Гелій-3 (3He)https://arxiv.org/abs/astro-ph/0412380v1 — легкий стабільний ізотоп гелію, який складається з двох протонів і одного нейтронаВселенская алхимия / С. Попов, А. Сергеев // Вокруг Света. — 2008. — № 4. — С. 3] (на відміну від найпоширенішого ізотопу, гелію-4, який складається з двох протонів і двох нейтронів). Окрім протію (тобто звичайного водню), гелій-3 є єдиним стабільним ізотопом будь-якого елемента, у складі якого протонів більше, ніж нейтронів.
Гелій-3 був відкритий американськими фізиками Луїсом Волтером Альваресом та у 1939 роціMoon's Helium-3 Could Power EarthBy Julie Wakefield .
Гелій-3 — рідкісна речовина. Він добувається в дуже невеликих кількостях — порядку кількох десятків грамів на рік. Гелій-3 зустрічається як первинний нуклід, який протягом мільйонів років виділявся із земної кори в атмосферу та космічний простір. Гелій-3 також вважається природним нуклеогенним і космогенним нуклідом, який утворюється під час бомбардування літію природними нейтронами, що вивільняються в процесі спонтанного поділу та ядерних реакцій із космічними променями. Деяка кількість гелію-3, яка перебуває в земній атмосфері, є артефактом атмосферних і підводних ядерних випробувань.
Існує багато спекуляцій щодо можливості використання гелію-3 як майбутнього . На відміну від більшості реакцій ядерного синтезу, синтез атомів гелію-3 є : під час нього вивільняється велика кількість енергії і водночас не відбувається радіоактивного забруднення навколишнього середовища. З іншого боку, температури, досягнення яких необхідне для підтримування реакції синтезу гелію-3, набагато вищі, ніж потрібні для традиційних реакцій термоядерного синтезу, через що цей процес здатен спричинити інші реакції, які, своєю чергою, самі по собі здатні призвести до радіоактивного забруднення навколишнього середовищаhttps://cds.cern.ch/record/1055767/files/CM-PRS00002036.pdf.
Вважається, що кількість гелію-3 на Місяці більша, ніж на Землі, оскільки він упродовж мільярдів років утворювався у верхньому шарі реголіту під дією сонячного вітру, хоча його кількість у складі газових гігантів Сонячної системи ще більшаhttps://www.lpi.usra.edu/meetings/lpsc2007/pdf/2175.pdf.
Історія Існування гелію-3 вперше припустив у 1934 році австралійський фізик-ядерник Марк Оліфант, який тоді працював у Кавендіській лабораторії Кембриджського університету. Оліфант проводив експерименти, у яких швидкі дейтрони зіштовхувалися з дейтронними мішенями (до речі, це була перша демонстрація ядерного синтезу). Виокремлення гелію-3 вперше здійснили Луїс Альварес і у 1939 році. Тоді вважалося, що гелій-3 — це радіоактивний ізотоп, але згодом його знайшли в зразках природного гелію, який здебільшого є гелієм-4, взятим з атмосфери Землі або з газових свердловин.
Фізичні властивості Через свою низьку атомну масу (3,016 а. о. м.) гелій-3 має деякі фізичні властивості, відмінні від властивостей гелію-4 (4,0026 а. о. м.). Через слабку індуковану диполь-дипольну взаємодію між атомами гелію їхні мікроскопічні фізичні властивості визначаються переважно їхньою нульовою енергією. Крім того, через свої мікроскопічні властивості гелій-3 має вищу нульову енергію, ніж гелій-4. Це означає, що гелій-3 здатен долати диполь-дипольну взаємодію з меншою тепловою енергією, ніж гелій-4.
Квантово-механічні ефекти у гелії-3 та гелії-4 суттєво відрізняються: загальний спін гелію-4, який складається з двох протонів, двох нейтронів і двох електронів, дорівнює нулю, а отже, він є бозоном, тоді як загальний спін гелію-3, у якому на один нейтрон менше, удвічі менший, а отже, він є ферміоном.
