reagentes precisam de ser misturados para se fundirem, ocorrerão reacções entre núcleos do mesmo reagente, e a reacção D-D (2H + 2H) produz de facto um neutrónico. As taxas de reacção variam com a temperatura, mas a taxa de reacção D-3He nunca é superior a 3,56 vezes a taxa de reacção D-D (ver gráfico). Portanto, a fusão usando combustível D-3He à temperatura certa e uma mistura de combustível D-lean, pode produzir um fluxo de neutrões muito inferior à fusão D-T, mas não é limpa, negando alguma da sua principal atracção.

A segunda possibilidade, fundindo 3He consigo mesma (3He + 3He), requer temperaturas ainda mais elevadas (uma vez que agora ambos os reagentes têm uma carga +2), e portanto é ainda mais difícil do que a reacção D-3He. Contudo, oferece uma possível reacção que não produz neutrões; os prótons carregados produzidos podem ser contidos utilizando campos eléctricos e magnéticos, o que, por sua vez, resulta na produção directa de electricidade. 3He + 3He a fusão é viável como demonstrado em laboratório e tem imensas vantagens, mas a viabilidade comercial é de muitos anos no futuro.

As quantidades de hélio-3 necessárias como substituto dos combustíveis convencionais são substanciais em comparação com as quantidades actualmente disponíveis. A quantidade total de energia produzida na reacção 2D + 3He é de 18,4 MeV, o que corresponde a cerca de 493 megawatts-hora (4,93×108 W-h) por três gramas (uma mole) de 3He. Se a quantidade total de energia pudesse ser convertida em energia eléctrica com 100% de eficiência (uma impossibilidade física), corresponderia a cerca de 30 minutos de produção de uma central eléctrica de gigawatts por mole de 3He. Assim, um ano de produção (a 6 gramas por cada hora de operação) exigiria 52,5 quilogramas de hélio-3. A quantidade de combustível necessária para aplicações em grande escala também pode ser avaliada em termos de consumo total: o consumo de electricidade por 107 milhões de lares americanos em 2001 totalizou 1.140 mil milhões de kW-h (1,14×1015 W-h). Mais uma vez assumindo uma eficiência de conversão de 100%, seriam necessárias 6,7 toneladas por ano de hélio-3 para esse segmento da procura energética dos Estados Unidos, 15 a 20 toneladas por ano dada uma eficiência de conversão de ponta a ponta mais realista.

Uma abordagem de segunda geração à energia de fusão controlada envolve a combinação de hélio-3 e deutério (2D). Esta reacção produz um íon hélio-4 (4He) (como uma partícula alfa, mas de origem diferente) e um próton de alta energia (íon de hidrogénio com carga positiva). A vantagem potencial mais importante desta reacção de fusão para a produção de energia, bem como outras aplicações, reside na sua compatibilidade com a utilização de campos electrostáticos para controlar os iões de combustível e os prótons de fusão. Os prótons de alta velocidade, como partículas com carga positiva, podem ter a sua energia cinética convertida directamente em electricidade, através da utilização de materiais de conversão de estado sólido, bem como de outras técnicas. Podem ser possíveis eficiências de conversão potenciais de 70%, uma vez que não há necessidade de converter energia de protões em calor a fim de accionar um gerador eléctrico alimentado por turbina.

Têm havido muitas alegações sobre as capacidades das centrais eléctricas de hélio-3. De acordo com os proponentes, as centrais de fusão a funcionar com deutério e hélio-3 ofereceriam menos capital e custos operacionais do que os seus concorrentes devido à menor complexidade técnica, maior eficiência de conversão, menor dimensão, ausência de combustível radioactivo, ausência de poluição do ar ou da água, e apenas requisitos de eliminação de resíduos radioactivos de baixo nível. Estimativas recentes sugerem que serão necessários cerca de 6 mil milhões de dólares em capital de investimento para desenvolver e construir a primeira central de fusão de hélio-3. Uma ruptura financeira mesmo aos preços actuais da electricidade por grosso (5 cêntimos por quilowatt-hora) ocorreria após cinco centrais de 1-gigawatt estarem em linha, substituindo antigas centrais convencionais ou satisfazendo nova procura.

A realidade não é tão clara. Os programas de fusão mais avançados do mundo são a fusão por confinamento inercial (como a National Ignition Facility) e a fusão por confinamento magnético (como o ITER e Wendelstein 7-X). No caso da primeira, não existe um roteiro sólido para a produção de energia. No caso da segunda, a produção comercial de energia não é esperada até cerca de 2050. Em ambos os casos, o tipo de fusão discutido é o mais simples: Fusão D-T. A razão para isto é a muito baixa barreira Coulomb para esta reacção; para D+3He, a barreira é muito mais alta, e é ainda mais alta para 3He-3He. O imenso custo de reactores como o ITER e o National Ignition Facility deve-se em grande parte ao seu imenso tamanho, mas para escalar até temperaturas de plasma mais elevadas seriam necessários reactores muito maiores ainda. O próton de 14,7 MeV e a partícula alfa de 3,6 MeV da fusão D-3He, mais a maior eficiência de conversão, significa que é obtida mais electricidade por quilograma do que com a fusão D-T (17,6 MeV), mas não muito mais. Como desvantagem adicional, as taxas de reacção para as reacções de fusão hélio-3 não são particularmente elevadas, exigindo um reactor ainda maior ou mais reactores para produzir a mesma quantidade de electricidade.

Para tentar contornar este problema de centrais eléctricas de grandes dimensões que podem nem sequer ser económicas com a fusão D-T, quanto mais a muito mais desafiante fusão D-3He, foram propostos vários outros reactores – a fusão Fusor, Polywell, Focus, e muitos mais, embora muitos destes conceitos tenham problemas fundamentais em alcançar um ganho líquido de energia, e geralmente tentam alcançar a fusão em desequilíbrio térmico, algo que poderia revelar-se potencialmente impossível, e consequentemente, estes programas de longa duração tendem a ter dificuldade em obter financiamento apesar dos seus baixos orçamentos. Ao contrário dos sistemas de fusão “grandes” e “quentes”, porém, se tais sistemas funcionassem, poderiam escalar até à barreira mais alta dos combustíveis “aneutrónicos”, pelo que os seus proponentes tendem a promover a fusão p-B, que não requer combustíveis exóticos como o hélio-3,