Гелий-3

Гелий-3 — изотоп гелия, ядро которого состоит из двух протонов и одного нейтрона, что в сумме дает три адрона в ядре. В природе встречается очень редко и имеет широкую область применения, выступает главным кандидатом на топливо для термоядерных реакторов.

Формирование гелия-3

В результате Большого Взрыва и дальнейшего расширения Вселенной, составляющие ее протоны и нейтроны стали образовывать стабильные структуры, химические элементы. Сегодня они являются наиболее легкими среди всех — это водород и гелий, а также их изотопы. Как известно, позже стали образовываться звезды первого поколения, которые состояли только из вышеупомянутых элементов. Далее, в результате их взрывов сформировались и более тяжелые элементы, которые позволили образоваться новым звездам, а также планетам и другим космическим телам.

Однако водород и гелий и сегодня являются наиболее распространенными элементами во Вселенной. Говоря конкретно об изотопе гелий-3, стоит отметить, что его формирование в природе происходит лишь вследствие ядерных реакций, протекающих в ядре Солнца и прочих звезд. При этом гелий-3 побочный продукт этих реакций, и его объем в десятки тысяч раз меньше, нежели объем вырабатываемого более тяжелого изотопа – гелий-4.

Примечательно, что искусственным путем гелий-3 в незначительных количествах формируется в результате распада искусственно полученного трития, который, в свою очередь, создается государствами для разработки ядерного оружия.

Применение изотопа гелий-3

Данный изотоп, в отличие от своего тяжелого собрата гелия-4 обладает совсем другими физическими характеристиками. В их число входит иная атомная масса, температура кипения, удельная теплота испарения и плотность в жидком состоянии. В результате чего гелий-3 высоко ценится в научных и промышленных кругах и имеет несколько направлений для применения:

• Криогеника. Растворение жидкого изотопа гелий-3 в более тяжелом гелие-4 позволяет получить сверхнизкие температуры, около 0,02 Кельвина. На основе этого процесса существует ряд криогенных устройств, таких как рефрижераторы растворения. Последние используются в различных низкотемпературных физических экспериментах, и не только в области криогеники.
• Медицина. Для получения изображения человеческих легких используется рентген или магнитно-резонансная томография (МРТ). Оба эти способа открыты довольно давно, и качество получаемых снимков легких оставляет желать лучшего. В надежде шагнуть дальше, американскими учеными была изобретена ядерная МРТ с использованием намагниченного газа ксенона-129. Позже было обнаружено, что в отличие от ксенона-129, гелий-3 является безвредным для человека, позволяет получать снимки, разрешение которых в сотни раз лучше. Кроме того гелий-3 не требует дорогостоящего обогащения и дорогих мощных томографов.

• Ядерная физика. Гелий-3 имеет высокое сечение поглощения нейтронов, поэтому является основным из нескольких возможных газовых наполнителей для счетчиков (детекторов), регистрирующих нейтроны в различных физических экспериментах. Также подобные счетчики могут использоваться для обнаружения запасов плутония, что позволит ужесточить защитные меры против транспортировки топлива для ядерного оружия.

Гелий-3 как термоядерное топливо

Несмотря на полезность данного изотопа для вышеупомянутых сфер, главы государств рассматривают его в первую очередь как термоядерное топливо.

Как известно, современные атомные электростанции используют ядерную цепную реакцию, в результате которой происходит ядерный распад с выделением энергии. Термоядерный же реактор, синтезирующий более тяжелое вещество с выделением энергии, имеет ряд преимуществ перед ядерным реактором, работа которого основывается на реакциях распада:

• Минимальная вероятность того, что мощность реакции в термоядерном реакторе внезапно подскочит.
• Отсутствие продуктов сгорания.
• Для работы термоядерного реактора не требуется топливо, которое используется для разработки ядерного оружия. Это не позволит вести террористическую деятельность, выработку термоядерного топлива для оружия, под предлогом добычи энергии за счет этого топлива.
• Радиоактивные отходы, вырабатываемые такими реакторами, несут меньше вреда для окружающей среды, а также имеют значительно меньший период полураспада.
• Водород, выступающий в роли топлива для термоядерных реакторов, может добываться из морской воды, а значит, представлен на Земле в практически неисчерпаемом объеме.

