Гелий-3

У этого термина существуют и другие значения, см. .

Ге́лий-3 — стабильный изотоп гелия. Ядро гелия-3 (гелион) состоит из двух протонов и одного нейтрона, в отличие от более тяжёлого другого стабильного изотопа — гелия-4, имеющего в составе два протона и два нейтрона.

Гелий-3
Название, символ	Гелий-3, ^3He
Нейтронов	1
Свойства нуклида
Атомная масса	3,0160293191(26) а. е. м.
Дефект массы	14 931,2148(24) кэВ
Удельная энергия связи (на нуклон)	2572,681(1) кэВ
Изотопная распространённость	0,000137(3) %
Период полураспада	стабильный
Родительские изотопы	^3H (β^−)
Спин и чётность ядра	1/2^+
Таблица нуклидов
Медиафайлы на Викискладе

Распространённость

Природная изотопная распространённость гелия-3 в атмосфере Земли составляет 0,000137 % (1,37 частей на миллион по отношению к гелию-4); в других резервуарах она может очень сильно отличаться в результате природного фракционирования и т. п.. Общее количество гелия-3 в атмосфере Земли оценивается в 35 000 тонн. Оба изотопа гелия постоянно улетучиваются из атмосферы в космос, однако убыль гелия-4 на Земле восполняется за счёт альфа-распада урана, тория и их дочерних нуклидов (альфа-частица представляет собой ядро гелия-4). Тогда как гелий-3 появляется в природе исключительно при распаде (космогенного) трития. Бо́льшая часть гелия-3 на Земле сохранилась со времён её образования. Он растворён в мантии и постепенно поступает в атмосферу; его изотопная распространённость в мантийной магме составляет 4—10 частей на миллион частей гелия-4, а некоторые материалы мантийного происхождения имеют в 10—40 раз большее соотношение, чем в атмосфере. Однако его поступление из мантии в атмосферу (через вулканы и разломы в коре) оценивается всего в несколько килограммов в год. Некоторая часть гелия-3 возникает при распаде трития, в реакциях скалывания на литии (под действием альфа-частиц и космических лучей), а также поступает из солнечного ветра. На Солнце и в атмосферах планет-гигантов первичного гелия-3 значительно больше, чем в атмосфере Земли.

В лунном реголите гелий-3 постепенно накапливался в течение миллиардов лет облучения солнечным ветром. В результате тонна лунного грунта (в тончайшем приповерхностном слое) содержит порядка 0,01 г гелия-3 (до 50 ppb) и 28 г гелия-4; это изотопное соотношение (~0,043 %) значительно выше, чем в земной атмосфере.

Открытие

Существование гелия-3 было предположено австралийским ученым Марком Олифантом во время работы в Кембриджском университете в 1934 году. Окончательно открыли этот изотоп Луис Альварес и Роберт Корног в 1939 году.

Физические свойства

Атомная масса гелия-3 равна 3,016, в то время как у гелия-4 она равна 4,0026, ввиду чего их физические свойства весьма отличаются:

• Гелий-3 кипит при 3,19 К (гелий-4 — при 4,23 К), его критическая точка равна 3,35 К (у гелия-4 — 5,19 К).
• Плотность жидкого гелия-3 при температуре кипения и нормальном давлении равна 59 г/л, тогда как (у гелия-4 — 124,73 г/л).
• Удельная теплота испарения равна 26 Дж/моль (у гелия-4 — 82,9 Дж/моль).
• Газообразный гелий-3 при нормальных условиях имеет плотность 0,1346 г/л (у гелия-4 — 0,1785 г/л). Соответственно, объём одного грамма гелия-3 при н.у. равен 7,43 литра (у гелия-4 — 5,596 литра).

Жидкий гелий-3

См. также: Сверхтекучесть

Фазовая диаграмма состояния гелия-3. Линия внутри области твёрдой фазы разделяет спинупорядоченные и спинразупорядоченные структуры

Часть фазовой диаграммы гелия-3 при температурах 0—0,003 К. При температуре ниже 2,6 мК и отсутствии магнитного поля существуют две сверхтекучие жидкости А и В. ОЦК — объёмно-центрированная кубическая кристаллическая структура.

