helyum-3 - Helium-3

Bu makale temel izotop hakkındadır. Plak şirketi için, bkz. Helyum 3 (plak şirketi) .
Helyum-3,  3 He
Helyum3.svg
Genel
Sembol 3 O
İsimler helyum-3, He-3, tralphium (eski)
protonlar 2
nötronlar 1
nüklid verileri
Doğal bolluk %0.000137 (Dünyada % He)
%0.001 (Güneş Sisteminde % He)
Yarım hayat kararlı
ana izotoplar 3 H  (trityumun beta bozunması )
izotop kütlesi 3.0160293 u
Döndürmek 1 ⁄ 2
Helyum izotopları
Tam nüklid tablosu

Helyum-3 ( 3 O ayrıca bkz Helion ) açık, stabil olan izotop arasında helyum ile iki proton ve bir nötron (en yaygın izotopu, helyum-4 , iki protonu ve buna karşılık iki nötron sahiptir). Dışında bayağı hidrojen (sıradan hidrojen ), helyum-3 herhangi birinin sadece izotop olan elemanın nötron daha protonlarla. Helyum-3, 1939'da keşfedildi.

Helyum-3 olarak meydana ilkel element kaçan, yerkabuğunun onun içine atmosferi ve içine uzaydan milyonlarca yıl boyunca. Helyum-3, aynı zamanda, doğal olduğu düşünülmektedir nükleojenik ve kozmojenik nüklit , zaman üretilen bir lityum ile serbest bırakılabilir doğal nötronlar tarafından bombardıman edilir, kendiliğinden fisyon tarafından nükleer reaksiyonlar ile kozmik ışınlar . Karasal atmosferde bulunan helyum-3'ün bir kısmı aynı zamanda atmosferik ve su altı nükleer silah testlerinin bir eseridir .

Gelecekteki bir enerji kaynağı olarak helyum-3'ün olasılığı üzerinde çok fazla spekülasyon yapıldı . Çoğu nükleer fisyon reaksiyonunun aksine , helyum-3 atomlarının füzyonu, çevreleyen malzemenin radyoaktif olmasına neden olmadan büyük miktarda enerji açığa çıkarır . Bununla birlikte, helyum-3 füzyon reaksiyonlarını gerçekleştirmek için gereken sıcaklıklar , geleneksel füzyon reaksiyonlarından çok daha yüksektir ve süreç, kaçınılmaz olarak, kendilerini çevreleyen malzemenin radyoaktif hale gelmesine neden olacak başka reaksiyonlar da yaratabilir.

Milyarlarca yıl boyunca güneş rüzgarı tarafından regolitin üst katmanına gömülmüş olan helyum-3'ün bolluğunun Ay'da Dünya'dakinden daha fazla olduğu düşünülmektedir , ancak yine de Güneş Sistemi'nin gaz devlerinden daha az miktarda bulunur .

Tarih

Helyum-3'ün varlığı ilk olarak 1934'te Avustralyalı nükleer fizikçi Mark Oliphant tarafından Cambridge Üniversitesi Cavendish Laboratuvarı'nda çalışırken önerildi . Oliphant, hızlı döteronların döteron hedefleriyle çarpıştığı deneyler gerçekleştirmişti (bu arada, nükleer füzyonun ilk gösterimi ). Helyum-3'ün izolasyonu ilk olarak 1939'da Luis Alvarez ve Robert Cornog tarafından gerçekleştirildi . Helyum-3'ün radyoaktif bir izotop olduğu düşünülüyordu , ta ki her ikisi de karadan alınan , çoğunlukla helyum-4 olan doğal helyum örneklerinde de bulunana kadar. atmosferden ve doğal gaz kuyularından

Fiziki ozellikleri

3.02 atomik kütle birimi olan düşük atom kütlesi nedeniyle , helyum-3, 4.00 atomik kütle birimi kütlesi ile helyum-4'ünkinden farklı bazı fiziksel özelliklere sahiptir . Helyum atomları arasındaki zayıf, indüklenmiş dipol-dipol etkileşimi nedeniyle, mikroskobik fiziksel özellikleri esas olarak sıfır noktası enerjileriyle belirlenir . Ayrıca, helyum-3'ün mikroskobik özellikleri, helyum-4'ten daha yüksek bir sıfır noktası enerjisine sahip olmasına neden olur. Bu, helyum-3'ün helyum-4'ten daha az termal enerji ile dipol-dipol etkileşimlerinin üstesinden gelebileceği anlamına gelir .

Kuantum mekanik helyum-3 ve helyum-4 üzerindeki etkileri ile iki nedeniyle anlamlı ölçüde farklı olan proton , iki nötron ve iki elektron , helyum-4 genel sahip bir spin bir yapım sıfır bozon , ama bir az nötron ile helium- 3'ün toplam dönüşü yarımdır , bu da onu bir fermiyon yapar .