Чистий гелій-3 у вигляді газу кипить при температурі 3,19 К, а гелій-4 — при 4,23 К. Критична точка гелію-3 також нижча — 3,35 К, тоді як у гелію-4 — 5,19 К. Густина гелію-3 вдвічі менша за густину гелію-4 при температурі кипіння: 59 г/л порівняно зі 124,73 г/л гелію-4 за тиску в одну атмосферу. Його питома теплота пароутворення теж значно нижча — 0,026 кДж/моль порівняно з 0,0829 кДж/моль для гелію-4.
Газоподібний гелій-3 за нормальних умов має густину 0,1346 г/л (гелій-4 — 0,1785 г/л). Відповідно, об'єм одного грама гелію-3 за нормальних умов дорівнює 7,43 л (у гелію-4 — 5,596 л).
Рідкий гелій-3 Рідкий гелій-3 — , яка істотно відрізняється за властивостями від рідкого гелію-4. Рідкий гелій-3 вдалося отримати лише в 1948 році. У 1972 році в рідкому гелії-3 було виявлено фазовий перехід у надплинний стан за температур, нижчих за 2,6 мК, і за тиску 34 атм (раніше вважалося, що надплинність, як і надпровідність, — явища, характерні для конденсату Бозе — Ейнштейна, тобто кооперативні явища в середовищі з цілочисельним спіном об'єктів). За відкриття надплинності гелію-3 Дугласу Ошерову, Роберту Річардсону і Девіду Лі було присуджено Нобелівську премію з фізики 1996 року.
У 2003 році Нобелівською премією з фізики відзначені Олексій Абрикосов, Віталій Гінзбург і Ентоні Легетт, зокрема й за створення теорії надплинності рідкого гелію-3https://web.archive.org/web/20080229105829/http://ufn.ru/ufn04/ufn04_11/Russian/nob0411d.pdf.
Розповсюдженість у природі
На Землі Ізотоп 3He є однією з первинних речовин у мантії Землі, яка, як вважається, потрапила в Землю ще на етапі її формування. Співвідношення ізотопів 3He і 4He в земній корі та мантії менше, ніж в отриманих зразках метеоритів і місячному ґрунті, оскільки 4He, на відміну від 3He, постійно утворюється в результаті радіоактивного розпаду.
Космологічне співвідношення 3He до 4He становить 300 атомів на мільйон (ppm)https://fti.neep.wisc.edu/fti.neep.wisc.edu/pdf/fdm967.pdf. Це дає змогу припустити, що в часи, коли формувалася Земля, початкове співвідношення цих первинних газів у мантії становило близько 200—300 ppm. Упродовж усієї історії Землі внаслідок альфа-розпаду атомів урану, торію та інших радіоактивних ізотопів утворилася значна кількість 4He; лише близько 7 % гелію, який зараз перебуває в земній мантії, є первинним. У такий спосіб загальне співвідношення 3He/4He знизилося приблизно до 20 ppm. Якщо співвідношення 3He/4He перевищує атмосферне, це вказує те, що спостерігається внесок 3He з мантії. У джерелах, розташованих у земній корі, переважає 4He, який утворюється шляхом радіоактивного розпаду.
Співвідношення 3He/4He у природних земних джерелах сильно варіюєтьсяAldrich, L.T.; Nier, Alfred O. Phys. Rev. 74, 1590—1594 (1948). The Occurrence of He3 in Natural Sources of Helium. Page 1592, Tables I and II.. Зразки літієвої руди сподумену з шахти Едісон у Південній Дакоті містили 12 ppm 3He/4He; зразки з інших шахт показали 2 ppm.
У концентраціях до 7 % гелій присутній у деяких джерелах природного газу, а у великих джерелах — у концентраціях понад 0,5 % (за концентрації понад 0,2 % його видобуток стає практично здійсненним)http://www.stratosolar.com/uploads/5/6/7/1/5671050/29_challengestoheliumsupply111003.pdf. Частка 3He у гелії, виділеному з природного газу в США, коливається від 70 до 242 частин на мільярдhttps://sgp.fas.org/crs/misc/R41419.pdfhttps://stacks.cdc.gov/view/cdc/10597/cdc_10597_DS1.pdf. Таким чином, американський запас 2002 року в 1 мільярд стандартних кубічних метрів містив би від 12 до 43 кілограмів гелію-3. За даними американського фізика , з потоку природного газу в США можна щорічно виділяти близько 26 м3 або майже 5 кг гелію-3. Якщо в процесі виділення гелію-3 використовувати як сировину скраплений гелій (у такому вигляді його зазвичай транспортують і зберігають у великих обсягах), оцінки додаткових енергетичних витрат коливатимуться від 34 до 300 доларів за літр, не враховуючи вартості інфраструктури й обладнання. Вважається, що річний видобуток газу в Алжирі становить 100 млн стандартних кубічних метрів, що містить від 7 до 24 м3 гелію-3 (від 1 до 4 кг), якщо припустити, що його концентрація в газі аналогічна.