Квантовая жидкость, существенно отличающаяся по свойствам от жидкого гелия-4. Жидкий гелий-3 удалось получить только в 1948 году. В 1972 году в жидком гелии-3 был обнаружен фазовый переход в сверхтекучее состояние при температурах ниже 2,6 мК и при давлении 34 атм (ранее считалось, что сверхтекучесть, как и сверхпроводимость — явления, характерные для бозе-конденсата, то есть кооперативные явления в среде с целочисленным спином объектов). За открытие сверхтекучести гелия-3 в 1996 году Д. Ошерову, Р. Ричардсону и Д. Ли была присуждена Нобелевская премия по физике.

В 2003 году Нобелевской премией по физике отмечены А. А. Абрикосов, В. Л. Гинзбург и (Э. Леггет), в том числе и за создание теории сверхтекучести жидкого гелия-3.

Получение

В настоящее время гелий-3 не добывается из природных источников (на Земле доступны незначительные количества гелия-3, чрезвычайно трудные для добычи), а создаётся при распаде искусственно полученного трития.

Тритий производится отдельными государствами как компонент для термоядерного оружия путём облучения бора-10 и лития-6 в ядерных реакторах. Несколько сотен тысяч литров гелия-3 были наработаны в рамках оружейных ядерных программ, однако эти запасы уже недостаточны для существующего в США спроса. Дополнительно около 8 тыс. литров гелия-3 в год получают из распада запасов трития в США. В связи с растущей нехваткой гелия-3 рассматривались такие ранее экономически нецелесообразные возможности его производства, как получение в водных ядерных реакторах, выделение из продуктов работы тяжеловодных ядерных реакторов, производство трития или гелия-3 на ускорителях частиц, экстракция естественного гелия-3 из природного газа или атмосферы.

Стоимость

Средняя цена гелия-3 в 2009 году составляла, по некоторым оценкам, порядка 930 USD за литр.

Планы добычи гелия-3 на Луне

Гелий-3 является побочным продуктом реакций, протекающих на Солнце, и в некотором количестве содержится в солнечном ветре и межпланетной среде. Попадающий в атмосферу Земли из межпланетного пространства гелий-3 быстро диссипирует обратно, его концентрация в атмосфере чрезвычайно низка. При этом Луна, у которой нет атмосферы, сохраняет значительные количества гелия-3 в своём поверхностном слое (реголите), по отдельным оценкам — до 0,5 млн тонн, по другим — около 2,5 млн тонн.

Теоретически, при гипотетической реакции термоядерного синтеза, при которой в реакцию вступает 1 тонна гелия-3 с 0,67 тоннами дейтерия, высвобождается энергия, эквивалентная сгоранию 15 млн тонн нефти (однако на настоящий момент не изучена техническая возможность осуществления данной реакции). Следовательно, населению нашей планеты лунного ресурса гелия-3 (по максимальным оценкам) могло бы хватить примерно на пять тысячелетий. Основной проблемой (если проигнорировать проблему реализуемости управляемых термоядерных реакторов с подобным горючим) остаётся реальность добычи гелия из лунного реголита. Как упомянуто выше, содержание гелия-3 в реголите составляет ~1 г на 100 т., поэтому для добычи тонны этого изотопа следует переработать на месте не менее 100 млн тонн грунта.

НАСА разрабатывала эскизные проекты гипотетических установок по переработке реголита и выделению гелия-3.

В январе 2006 года глава РКК «Энергия» Николай Севастьянов заявил, что Россия планирует (создать постоянную базу на Луне) и отработать транспортную схему по доставке на Землю гелия-3 уже к 2015 году (при условии достаточного финансирования), а ещё через 5 лет начать промышленную добычу изотопа^[]. В ноябре 2018 года глава «Роскосмоса» Дмитрий Рогозин вновь поднял тему о возможном использовании гелия-3 как основы для ракетного топлива; при этом, одновременно с Д. Рогозиным, академик РАН Лев Зелёный заявил о практической бесполезности добычи гелия-3.