Helyum-3 , 4.23 K'da helyum-4'e kıyasla 3.19 K'da kaynar ve kritik noktası da 3.35 K'da, 5.2 K'da helyum-4'e kıyasla daha düşüktür. Helyum-3, helyum-4'ün yoğunluğunun yarısından daha azına sahiptir. kaynama noktasındadır: bir atmosfer basınçta 125 g/L helyum-4'e kıyasla 59 g/L. Gizli buharlaşma ısısı da 0.026 kJ/ mol'de, 0.0829 kJ/mol helyum-4'e kıyasla oldukça düşüktür .

Doğal bolluk

karasal bolluk

Ana madde: İzotop jeokimyası

3 O, Dünya'nın mantosunda , gezegen oluşumu sırasında Dünya'nın içinde hapsolduğu düşünülen ilkel bir maddedir . Oranı 3 için He 4 karasal malzemeler genel olarak düşük içeren, meteor ve ay numunelerden elde edilen yer kabuğunda ve mantonun He güneş diski bileşimin varsayımlar için daha az daha uzun olduğu 3 He / 4 nedeniyle içeri büyümesine karşı He oranları 4 He radyoaktif bozunmadan

3 O, 4 He'lik (ppm'de) milyon atom başına 300 atomluk bir kozmolojik orana sahiptir , bu da mantodaki bu ilkel gazların orijinal oranının Dünya oluştuğunda 200-300 ppm civarında olduğu varsayımına yol açar. Uranyum ve toryumun alfa partikülü bozunmasıyla çok sayıda 4 He üretildi ve şimdi mantoda yalnızca yaklaşık %7 ilkel helyum var ve toplam 3 He/ 4 He oranını yaklaşık 20 ppm'ye düşürüyor . Oranları 3 He / 4 atmosferik aşırı içinde He bir katkısının göstergesidir 3 manto He. Kabuklu kaynaklara , kabuk ve mantodaki radyoaktif elementlerin bozunmasıyla üretilen 4 He hakimdir .

Doğal Dünya'ya bağlı kaynaklarda helyum-3'ün helyum-4'e oranı büyük ölçüde değişir. Güney Dakota, Edison Mine'den alınan lityum cevheri spodumen örneklerinin 12 kısım helyum-3 ila bir milyon kısım helyum-4 içerdiği bulundu. Diğer madenlerden örnekler milyonda 2 parça gösterdi.

Helyum ayrıca bazı doğal gaz kaynaklarının %7'sine kadar mevcuttur ve büyük kaynaklar %0,5'in üzerindedir (%0,2'nin üzerinde, çıkarılması uygun hale gelir). ABD'de doğal gazdan ayrılan helyumdaki 3 He'nin fraksiyonunun milyarda 70 ila 242 parça arasında değiştiği bulundu. Bu nedenle 1 milyar Normal m, US 2002 stok 3 helyum-3 12 43 kilogram yaklaşık bulunabilirdi. Amerikan fizikçi göre Richard Garwin , 26 m ile ilgili 3 ya da yaklaşık 5 kg 3 O ABD doğal gaz akımından ayrılması için yıllık olarak kullanılabilir. 3 He'yi ayırma işlemi, ham madde olarak, tipik olarak toplu miktarları taşımak ve depolamak için kullanılan sıvılaştırılmış helyumu kullanabilirse, artan enerji maliyeti tahminleri, altyapı ve ekipman maliyeti hariç, litre NTP başına 34 ABD Doları ile 300 ABD Doları arasında değişir. Cezayir yıllık gaz üretimi 100 milyon, normal metreküp varsayılır ve m, 7 ile 24 arasında değişen içerecektir 3 benzer varsayarak helyum-3 (1 ila 4 kg kadar) ve 3 O fraksiyonu.

3 O da Dünya atmosferinde bulunur . Doğal olarak oluşan helyum gazında 3 He'nin doğal bolluğu 1.38 × 10 − 6'dır (milyonda 1.38 parça). Helyumun Dünya atmosferindeki kısmi basıncı yaklaşık 0,52 Pa'dır ve bu nedenle helyum, Dünya atmosferindeki toplam basıncın (101325 Pa) milyonda 5,2 bölümünü oluşturur ve 3 O, atmosferin trilyonda 7,2 bölümünü oluşturur. Dünya atmosferinin kütlesi yaklaşık 5.14 × 10 15 ton olduğundan, Dünya atmosferindeki 3 He'nin kütlesi bu sayıların veya yaklaşık 37.000 ton 3 He'nin ürünüdür . (Aslında, yukarıdaki ppm ppmv olduğu ve ppmw olmadığı için efektif rakam on kat daha küçüktür. 3 ile (Helyum-3'ün moleküler kütlesi) çarpılmalı ve 29'a (atmosferin ortalama moleküler kütlesi) bölünmelidir. dünya atmosferinde 3.828 ton helyum-3'te.)

