Гелий 3 википедия: HTTP 429 — too many requests, слишком много запросов

Гелий-3, свойства, получение и применение

Гелий-3, свойства, получение и применение.

 

 

Гелий-3, 3He является редким изотопом. Он имеет перспективное применение в будущем в качестве топлива в термоядерных реакторах.

 

Гелий-3

Свойства гелия-3

Получение гелия-3

Применение гелия-3

Гелий-3 как топливо в термоядерном реакторе

Преимущества гелия-3 как топлива

 

Гелий-3:

Гелий-3 – более легкий из двух стабильных изотопов гелия. Химическая формула гелия-3 – 3He.

Ядро гелия-3 (гелион) состоит из двух протонов и одного нейтрона, в отличие от гелия-4 (4He), имеющего в составе два протона и два нейтрона.

Последний (4He) является более распространенным: на него, собственно, приходятся 99,99986 % гелия на Земле. На гелий-3 (3He) приходится 0,000137(3) % гелия на Земле.

Гелий-3 как частица относится к фермионам, т. к. имеет полуцелый спин.

Гелий-3 в основном содержится в атмосфере Земли, в природном газе (до 0,5%), а также в мантии планеты. Общее количество гелия-3 в атмосфере Земли оценивается порядка в 35 000 тонн.

На Солнце и в атмосферах планет-гигантов гелия-3 значительно больше, чем в атмосфере Земли.

 

Свойства гелия-3:

Наименование характеристики:Значение:
Атомная масса, а. е. м.3,0160293191(26)
Дефект массы, кэВ14 931,2148(24)
Удельная энергия связи (на нуклон), кэВ2 572,681(1)
Изотопная распространённость, %0,000137(3)
Период полураспадастабильный
Спин и чётность ядра1/2+
Момент импульса1/2
Плотность жидкого 3He при температуре кипения и нормальном давлении (101 325 Па), г/л59
Плотность газообразного 3He при нормальных условиях (T = 273,15 K = 0 °C, P = 101 325 Па), г/л0,1346
Температура кипения, К3,19
Критическая точка, К3,35
Удельная теплота испарения, Дж/моль26
Объем одного грамма 3He при нормальных условиях (T = 273,15 K = 0 °C, P = 101 325 Па), литров7,43
Сверхтекучее состояниепри температурах ниже 2,6 мК и при давлении 34 атм.

 

Получение гелия-3:

В настоящее время гелий-3 не добывается из природных источников.

Его получают при распаде искусственно созданного трития, бомбардируя нейтронами литий-6 в ядерном реакторе. Таким способом можно можно получать до 18 кг гелия-3 в год.

Ввиду с растущей нехваткой гелия-3 рассматриваются такие 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.

Существует также современная идея добычи гелия-3 на Луне, где его находится миллионы тонн в лунном грунте – реголите. Тонна лунного грунта (в тончайшем приповерхностном слое) содержит порядка 0,01 г гелия-3 и 28 г гелия-4.  Данная изотопная распространенность гелия-3 на Луне (~0,043 %) значительно выше, чем в земной атмосфере. В лунном грунте гелий-3 накопился в течение многих лет за счет облучения поверхности Луны солнечным ветром, в котором он содержится.  Для извлечения гелия-3 из лунного грунта последний необходимо нагреть до нескольких сотен градусов Цельсия.

 

Применение гелия-3:

– для наполнения газовых счетчиков-детекторов нейтронов,

– в научных лабораториях для получения сверхнизких милликельвиновых температур (около 0,02 К) путем растворения жидкого гелия-3 в гелии-4,

– как термоядерное топливо в термоядерном реакторе (в будущем).

 

Гелий-3 как топливо в термоядерном реакторе:

Гелий-3 является отличным сырьем для протекания реакции термоядерного синтеза, в отличии от реакций ядерного распада. К сожалению, термоядерный реактор на основе гелия-3 является предметом научных разработок и его появление не ожидается в ближайшем будущем.