Использование

Бо́льшая часть производимого в мире гелия-3 используется для наполнения газовых детекторов нейтронов. Остальные применения пока не выходят за пределы научных лабораторий.

Счётчики нейтронов

Газовые счётчики, наполненные гелием-3, используются для детектирования нейтронов. Это наиболее распространённый метод измерения нейтронного потока. В этих счётчиках происходит реакция

n + ³He → ³H + ¹H + 0,764 МэВ.

Заряженные продукты реакции — тритон и протон — регистрируются газовым счётчиком, работающим в режиме пропорционального счётчика или счётчика Гейгера—Мюллера.

Значительно возросшее после 2001 года производство нейтронных мониторов (для обнаружения незаконно перевозимых делящихся материалов и предотвращения (ядерного терроризма)) привело к сокращению запасов гелия-3; так, запасы, принадлежащие правительству США, с 1990 по 2001 год монотонно росли со 140 до 235 тыс. литров н.у., но к 2010 году уменьшились до 50 тыс. л н.у.

Сверхнизкие температуры

Откачкой паров гелия-4 под вакуумом сложно получить температуры ниже 0,7К. Более низкие температуры достижимы посредством испарения при откачке паров гелия-3, который при этом не будет сверхтекучим. Таким образом можно вплотную приблизиться к условной границе криогенных и сверхнизких температур (0,3К). Для откачки паров также используется их адсорбция в гелии-4, проводимая в замкнутых ёмкостях, предотвращающих любую потерю гелия-3.

Охлаждение для квантовых компьютеров

(Квантовые компьютеры) требуют для своей работы чрезвычайно низких температур. Чем ниже температура среды, в которой находятся компоненты квантового компьютера, тем стабильней работает этот компьютер и тем меньше ошибок возникает при вычислениях. Гелий-3 является самым эффективным охладителем, позволяя снизить шумы в квантовых компьютерах в 1000 раз.

Рефрижератор растворения

Основная статья: Рефрижератор растворения

Путём растворения жидкого гелия-3 в гелии-4 можно достигать милликельвиновых температур.

Медицина

Поляризованный^[] гелий-3 (он может долго храниться) недавно начал использоваться в магнитно-резонансной томографии для получения изображения лёгких с помощью ядерного магнитного резонанса.

Гелий-3 как гипотетическое термоядерное топливо

Реакция ³Не + D → ⁴Не + p имеет ряд преимуществ по сравнению с наиболее достижимой в земных условиях дейтериево-тритиевой реакцией T + D → ⁴Не + n. К этим преимуществам относятся:

1. В десятки раз более низкий поток нейтронов из зоны реакции, что резко уменьшает наведённую радиоактивность и деградацию конструкционных материалов реактора;
2. Получаемые протоны, в отличие от нейтронов, легко улавливаются при помощи электрических и магнитных полей и могут быть использованы для дополнительной генерации электроэнергии, например, в МГД-генераторе;
3. Исходные материалы для синтеза неактивны и их хранение не требует особых мер предосторожности;
4. При аварии реактора с разгерметизацией активной зоны радиоактивность выброса близка к нулю.^[]

Недостатком гелий-дейтериевой реакции следует считать практическую невозможность поддержания требуемых температур. При температурах менее 10⁹ К термоядерная реакция слияния ядер дейтерия между собой протекает гораздо охотнее, и реакции между дейтерием и гелием-3 не происходит. При этом теплопотери за счет излучения быстро возрастают с температурой и горячая плазма будет остывать быстрее, чем сможет восполнять потери энергии за счет термоядерных реакций.

В искусстве

В фантастических произведениях (играх, фильмах) гелий-3 иногда выступает в качестве основного топлива и как ценный ресурс, добываемый в том числе на Луне:

• В серии игр «Mass Effect» (2007—2013) гелий-3 используется в качестве топлива для космических кораблей.
• Основой сюжета британского научно-фантастического фильма «Луна 2112» (2009) является работа горнодобывающего комплекса компании «Лунар». Комплекс обеспечивает добычу гелия-3, с помощью которого удалось остановить катастрофический энергетический кризис на Земле.
• В политической комедии «Железное небо» (2012) лунный гелий-3 стал причиной международного ядерного конфликта за право его добычи.
• В фантастической саге (Иена Макдональда) «Луна» (2015—2017) гелий-3 используется как топливо для термоядерных установок.
• Комедийный российский сериал «Гелий-3» (2022, СТС)
• В игре «Deliver Us the Moon» (2018) действие происходит на лунной базе, добывающей гелий-3.