3 lityum: Üç kaynaklardan yeryüzünde üretilir ufalanma , kozmik ışınlar ve trityum (beta bozunması 3 H). Kozmik ışınların katkısı, en eski regolit malzemeleri hariç tümünde ihmal edilebilir düzeydedir ve lityum spallasyon reaksiyonları, alfa parçacık emisyonları ile 4 He üretiminden daha az katkıda bulunur .

Mantodaki toplam helyum-3 miktarı 0.1–1 milyon ton aralığında olabilir . Bununla birlikte, mantonun çoğuna doğrudan erişilebilir değildir. Bazı helyum-3 , Hawai Adaları gibi derin kaynaklı sıcak nokta volkanlarından sızar , ancak atmosfere yılda sadece 300 gram salınır. Okyanus ortası sırtlar yılda 3 kilogram daha yayar. Yitim bölgelerinin çevresinde , çeşitli kaynaklar, muhtemelen bin ton helyum-3 içeren doğal gaz yataklarında helyum-3 üretir (ancak tüm eski dalma bölgeleri bu tür tortulara sahipse 25 bin ton olabilir). Wittenberg, Amerika Birleşik Devletleri kabuklu doğal gaz kaynaklarının toplamda sadece yarım ton olabileceğini tahmin etti. Wittenberg, Anderson'ın okyanus tabanlarındaki gezegenler arası toz parçacıklarında 1200 metrik tonluk başka bir tahmininden alıntı yaptı . 1994 çalışmasında, bu kaynaklardan helyum-3 çıkarmak, füzyonun serbest bırakacağından daha fazla enerji tüketir.

Ay yüzeyi

Dünya dışı madenciliği görün

Güneş bulutsusu (ilkel) bolluğu

Güneş bulutsusundaki 3 He ila 4 He'nin ilkel oranının erken bir tahmini , Galileo atmosferik giriş probunun kütle spektrometresi ile ölçülen Jüpiter'in atmosferindeki oranlarının ölçümü olmuştur. Bu oran, yaklaşık 1:10.000 veya 4 He'nin milyon parçası başına 100 parça 3 He'dir. Bu, 28 ppm helyum-4 ve 2,8 ppb helyum-3 (yaklaşık 1,4 ila 15 ppb arasında değişen gerçek numune ölçümlerinin alt ucundadır) içeren ay regolitindeki izotop oranıyla kabaca aynıdır. Bununla birlikte, izotop karasal oranları esas olarak yıl milyarlarca manto helyum-4 stokları zenginleşmesine, 100 bir faktörle daha düşük olan alfa bozunması ile ilgili uranyum ve toryumun .

İnsan üretimi

trityum bozunması

Ayrıca bakınız: trityum

Günümüzde endüstride kullanılan hemen hemen tüm helyum-3 , çok düşük doğal bolluğu ve çok yüksek maliyeti göz önüne alındığında, trityumun radyoaktif bozunmasından üretilir .

Amerika Birleşik Devletleri'nde helyum-3'ün üretimi, satışı ve dağıtımı, ABD Enerji Bakanlığı (DOE) İzotop Programı tarafından yönetilmektedir .

Trityum, yarılanma ömrünün deneysel olarak belirlenmiş birkaç farklı değerine sahipken , NIST 4,500 ± 8 gün ( 12,32 ± 0,02 yıl ) listeler . Bu nükleer denklemde olduğu gibi beta bozunmasıyla helyum-3'e bozunur :

3
1H
 		 →  3
2o1+
 		 + 
e-
 		 + 
ν
e

18.6 keV'lik toplam salınan enerji arasında, elektronun kinetik enerjisinin aldığı kısım ortalama 5,7 keV ile değişirken, kalan enerji neredeyse saptanamayan elektron antinötrino tarafından taşınır . Trityumdan gelen beta parçacıkları sadece yaklaşık 6,0 mm havaya nüfuz edebilir ve insan derisinin en dıştaki ölü tabakasından geçemezler. Trityum beta bozunmasında salınan alışılmadık derecede düşük enerji, bozunmayı ( renyum-187'ninkiyle birlikte ) laboratuvardaki mutlak nötrino kütlesi ölçümleri için uygun hale getirir (en son deney KATRIN'dir ).

Trityum radyasyonunun düşük enerjisi, sıvı sintilasyon sayımı kullanılması dışında trityum etiketli bileşiklerin tespit edilmesini zorlaştırır .

Trityum, hidrojenin radyoaktif bir izotopudur ve tipik olarak bir nükleer reaktörde lityum-6'nın nötronlarla bombardıman edilmesiyle üretilir. Lityum çekirdeği bir nötronu emer ve helyum-4 ve trityuma ayrılır. Trityum, 12,3 yıllık bir yarı ömre sahip helyum-3'e bozunur, bu nedenle helyum-3, trityumu radyoaktif bozunmaya uğrayana kadar basitçe depolayarak üretilebilir.