Ядерная реакция с гелием-3 выглядит следующим образом:

3He + 3He → 4He + 2p + 12,8 МэВ,
3He + D → 4He + p + 8,35 МэВ,

где D – дейтерий, p – протон.

В результате данной термоядерной реакции образуется стабильный изотоп гелия-4 (4He), протон и большое количество энергии. В то время как в ходе ядерной реакции распада образуются нейтроны, которые глубоко проникают в окружающие конструкционные материалы, делают их радиоактивными и разрушают их. В итоге такие материалы необходимо периодически (через несколько лет) захоранивать и заменять новыми. Протоны, которые образуются в результате реакции термоядерного синтеза с участием гелия-3, наоборот, глубоко не проникают в окружающие материалы и не наводят радиоактивность. Поэтому такие материалы и конструкции могут служить десятилетиями.

В целом вышеописанная реакция сопровождается радиацией, но она (реакция) в 50 раз менее радиоактивна, чем термоядерная реакция, например, дейтерия с тритием.

Ядерная реакция дейтерия с тритием описывается следующим образом:

2H + 3H → 4He + n + 17,6 МэВ,

где 2H – дейтерий, 3H – тритий, n – нейтрон.

Недостатком реакции дейтерия с тритием является то, что тритий сам по себе сильно радиоактивен. Во-вторых, в ходе такой реакции возникает сильное нейтронное излучение.

Энергетическая эффективность гелия-3 как топлива в термоядерном синтезе весьма огромна. Так, 1 тонна гелия-3 заменяет порядка 15-20 миллионов тонн нефти. Ежегодная потребность России в гелии-3 составляет порядка 20-30 тонн, а всего человечества – 200 тонн.

 

Преимущества гелия-3 как топлива:

– это экологически чистое термоядерное топливо, сам по себе гелий-3 нерадиоактивен и его хранение не требует особых мер предосторожности,

– высокая энергетическая эффективность,

– вместо нейтронов реактор на гелии-3 излучает протоны, которые в отличие от нейтронов, легко улавливаются и могут быть использованы для дополнительной генерации электроэнергии, например, в МГД-генераторе,

– кинетическая энергия протонов напрямую преобразуется в электричество за счет твердотельного преобразования,

– реактор на основе гелия-3 имеет более низкие эксплуатационные затраты, чем традиционный,

– при аварии реактора с разгерметизацией активной зоны радиоактивность выброса близка к нулю.

 

Таблица химических элементов Д.И. Менделеева

 