Несмотря на то, что в промышленных рамках термоядерный реактор еще не будет использоваться в ближайшее десятилетие, ученым уже удалось выяснить перспективность гелия-3 как будущего топлива для такого рода реакторов.

Первым аргументом в пользу использования данного изотопа в управляемом ядерном синтезе является тот факт, что в результате реакции будет излучаться в десятки раз меньший поток нейтронов. Что не только позволит избежать значительной направленной радиоактивности, но и заметно увеличит сроки эксплуатации оборудования.

Вместо нейтронов такой реактор будет излучать протоны, что является вторым аргументом в пользу гелия-3. В отличие от нейтронов, протоны можно легко использовать для дополнительной выработки электроэнергии (в магнитогидродинамическом генераторе).

Кроме того, гелий-3 не несет опасности во время хранения и не требует больших затрат на содержание, а в случае аварии на реакторе радиоактивность его выброса будет практически нулевая. Для сравнения, реакция ядерного синтеза с участием гелия-3 принесет количество энергии, равное энергии, высвободившейся в результате сгорания 15 млн тонн нефти. По оценкам американских ученых 40 000 кг гелия-3 достаточно, чтобы выработать электричество, потребляемое США за год. В 2009-м году же изотоп оценивался около 930 долларов за литр .

Распространенность гелия-3

В Солнечной системе наибольший запас гелия-3 имеется в недрах газовых гигантов, таких как Юпитер или Сатурн. Однако, в отличие от звезд, постоянно вырабатывающих данный изотоп, близкие к нам планеты-гиганты получили его на этапе своего формирования, и теперь лишь хранят запасы гелия-3 в своих слоях.

На Земле этот изотоп распространен в мизерных объемах, примерно в 7300 раз меньше, чем гелий-4. Масса гелия-3 в земной атмосфере оценивается всего в 35 000 тонн, в то время как полная масса атмосферы  5,2×10¹⁵ тонн. Постепенно данный изотоп улетучивается в космос, однако его небольшой запас находится в недрах нашей планеты и в малом количестве выходит наружу из различных ущелий в земной коре и вместе с извержениями вулканов, что позволяет восполнить его объем в атмосфере.

Гелий-3 на Луне

Так как на Луне нет атмосферы, изотопы гелия постоянно попадают на ее поверхность вместе с солнечным ветром. Таким образом, объем гелия-3 в лунном реголите в десятки или даже сотни тысяч раз превышает объем данного изотопа в земной атмосфере. В результате чего космические агентства различных государств упорно работают над созданием возможности добычи этого полезного химического элемента с поверхности нашего спутника.

Добыча гелия-3 на Луне имеет пару серьезных проблем, решением которых и занимаются ученые:

• Несмотря на относительно высокую концентрацию гелия-3 в лунном реголите, все же его объем на 100 тонн грунта составляет всего 1 грамм. Это означает, что лунные шахты или буровые машины для добычи данного изотопа должны постоянно и в больших объемах перерабатывать лунный грунт.
• Доставка на Луну машин, добывающих данный изотоп, с обратной транспортировкой добытого ресурса потребует значительных финансовых вложений. Так для разработки космического корабля и термоядерных реакторов, требуемых для получения энергии, потребуется около 20 млрд долларов, согласно подсчетам американских исследователей. Однако, после — тонна добытого гелия-3 будет обходиться около 3 млрд долларов, что все же выгоднее добычи, транспортировки и использования эквивалентного объема нефти.

Несмотря на указанные проблемы, Китай уже заявил о своих намерениях заниматься добычей гелия-3 на Луне.