Trityum, nükleer silahların kritik bir bileşenidir ve tarihsel olarak öncelikle bu uygulama için üretilmiş ve stoklanmıştır. Trityumun helyum-3'e bozunması, füzyon savaş başlığının patlayıcı gücünü azaltır, bu nedenle periyodik olarak biriken helyum-3'ün savaş başlığı rezervuarlarından ve depodaki trityumdan çıkarılması gerekir. Bu işlem sırasında çıkarılan Helyum-3, diğer uygulamalar için pazarlanmaktadır.

Onlarca yıldır bu, dünyadaki helyum-3'ün ana kaynağı olmuştur ve olmaya devam etmektedir. Ancak 1991 yılında START I Antlaşması'nın imzalanmasından bu yana kullanıma hazır tutulan nükleer savaş başlıklarının sayısı azalmıştır. Helyum-3 stokları, özellikle nötron radyasyon dedektörlerinde ve tıbbi teşhis prosedürlerinde kullanım için artan talep nedeniyle daha da azalmıştır. ABD endüstriyel helyum-3 talebi 2008'de yılda 70.000 litre (yaklaşık 8 kg) ile zirveye ulaştı. Tarihsel olarak yaklaşık 100$/litre olan müzayede fiyatı 2000$/litreye kadar ulaştı. O zamandan beri, DOE'nin geri dönüştürme ve ikamelerini bulma çabaları ve yüksek maliyeti nedeniyle helyum-3'e olan talep yılda yaklaşık 6000 litreye düştü.

DOE trityum ve helyum-3 hem de gelişmekte olan sıkıntısı tanıdı ve lityum ışıma ile trityum üretmeye başlamıştır Tennessee Vadisi sitesindeki Watts Bar Nükleer santralinin bu işlem trityum üreten yanabilir emici çubuklarının (TPBARs) ihtiva eden lityum 2010 yılında normal boron kontrol çubukları yerine reaktöre seramik formda yerleştirilir. Periyodik olarak TPBAR'lar değiştirilir ve trityum çıkarılır.

Şu anda trityum üretimi için sadece iki ticari nükleer reaktör (Watts Bar Nükleer Santral Üniteleri 1 ve 2) kullanılmaktadır, ancak süreç, gerekirse, sadece ülkenin daha fazla güç reaktörü kullanılarak akla gelebilecek herhangi bir talebi karşılamak için büyük ölçüde büyütülebilir. CANDU nükleer reaktörlerindeki ağır su moderatöründen önemli miktarlarda trityum ve helyum-3 de çıkarılabilir .

kullanır

nötron algılama

Helyum-3, nötron tespiti için enstrümantasyonda önemli bir izotoptur . Termal nötron ışınları için yüksek absorpsiyon kesitine sahiptir ve nötron dedektörlerinde dönüştürücü gaz olarak kullanılır. Nötron nükleer reaksiyonla dönüştürülür

n + 3 He → 3 H + 1 H + 0.764 MeV

yüklü parçacıklar halinde trityum iyonları (T, 3 H) ve Hidrojen iyonları veya protonlar (p, 1 H) daha sonra orantılı bir sayacın veya bir Geiger-Müller tüpünün durdurma gazında bir yük bulutu oluşturarak tespit edilir .

Ayrıca, absorpsiyon süreci, spin polarize bir helyum-3 hacminin bir spin bileşeni ile nötronları iletmesine ve diğerini absorbe etmesine izin veren güçlü bir şekilde spin bağımlıdır . Bu etki, maddenin manyetik özelliklerini araştıran bir teknik olan nötron polarizasyon analizinde kullanılır .

Amerika Birleşik Devletleri İç Güvenlik Bakanlığı, nakliye konteynırlarındaki kaçak plütonyumu nötron emisyonlarına göre tespit etmek için dedektörler yerleştirmeyi ummuştu, ancak Soğuk Savaş'tan bu yana nükleer silah üretimindeki düşüşün ardından dünya çapında helyum-3 kıtlığı bunu bir dereceye kadar engelledi. 2012 itibariyle, DHS, boron-10'un ticari tedarikinin , nötron algılama altyapısını bu teknolojiye dönüştürmeyi destekleyeceğini belirledi .

kriyojenik

Bir helyum-3 buzdolabı , 0,2 ila 0,3 kelvin sıcaklıklara ulaşmak için helyum-3 kullanır . Bir seyreltme buzdolabı , bir kelvin'in birkaç binde biri kadar düşük kriyojenik sıcaklıklara ulaşmak için bir helyum-3 ve helyum-4 karışımı kullanır .