Литература

• Dobbs E. R. Helium Three. — Oxford University press, 2000.
• Галимов Э. М. Если у тебя есть энергия, ты можешь извлечь всё от 26 декабря 2014 на Wayback Machine — Редкие земли. 2014. № 2. С. 6-12.
• Shea D. A., Morgan D. The Helium-3 Shortage: Supply, Demand, and Options for Congress от 24 сентября 2015 на Wayback Machine // Congressional Research Service, December 22, 2010 (англ.).

Примечания

1. Audi G., Wapstra A. H., Thibault C. The AME2003 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs, and references (англ.) // Nuclear Physics A. — 2003. — Vol. 729. — P. 337—676. — doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003. — Bibcode: 2003NuPhA.729..337A.
2. Audi G., Bersillon O., Blachot J., Wapstra A. H.  // Nuclear Physics A. — 2003. — Т. 729. — С. 3—128. — doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. — Bibcode: 2003NuPhA.729....3A.
3. Don L. Anderson, Helium-3 from the Mantle: Primordial Signal or Cosmic Dust? от 24 сентября 2015 на Wayback Machine // SCIENCE, Vol. 261, 1993, pp. 170—176: «Magmas from the mantle generally have ³He/⁴He ratios between 4⋅10⁻⁶ and 10⁻⁵; the higher values are often found at hotspots».
4. Are high 3 He/4 He ratios in oceanic basalts an indicator of deep-mantle plume components? от 1 мая 2015 на Wayback Machine // Earth and Planetary Science Letters 208.3 (2003): 197—204. «Oceanic Island Basalt (OIB). Some OIBs, but certainly not all, are characterized by ³He/⁴He ratios in the range of 9 to 42 RA; where RA is the present day atmospheric ³He/⁴He ratio of 1,39⋅10⁻⁶ [8, 18].»
5. The 3He/4He ratio of the new internal He Standard of Japan (HESJ) от 26 декабря 2014 на Wayback Machine // Geochemical Journal, Vol. 36, pp. 191—195, 2002 «Thus many terrestrial samples of mantle origin have ³He/⁴He ratios higher than the air value by about an order of magnitude».
6. http://io9.com/5908499/could-helium-3-really-solve-earths-energy-problems от 9 декабря 2015 на Wayback Machine «Best estimates of Helium-3 content place it at 50 parts per billion in lunar soil, calling for the refining of millions of tons of lunar soil before gathering enough Helium-3 to be useful in fusion reactions on Earth.»
7. Добрый доктор гелий-3 от 26 декабря 2014 на Wayback Machine / Популярная Механика, № 113, март 2012 (копия от 22 декабря 2015 на Wayback Machine).
8. Сверхтекучий ³He: ранняя история глазами теоретика от 29 февраля 2008 на Wayback Machine — нобелевская лекция Э. Дж. Леггетта, УФН, т. 174, № 11, 2003 г.
9. Shea D. A., Morgan D. The Helium-3 Shortage: Supply, Demand, and Options for Congress от 24 сентября 2015 на Wayback Machine // Congressional Research Service, December 22, 2010 (англ.): "How Is Helium-3 Made? … federal government produces tritium for use in nuclear warheads. Tritium decays into helium-3 … The U.S. producer of helium-3 is the National Nuclear Security Administration of the Department of Energy (DOE). "
10. Shea D. A., Morgan D. The Helium-3 Shortage: Supply, Demand, and Options for Congress от 24 сентября 2015 на Wayback Machine // Congressional Research Service, December 22, 2010 (англ.): «helium-3 stockpile grew from roughly 140,000 liters in 1990 to roughly 235,000 liters in 2001.17 Since 2001, however, helium-3 demand has exceeded production. By 2010, the increased demand had reduced the stockpile to roughly 50,000 liters. … decay of tritium held by the U.S. nuclear weapons program currently generates approximately 8,000 liters of new helium-3 per year.»