  1. 1. Водород
  2. 2. Гелий
  3. 3. Литий
  4. 4. Бериллий
  5. 5. Бор
  6. 6. Углерод
  7. 7. Азот
  8. 8. Кислород
  9. 9. Фтор
  10. 10. Неон
  11. 11. Натрий
  12. 12. Магний
  13. 13. Алюминий
  14. 14. Кремний
  15. 15. Фосфор
  16. 16. Сера
  17. 17. Хлор
  18. 18. Аргон
  19. 19. Калий
  20. 20. Кальций
  21. 21. Скандий
  22. 22. Титан
  23. 23. Ванадий
  24. 24. Хром
  25. 25. Марганец
  26. 26. Железо
  27. 27. Кобальт
  28. 28. Никель
  29. 29. Медь
  30. 30. Цинк
  31. 31. Галлий
  32. 32. Германий
  33. 33. Мышьяк
  34. 34. Селен
  35. 35. Бром
  36. 36. Криптон
  37. 37. Рубидий
  38. 38. Стронций
  39. 39. Иттрий
  40. 40. Цирконий
  41. 41. Ниобий
  42. 42. Молибден
  43. 43. Технеций
  44. 44. Рутений
  45. 45. Родий
  46. 46. Палладий
  47. 47. Серебро
  48. 48. Кадмий
  49. 49. Индий
  50. 50. Олово
  51. 51. Сурьма
  52. 52. Теллур
  53. 53. Йод
  54. 54. Ксенон
  55. 55. Цезий
  56. 56. Барий
  57. 57. Лантан
  58. 58. Церий
  59. 59. Празеодим
  60. 60. Неодим
  61. 61. Прометий
  62. 62. Самарий
  63. 63. Европий
  64. 64. Гадолиний
  65. 65. Тербий
  66. 66. Диспрозий
  67. 67. Гольмий
  68. 68. Эрбий
  69. 69. Тулий
  70. 70. Иттербий
  71. 71. Лютеций
  72. 72. Гафний
  73. 73. Тантал
  74. 74. Вольфрам
  75. 75. Рений
  76. 76. Осмий
  77. 77. Иридий
  78. 78. Платина
  79. 79. Золото
  80. 80. Ртуть
  81. 81. Таллий
  82. 82. Свинец
  83. 83. Висмут
  84. 84. Полоний
  85. 85. Астат
  86. 86. Радон
  87. 87. Франций
  88. 88. Радий
  89. 89. Актиний
  90. 90. Торий
  91. 91. Протактиний
  92. 92. Уран
  93. 93. Нептуний
  94. 94. Плутоний
  95. 95. Америций
  96. 96. Кюрий
  97. 97. Берклий
  98. 98. Калифорний
  99. 99. Эйнштейний
  100. 100. Фермий
  101. 101. Менделеевий
  102. 102. Нобелий
  103. 103. Лоуренсий
  104. 104. Резерфордий
  105. 105. Дубний
  106. 106. Сиборгий
  107. 107. Борий
  108. 108. Хассий
  109. 109. Мейтнерий
  110. 110. Дармштадтий
  111. 111. Рентгений
  112. 112. Коперниций
  113. 113. Нихоний
  114. 114. Флеровий
  115. 115. Московий
  116. 116. Ливерморий
  117. 117. Теннессин
  118. 118. Оганесон

 

Таблица химических элементов Д.И. Менделеева

 

Примечание: © Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com

 

реакция дейтерий сверхтекучий жидкий синтез газ гелий 3 на луне википедия на земле образуется на солнце добыча купить
содержание формула изотоп запасы реакции синтеза масса ядра добыча плотность гелия 3 в гелии цена на луне применение

 

Коэффициент востребованности
2 874

Индия тоже хочет добывать гелий-3 / Хабр

«Чандраян-2» готовят к полёту в чистой комнате

Возможно, лунный гелий-3 может стать аналогом земной нефти: все страны стремятся поставить под свой контроль запасы этого топлива на триллионы долларов. Подсчитано, что 0,02 грамма гелия-3 в ходе реакции термоядерного синтеза выделят столько же энергии, сколько даёт полное сжигание 1 барреля нефти, а 40 тонн гелия-3 хватит для обеспечения США энергией на целый год. Осталось только запустить термоядерный синтез.

Кроме США, России и Китая очередным государством, которое объявило о планах добычи гелия-3 на Луне, стала Индия. Индийская лунная программа предусматривает отправку миссии на Южный полюс Луны, где аппарат проведёт разведку, сообщает индийское издание The Economic Times. Запуск станции «Чандраян-2» с орбитальным аппаратом, посадочным модулем и луноходом планируют в октябре 2018 года. Шестиколёсный аппарат на солнечных батареях сможет автономно работать как минимум 14 дней в радиусе 400 метров от посадочного модуля.


Ещё в 2010 году США назвали дефицит гелия-3 угрозой для национальной безопасности страны. Тогда в парламенте прошли слушания по этой проблеме. Гелий-3 — единственный надёжный и безопасный материал для счётчиков нейтронов, то есть для детекторов радиационного излучения. На сегодняшний день не существует реальной альтернативы для его использования. Как говорилось на слушаниях в парламенте, раньше ценное вещество поставляла Россия в количестве 25 000 л в год, но потом прекратила поставки, потому что было принято решение «создавать стратегические запасы для собственного потребления». Гелий-3 является продуктом распада трития, который не производится с 1988 года.