Helyum-3'ü daha yaygın helyum-4'ten ayıran önemli bir özelliği, çekirdeğinin bir fermiyon olmasıdır, çünkü tek sayıda spin 1 ⁄ 2 parçacık içerir. Helyum-4 çekirdekleri, çift ​​sayıda spin 1 ⁄ 2 parçacık içeren bozonlardır . Bu, kuantize açısal momentum için toplama kurallarının doğrudan bir sonucudur . Düşük sıcaklıklarda (yaklaşık 2.17 K), helyum-4 bir faz geçişine uğrar : Bir kısmı, kabaca bir Bose-Einstein yoğunlaşması olarak anlaşılabilecek bir süperakışkan fazına girer . Fermiyon olan helyum-3 atomları için böyle bir mekanizma mevcut değildir. Bununla birlikte, yaygın atomuna haline getirilir ise helyum-3, aynı zamanda, çok daha düşük sıcaklıklarda süperakıskan haline olabileceği speküle edilmiştir çifti benzer Cooper çiftleri olarak BCS teorisi arasında Süperiletkenliğin . Tamsayı dönüşü olan her Cooper çifti bir bozon olarak düşünülebilir. 1970'lerde David Lee , Douglas Osheroff ve Robert Coleman Richardson , erime eğrisi boyunca iki faz geçişi keşfettiler ve bunlar kısa süre sonra helyum-3'ün iki süperakışkan fazı olduğu anlaşıldı. Bir süper akışkana geçiş, erime eğrisinde 2.491 millikelvin'de gerçekleşir. Bu keşiflerinden dolayı 1996 Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldüler . Alexei Abrikosov , Vitaly Ginzburg ve Tony Leggett , helyum-3'ün süperakışkan fazının anlaşılmasını iyileştirme konusundaki çalışmaları nedeniyle 2003 Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı.

Sıfır manyetik alanda, A fazı ve B fazı olmak üzere iki farklı 3 He süperakışkan fazı vardır. B fazı, izotropik bir enerji boşluğuna sahip olan düşük sıcaklık, düşük basınçlı fazdır. A fazı, bir manyetik alan tarafından daha da stabilize edilen ve boşluğunda iki nokta düğümü bulunan daha yüksek sıcaklık, daha yüksek basınç fazıdır. İki fazın varlığı, 3 He'nin geleneksel olmayan bir süperakışkan (süper iletken) olduğunun açık bir göstergesidir , çünkü iki fazın varlığı, kırılması için ayar simetrisinden başka ek bir simetriyi gerektirir. Aslında, spin bir, S =1 ve açısal momentum bir, L =1 olan bir p- dalgası süperakışkanıdır . Temel durum toplam açısal momentum sıfıra karşılık gelir, J = S + L =0 (vektör toplama). Uyarılmış durumlar, uyarılmış çift toplu modları olan sıfır olmayan toplam açısal momentum, J >0 ile mümkündür . Süperakışkan 3 He'nin aşırı saflığından dolayı ( 4 O hariç tüm maddeler katılaşıp sıvının dibine battığı için 3 He ve herhangi bir 4 He fazı tamamen ayrılmıştır, bu en saf yoğun madde halidir), bu toplu modlar diğer geleneksel olmayan eşleştirme sistemlerinden çok daha fazla hassasiyetle çalışılmıştır.

Tıbbi Görüntüleme

Helyum-3 çekirdekleri , 1 ⁄ 2'lik bir içsel nükleer spin ve nispeten yüksek bir manyetogirik orana sahiptir . Helyum-3, spin-değişimli optik pompalama gibi denge dışı araçlar kullanılarak hiperpolarize edilebilir. Bu işlem sırasında , uygun dalga boyuna ayarlanmış dairesel polarize kızılötesi lazer ışığı, sızdırmaz bir cam kap içinde sezyum veya rubidyum gibi bir alkali metaldeki elektronları uyarmak için kullanılır . Açısal momentum çarpışma sayesinde soygaz çekirdeklere alkali metal elektron transfer edilir. Özünde, bu süreç, NMR sinyalini geliştirmek için nükleer dönüşleri manyetik alanla etkin bir şekilde hizalar . Hiperpolarize gaz daha sonra 100 saate kadar 10 atm basınçta saklanabilir. İnhalasyonun ardından, hiperpolarize helyum-3 gazını içeren gaz karışımları, akciğer ventilasyonunun anatomik ve fonksiyonel görüntülerini üretmek için bir MRI tarayıcısı ile görüntülenebilir. Bu teknik aynı zamanda hava yolu ağacının görüntülerini üretebilir, havalandırılmamış kusurları tespit edebilir, alveolar oksijen kısmi basıncını ölçebilir ve ventilasyon/perfüzyon oranını ölçebilir . Bu teknik, kronik obstrüktif akciğer hastalığı (KOAH) , amfizem , kistik fibroz ve astım gibi kronik solunum yolu hastalıklarının tanı ve tedavi yönetimi için kritik olabilir .

Tokamak plazma deneyleri için radyo enerji emici

Hem MIT'nin Alcator C-Mod tokamak hem de Ortak Avrupa Torus (JET), H & D iyonlarını ısıtmak için radyo frekansı (RF) enerjisinin emilimini artırmak için bir HD plazmaya biraz He-3 eklemeyi denedi, bir " üç iyon" etkisi.