11. Shea D. A., Morgan D. The Helium-3 Shortage: Supply, Demand, and Options for Congress от 24 сентября 2015 на Wayback Machine // Congressional Research Service, December 22, 2010 (англ.): "Potential additional sources of helium-3 include increased production of tritium in light-water nuclear reactors …; extraction of tritium produced as a byproduct in commercial heavy-water nuclear reactors; production of either tritium or helium-3 using particle accelerators; and extraction of naturally occurring helium-3 from natural gas or the atmosphere. "
12. Survey of Critical Use of 3He for Cryogenic Purposes от 28 апреля 2010 на Wayback Machine // Northwestern University, 2009
13. Specific Arguments — Helium от 22 декабря 2015 на Wayback Machine // infidels.org — SECULAR WEB LIBRARY
14. [1] от 24 сентября 2015 на Wayback Machine // fas.org — «atmosphere contains a small quantity of helium, a fraction of which is helium-3. …The concentration of helium in the atmosphere is only about 5 parts per million»
15. Колонизация Солнечной системы отменяется от 3 июня 2007 на Wayback Machine // 3DNews, 4 марта 2007
16. THE ESTIMATION OF HELIUM-3 PROBABLE RESERVES IN LUNAR REGOLITH от 5 июля 2008 на Wayback Machine / Lunar and Planetary Science XXXVIII (2007), lpi.usra.edu
17. Добыча гелия-3 на Луне обеспечит землян энергией на 5 тыс. лет от 28 января 2013 на Wayback Machine // РИА Новости, 25.07.2012
18. Sviatoslavsky I.N. PROCESSES AND ENERGY COSTS FOR MINING LUNAR HELIUM-3 от 26 декабря 2014 на Wayback Machine // NASA, 1989
19. Lunar Helium-3 and Fusion Power от 14 декабря 2019 на Wayback Machine, NASA, 1988
20. Алина Черноиванова. «Луна в реакторе» от 5 ноября 2018 на Wayback Machine // Газета.ру, 26 янв 2006
21. «Роскосмос» изучит возможность использования лунного грунта в 3D-печати от 5 ноября 2018 на Wayback Machine // «РИА Новости». 2018-11-04 — «Плюс к этому будет возможность, как говорят в Академии наук, использования гелия-3 как основы для ракетного топлива.»
22. Валерий Чумаков. «Луна — наш седьмой континент» от 31 декабря 2018 на Wayback Machine Интервью с академиком РАН Львом Зелёным, «В мире науки» № 11, 2018 «…если человечество когда-нибудь решит задачу удержания сверхгорячей плазмы, нам уже не понадобится никакой лунный гелий-3, обойдемся бором. Так что пока с колумбовыми обещаниями у нас сложности, сильно обогатиться за счет Луны в материальном плане вряд ли получится».
23. Shea D. A., Morgan D. The Helium-3 Shortage: Supply, Demand, and Options for Congress от 24 сентября 2015 на Wayback Machine // Congressional Research Service, December 22, 2010 (англ.).
24. New cooling technology developed for quantum computing circuits  (неопр.). Дата обращения: 6 июля 2023. 6 июля 2023 года.
25. 3He-4He Dilution Explanation от 30 октября 2016 на Wayback Machine / Berkeley (англ.)
26. Архивированная копия  (неопр.). Дата обращения: 14 декабря 2019. 2 сентября 2019 года.
27. Gerald L. Kulcinski. HELIUM-3 FUSION REACTORS – A CLEANAND SAFE SOURCE OF ENERGY IN THE21ST CENTURY  (неопр.) (апрель 1993). Дата обращения: 14 декабря 2019. 24 февраля 2020 года.
28. The helium-3 incantation от 14 декабря 2019 на Wayback Machine // The Space Review
29. [2] от 15 июня 2021 на Wayback Machine Викиновости Источник  (неопр.). Дата обращения: 21 марта 2021. Архивировано 13 мая 2021 года. www.kino-teatr.ru/kino/movie/ros/145667/info/