Гелій-3 присутній також в атмосфері Землі. Природний вміст ізотопу 3He у природному гелії становить 1,38 × 10−6 (1,38 ppm). Парціальний тиск гелію в атмосфері Землі становить близько 0,52 Па і, таким чином, на гелій припадає 5,2 частини на мільйон від загального тиску (101,325 кПа) в атмосфері Землі, а 3He становить 7,2 частини на трильйон (ppt). Оскільки атмосфера Землі має масу близько 5,14 × 1018 кг, маса 3He в атмосфері Землі має дорівнювати добутку цих чисел, тобто близько 37 000 тонн. Насправді ефективна цифра в 10 разів менша, оскільки наведені вище частки — це ppmv (об'ємна частка), а не ppmw (масова частка). Для отримання фактичної величини цю масу треба помножити на 3 (молекулярна маса гелію-3) і поділити на 29 (середня молекулярна маса атмосфери), у результаті чого отримаємо 3828 тонн гелію-3 в атмосфері Землі.
Гелій-3 утворюється на Землі з трьох джерел: сколювання літію; космічні промені; бета-розпад тритію (3H, або T).
Внесок космічного випромінювання є незначним у всіх матеріалах, окрім найдавніших реголітів, а внесок реакцій сколювання літію є меншим, ніж внесок утворення 4He за рахунок викидів альфа-частинок.
Загальна кількість гелію-3 в мантії може становити 0,1—1,0 мегатонни. Однак більша частина мантії недоступна безпосередньо. Деяка кількість гелію-3 просочується вгору через вулканічні гарячі точки, як-от вулкани Гавайських островів, але в атмосферу викидається лише 300 грамів гелію-3 на рік. Серединно-океанічні хребти викидають ще 3 кілограми на рік (8,2 г/добу). Навколо зон субдукції різні джерела виробляють гелій-3 у покладах природного газу, які, можливо, містять тисячу тонн гелію-3 (хоча ця кількість може досягати й 25 тисяч тонн, якщо такі поклади є в усіх давніх зонах субдукції). Віттенберг підрахував, що джерела природного газу в земній корі Сполучених Штатів можуть містити лише пів тонни. Лейтон Віттенберг (Leyton J. Wittenberg) процитував оцінку , згідно з якою ще 1200 тонн гелію-3 містяться в частинках міжпланетного пилу, які, потрапивши в атмосферу Землі, згодом опустилися на дно океану. За дослідженням 1994 року видобуток гелію-3 з цих джерел потребує більше енергії, ніж виділяється при ядерному синтезі.
На поверхні Місяця За однією з оцінок, упродовж мільярдів років існування Місяця під дією сонячного вітру на його поверхню осіло понад 1 мільйон тонн гелію-3. Речовина на поверхні Місяця містить гелій-3 в концентраціях, які, за оцінками, становлять оцінюються від 1,4 до 15 частин на мільярд (ppb) на освітлених сонцем ділянках і може містити гелій-3 в концентраціях до 50 частин на мільярд у постійно затінених регіонах. Для порівняння, гелій-3 в атмосфері Землі концентрація гелію-3 становить 7,2 частини на трильйон (ppt).
Починаючи з 1986 року з'являються численні пропозиції розробляти місячний реголіт і використовувати гелій-3, який міститься в ньому, для ядерного синтезу. Хоча станом на 2020 рік діючі експериментальні реактори ядерного синтезу існують вже десятки років, жоден із них ще не виробляв електроенергію на комерційній основі. Оскільки концентрація гелію-3 вкрай низька, будь-якому гірничодобувному обладнанню доведеться переробляти надзвичайно великі обсяги реголіту. За однією з оцінок, для отримання 1 грама гелію-3 необхідно переробити понад 150 тонн реголіту.