Nükleer yakıt

Ayrıca bakınız: Anötronik füzyon
Farklı reaksiyonlar için nötronikliğin karşılaştırılması
reaktanlar Ürün:% s Q n/MeV
Birinci nesil füzyon yakıtları
2 D + 2 D → 3 O +1
0n
 		3.268 MeV 0.306
2 D + 2 D → 3 T +1
1P
 		4.032 MeV 0
2 D + 3 T → 4 O +1
0n
 		17.571 MeV 0.057
İkinci nesil füzyon yakıtı
2 D + 3 O → 4 O +1
1P
 		18.354 MeV 0
Üçüncü nesil füzyon yakıtları
3 O + 3 O → 4 O + 21
1P
 		12.86 MeV 0
11 B +1
1P
 		→ 3 4 O 8.68 MeV 0
D yazmanın net sonucu (ilk 4 satırın toplamı)
6D → 2( 4 O + n + p) 43.225 MeV 0.046
Mevcut nükleer yakıt
235 U + n → 2 FP + 2.5n ~200 MeV 0.0075

3 O düşük sıcaklıkta füzyonu ile üretilebilir (Dp)2 , H + 1 s → 3 He + γ + 4.98 MeV. Füzyon sıcaklığı, helyum çekirdeklerinin kaynaşması için gereken sıcaklığın altındaysa, reaksiyon, tehlikeli nötronlar üretmeden doğrudan bir elektrik kaynağı olarak kullanılabilen kararlı bir hafif helyum iyonu üreten bir elektronu hızla alan yüksek enerjili bir alfa parçacığı üretir.

Füzyon reaksiyon hızı , maksimuma ulaşana kadar sıcaklıkla hızla artar ve ardından yavaş yavaş düşer. DT hızı, daha düşük bir sıcaklıkta (yaklaşık 70 keV veya 800 milyon kelvin) ve füzyon enerjisi için yaygın olarak düşünülen diğer reaksiyonlardan daha yüksek bir değerde zirve yapar.

3 He , 2 H + 3 He → 4 He + 1 p + 18.3 MeV veya 3 He + 3 He → 4 He + 2 1 p+ 12.86 MeV reaksiyonlarından herhangi biri ile füzyon reaksiyonlarında kullanılabilir .

Geleneksel döteryum + trityum ("DT") füzyon işlemi, aktivasyon ürünleri ile reaktör bileşenlerini radyoaktif hale getiren enerjik nötronlar üretir . Helyum-3 füzyonunun çekiciliği , reaksiyon ürünlerinin anötronik yapısından kaynaklanmaktadır . Helyum-3'ün kendisi radyoaktif değildir. Yalnız yüksek enerjili yan ürün olan proton , elektrik ve manyetik alanlar kullanılarak kontrol altına alınabilir. Bu protonun (füzyon sürecinde yaratılan) momentum enerjisi, içerdiği elektromanyetik alanla etkileşecek ve doğrudan net elektrik üretimi ile sonuçlanacaktır.

Daha yüksek Coulomb bariyeri nedeniyle, 2 H + 3 He füzyonu için gereken sıcaklıklar , geleneksel DT füzyonundan çok daha yüksektir . Her iki reaktifler sigortaya karışık birlikte olmak gerekir Dahası, aynı tepkime maddesi çekirdekleri arasındaki reaksiyonlar meydana gelecektir, ve DD reaksiyonu ( 2 H + 2 H ), bir oluşturan bir nötron . Reaksiyon hızları sıcaklığa göre değişir, ancak D- 3 He reaksiyon hızı hiçbir zaman DD reaksiyon hızının 3.56 katından daha büyük değildir (grafiğe bakın). Bu nedenle, doğru sıcaklıkta D- 3 He yakıtı ve D-zayıf yakıt karışımı kullanan füzyon, DT füzyonundan çok daha düşük bir nötron akışı üretebilir, ancak temiz değildir ve ana cazibesinin bir kısmını ortadan kaldırır.

Füzyon ikinci yol, 3 He kendisi ile ( 3 O + 3 O ), daha da zor D daha böylece (artık her iki reaktanlar bir +2 yüke sahiptir), daha yüksek sıcaklıklar gerektirir ve 3 O reaksiyonu. Ancak, nötron üretmeyen olası bir reaksiyon sunar; üretilen yüklü protonlar, elektrik ve manyetik alanlar kullanılarak kontrol altına alınabilir ve bu da doğrudan elektrik üretimi ile sonuçlanır. 3 He + 3 He füzyonu, laboratuvarda gösterildiği gibi mümkündür ve çok büyük avantajlara sahiptir, ancak ticari uygulanabilirlik gelecekte uzun yıllar olacaktır.