На Земле гелий-3 практически не встречается в естественном виде (хотя идёт поиск земных месторождений), тогда как на Луне, по различным оценкам, запасы составляют от 500 тыс. до 10 млн тонн. По мнению специалистов, если запасы составляют 1 млн тонн, то примерно четверть этого количества реалистично можно доставить на Землю. Джеральд Кульчинский (Gerald Kulcinski), директор Fusion Technology Institute в Университете Висконсин-Мэдисон и бывший член Консультативного совета НАСА, оценивает стоимость топлива примерно в $5 млрд за тонну.

Гелий незаменим не только для детекторов радиационного излучения, но и во многих других областях. Например, в аппаратах магнитно-резонансной томографии (МРТ) применяются сверхпроводящие электромагниты, работающие в жидком гелии. Это самый оптимальный хладагент, и отсутствие гелия имело бы неприятные последствия. Кроме магнитно-резонансной томографии, жидкий гелий применяется в качестве хладагента для охлаждения сверхпроводящих магнитов в детекторах инфракрасного и высокочастотного излучения, сквид-магнетометрах, сканирующих туннельных микроскопах, ускорителях заряженных частиц. Например, в Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе используется 96 тонн жидкого гелия для поддержания температуры 1,9ºK.

Жидкий гелий используют также в криостатах растворения, криогенных электрических машинах. Газообразный гелий — в металлургии в качестве защитного инертного газа для выплавки чистых металлов, в пищевой промышленности (пищевая добавка E939) как пропеллент и упаковочный газ, для наполнения воздухоплавающих судов (дирижабли и аэростаты) как безопасная альтернатива водороду, в баллонах для дайвинга, для наполнения воздушных шариков и оболочек метеорологических зондов, для заполнения газоразрядных трубок, в качестве теплоносителя в некоторых типах ядерных реакторов, в качестве носителя в газовой хроматографии, для поиска утечек в трубопроводах и котлах, как компонент рабочего тела в гелий-неоновых лазерах, для продувки топливных баков жидкостных ракет и т. д.

Но самое главное, что гелий-3 является перспективным топливом для термоядерной энергетики в далёком будущем. Неспроста в игре Mass Effect человечество использует гелий-3 как основное топливо, а в фильме «Луна 2112» ведётся промышленная добыча гелия-3 на Луне, для производства энергии на Земле.

Может быть, эти научно-фантастические сюжеты скоро воплотятся в жизнь. По оценкам учёных, лунных запасов топлива хватит, чтобы обеспечить энергетические потребности Земли на ближайшие 250−500 лет.

«Страны, которые имеют потенциал для доставки этого источника с Луны на Землю, будут диктовать этот процесс, — сказал К. Сиван, председатель Индийской организации космических исследований. — Я не хочу входить в их состав, я хочу вести их».

Отправка лунохода — первый шаг индийской лунной программы. В дальнейшем страна не исключает запуск орбитальной лунной станции и высадку людей на поверхность Луны. В отличие от России, индийское правительство пока не называет конкретные сроки, когда намерено осуществить эти планы.

Пока в 21 веке только одна страна отправила на лунную поверхность посадочный модуль и луноход: это Китай. США планируют запуск орбитального аппарата в начале 2020-х.

Гелий-3 – Википедия

Гелий-3 ( 3 He) ist neben Гелий-4 eines der beiden stabilen Isotope des Heliums. Sein Atomkern enthält zwei Protonen und ein Neutron.

Hauptanwendungsgebiet von Helium-3 ist die Tieftemperaturforschung: In Mischungskryostaten werden werden durch Nutzung von Helium-3 und Helium-4 Temperaturen von nur wenigen tausendstel Kelvin über dem absoluten Nullpunkt erreicht. Гелий-3 был обнаружен в Neutronendetektoren eine Rolle (siehe Zählrohr).