Konvansiyonel yakıtların yerine geçmesi gereken helyum-3 miktarları, şu anda mevcut olan miktarlarla karşılaştırıldığında oldukça fazladır. Üretilen toplam enerji miktarı 2 D  +  3 O reaksiyon 18.4 M eV bazı 493 olan tekabül megavat saat (4.93 x 10 8 üç başına B-h) gram (bir mol arasında) 3 He . Toplam enerji miktarı %100 verimlilikle (fiziksel bir imkansızlık) elektrik gücüne dönüştürülebilseydi, bu, 3 He molü başına bir gigawatt elektrik santralinin yaklaşık 30 dakikalık çıkışına karşılık gelirdi . Bu nedenle, bir yıllık üretim (her çalışma saati için 6 gram), 52,5 kilogram helyum-3 gerektirecektir. Büyük ölçekli uygulamalar için gereken yakıt miktarı aynı zamanda toplam tüketim cinsinden de ifade edilebilir: 2001 yılında 107 milyon ABD hanesinin elektrik tüketimi toplam 1.140 milyar kWh (1.14×10 15 W·h) idi. Yine %100 dönüşüm verimliliği varsayıldığında, daha gerçekçi bir uçtan uca dönüşüm verimliliği göz önüne alındığında, Amerika Birleşik Devletleri'nin enerji talebinin bu bölümü için yılda 6,7 ton helyum-3 gerekli olacaktır, yılda 15 ila 20 ton.

Kontrollü bir ikinci nesil bir yaklaşım füzyon güç helyum-3 ve biraraya getirilmesini içerir döteryum ( 2 D ). Bu reaksiyon, bir helyum-4 iyonu ( 4 He ) (bir alfa parçacığı gibi , ancak farklı kökenli) ve yüksek enerjili bir proton (pozitif yüklü hidrojen iyonu) üretir . Güç üretimi ve diğer uygulamalar için bu füzyon reaksiyonunun en önemli potansiyel avantajı, yakıt iyonlarını ve füzyon protonlarını kontrol etmek için elektrostatik alanların kullanımıyla uyumluluğunda yatmaktadır . Yüksek hızlı protonlar, pozitif yüklü parçacıklar olarak, kinetik enerjilerini , diğer tekniklerin yanı sıra katı hal dönüştürme malzemelerinin kullanımıyla doğrudan elektriğe dönüştürebilir. Türbinle çalışan bir elektrik jeneratörünü çalıştırmak için proton enerjisini ısıya dönüştürmeye gerek olmadığından, %70'lik potansiyel dönüşüm verimliliği mümkün olabilir .

Helyum-3 santrallerinin yetenekleri hakkında birçok iddia ortaya atıldı. Savunanlara göre, faaliyet füzyon enerji santralleri döteryum ve helyum-3 alt sermaye ve doğuracağını işletim maliyetlerini nedeniyle daha az teknik karmaşıklığı rakiplerine göre daha yüksek dönüşüm verimliliği, daha küçük boyut, radyoaktif yakıt, hava veya su yokluğunu kirliliği ve sadece düşük seviyeli radyoaktif atık imha gereklilikleri. Son tahminler , ilk helyum-3 füzyon santralini geliştirmek ve inşa etmek için yaklaşık 6 milyar dolarlık yatırım sermayesinin gerekli olacağını gösteriyor . Günümüzün toptan elektrik fiyatlarında bile ( kilovat saat başına 5 ABD senti ) mali kırılma , eski konvansiyonel santrallerin yerini alan beş adet 1 gigawatt'lık santral devreye girdikten veya yeni talebi karşıladıktan sonra gerçekleşecekti .

Gerçek o kadar net değil. Dünyadaki en gelişmiş füzyon programları, eylemsiz hapsetme füzyonu ( National Ignition Facility gibi ) ve manyetik hapsetme füzyonudur ( ITER ve Wendelstein 7-X gibi ). İlk durumda, elektrik üretimi için sağlam bir yol haritası yok. İkinci durumda, 2050 yılına kadar ticari enerji üretimi beklenmiyor. Her iki durumda da tartışılan füzyon türü en basit olanıdır: DT füzyonu. Bunun nedeni, bu reaksiyon için çok düşük Coulomb bariyeridir ; D+ 3 He için bariyer çok daha yüksektir ve 3 He– 3 He için daha da yüksektir . ITER ve Ulusal Ateşleme Tesisi gibi reaktörlerin muazzam maliyeti , büyük ölçüde muazzam boyutlarından kaynaklanmaktadır, ancak daha yüksek plazma sıcaklıklarına ölçeklendirmek için çok daha büyük reaktörler gerekecektir. D– 3 He füzyonundan elde edilen 14,7 MeV proton ve 3,6 MeV alfa parçacığı ve ayrıca daha yüksek dönüşüm verimliliği, DT füzyonuna (17,6 MeV) kıyasla kilogram başına daha fazla elektrik elde edildiği anlamına gelir, ancak o kadar da fazla değil. Diğer bir dezavantaj olarak, helyum-3 füzyon reaksiyonları için reaksiyon hızları özellikle yüksek değildir ve aynı miktarda elektrik üretmek için daha büyük veya daha fazla reaktör gerektiren bir reaktör gerektirir.

Bırakın çok daha zorlu D- 3 He füzyonunu bir yana bırakın, DT füzyonu ile ekonomik bile olmayabilecek bu devasa büyüklükteki enerji santralleri sorununu çözmeye çalışmak için , bir dizi başka reaktör önerilmiştir – Fusor , Polywell , Focus füzyonu ve daha pek çoğu, bu kavramların birçoğunun net bir enerji kazanımı elde etmede temel sorunları olmasına ve genellikle termal dengesizlikte füzyon elde etmeye çalışmasına rağmen, potansiyel olarak imkansız olabilecek bir şey ve sonuç olarak, bu uzun vadeli programlar toplamada sorun yaşama eğilimindedir. Düşük bütçelerine rağmen fon sağlıyor. Bununla birlikte, "büyük", "sıcak" füzyon sistemlerinin aksine, bu tür sistemler çalışacak olsaydı, daha yüksek bariyerli " anötronik " yakıtlara ölçeklenebilirlerdi ve bu nedenle onların savunucuları , aşağıdakiler gibi egzotik yakıtlar gerektirmeyen pB füzyonunu teşvik etme eğilimindedir. helyum-3.

dünya dışı madencilik

Ay yüzeyi

Daha fazla bilgi: Ay kaynakları § Helyum-3

İlgili malzemeler Ay yüzeyindeki 1.4 ve 15 arasında konsantrasyonlarda 3-helyum ihtiva ppb güneşle aydınlanan alanlarda ve 50 kadar konsantrasyonlarda ihtiva edebilmektedir ppb kalıcı gölgeli bölgeler. 1986 yılında Gerald Kulcinski ile başlayan insan sayısı, teklif gelmiş Ay'ı keşfetmek , madenin ay regolith ve için helyum-3 kullanın füzyonu . Helyum-3'ün düşük konsantrasyonları nedeniyle, herhangi bir madencilik ekipmanının aşırı büyük miktarlarda regolit işlemesi gerekir (bir gram helyum-3 elde etmek için 150 tondan fazla regolit) ve bazı öneriler helyum-3 ekstraksiyonunun geri alınmasını önerdi. daha büyük bir madencilik ve geliştirme operasyonuna

Hindistan Uzay Araştırmaları Örgütü'nün 22 Ekim 2008'de fırlatılan Chandrayaan-1 adlı ilk ay sondasının birincil amacı, bazı kaynaklarda Helyum-3 içeren mineraller için Ay'ın yüzeyini haritalamak olduğu bildirildi. Bununla birlikte, bilimsel yüklerinin çoğunda helyum-3 ile ilgili uygulamalar belirtilmiş olmasına rağmen, projenin resmi hedef listesinde böyle bir hedeften bahsedilmemektedir.

Cosmochemist ve jeokimyacı Ouyang Ziyuan gelen Çin Bilimler Akademisi sorumlu artık Çin Ay Keşif Programı zaten programın ana hedeflerinden biri helyum-3'ün madencilik, olacağını çeşitli vesilelerle dile hangi operasyon "dan Her yıl, üç uzay mekiği görevi, dünyadaki tüm insanlar için yeterli yakıt getirebilir."

Ocak 2006'da Rus uzay şirketi RKK Energiya , fon bulunabilirse, ay helyum-3'ü 2020 yılına kadar çıkarılabilecek potansiyel bir ekonomik kaynak olarak gördüğünü açıkladı.

Tüm yazarlar, ay helyum-3'ün çıkarılmasının mümkün olduğunu veya hatta füzyon için bir talep olacağını düşünmez. 2015 yılında The Space Review'da yazan Dwayne Day , füzyonda kullanılmak üzere aydan helyum-3 çıkarılmasını büyülü/dini düşünce olarak nitelendiriyor ve Dünya'daki üretimle karşılaştırıldığında Ay'dan çıkarmanın uygulanabilirliğini sorguluyor.

Diğer gezegenler

Helyum-3 için madencilik gazı devleri de önerildi. İngiliz Interplanetary Derneği 'nin varsayımsal daedalus projesi yıldızlararası sonda tasarımı atmosferinde helyum-3 mayınlar sebebiyle başlamıştı Jüpiter örneğin. Jüpiter'in yüksek yerçekimi, bunu Güneş Sistemi'nin diğer gaz devlerinden helyum-3'ü çıkarmaktan daha az enerjik olarak uygun bir işlem haline getiriyor.

Ayrıca bakınız

Notlar ve referanslar

bibliyografya

Dış bağlantılar


Çakmak:
diproton 		Helyum-3, olduğu
izotop arasında helyum 		Daha ağır:
helyum-4
Bozunma ürünü :
lityum-4 ( p )
hidrojen-3 ( β− )
helyum-3'ün bozunma zinciri		 Çürüme :
Kararlı