Гелий-3 ist auf der Erde sehr selten. Die Erdatmosphäre besteht überhaupt zu 5,2 ppm с гелием. Von diesem Helium ist wiederum nur ein kleiner Anteil (0,000138 % массы тела 1,38 частей на миллион) 3 He. [3] Das entspricht insgesamt einem Anteil an der gesamten Atmosphäre von 7,2 · 10 −12 или от 3000 до 4000 t. In natürlichen Heliumquellen kann das Verhältnis von 3 He/ 4 He etwas höher oder niedriger als in der Erdatmosphäre sein. Ursache hierfür ist, dass das bei der Erdentstehung eingetragene kosmische Helium ursprünglich 0,01 % (100 ppm) Helium-3 enthielt, später aber ausgaste und durch beim radioaktiven Alphazerfall entstandenes Helium-4 mehr oder weniger verdünnt wurde.

Die Hauptquelle für Helium-3 auf der Erde ist derzeit der Zerfall von Tritium. Tritium lässt sich in Kernreaktoren künstlich herstellen – in Schwerwasserreaktoren sammelt es sich in geringen Mengen im Moderator an. Гелий-3 sammelt sich als Zerfallsprodukt in tritiumhaltigen, geboosteten Kernwaffen und muss aus diesen regelmäßig entfernt werden.

Inhaltsverzeichnis

  • 1 Geschichte und Entdeckung
  • 2 Воркоммен
    • 2.1 Häufigkeit im Sonnensystem
  • 3 Künstliche Erzeugung, kommerzielle Gewinnung
  • 4 Physikalische Eigenschaften
    • 4. 1 Siedepunkt und Kritischer Punkt
    • 4.2 Нульпунктэнергия
    • 4.3 Супержидкость
    • 4.4 Поляризация
  • 5 Вервендунг
    • 5.1 Криотехник
    • 5.2 Нейтронендетекция
    • 5.3 Поляризатор для нейтронов
    • 5.4 Медицина
    • 5.5 Теоретический айнзатц в термоядерных реакторах
  • 6 Литература
  • 7 Веб-ссылки
  • 8 Айнцельнахвайзе

Гелион, атомное ядро ​​гелия-3-атомов, лучший из протонов и неопределенный гелий мит zwei Neutronen, aus nur einem Neutron. Гелий-3 и тритий были получены в 1934 году австралийским кернфизиком Марком Олифантом из Кембриджского университета в Кавендишской лаборатории. Dabei laufen Kernfusionsreaktionen ab, in denen Helium-3 und Tritium entstehen. [4]

Удостоверение Луиса Вальтера Альвареса, 1939 г., во время экспериментов в Циклотроне в Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли, выполненной в Беркли. [5]

Фон Гелий-3 дополняется теоретическими справочными данными, dass es ein Radionuklid sein müsse, bis Alvarez Spuren davon in Proben von natürlichem Helium nachweisen konnte. Da diese Proben geologischen Ursprungs und Jahrmillionen alt waren, musste es Tritium sein, welches sich mit der Halbwertszeit von einigen Jahren in Helium-3 umwandelt, und nicht umgekehrt, wie ursprünglich vermutet. Alvarez konnte auch die Halbwertszeit von Tritium bestimmen. Протий и гелий-3 являются более стабильными нуклеидами, более протонными и нейтронными энтальтами.

Helium-3 ist ein ursprüngliches Nuklid, das über Millionen von Jahren von der Erdkruste in die Atmosphäre und von dort wiederum in den Weltraum flüchtet. Es wird vermutet, dass Helium-3 ein natürliches kosmogenes Nuklid ist, da es entstehen kann, wenn Lithium mit Neutronen bombardiert wird. Letztere werden bei spontaner Spaltung und bei Kernreaktionen mit kosmischer Strahlung freigesetzt. Auch in der Erdatmosphäre bildet sich laufend Tritium durch Reaktionen zwischen Stickstoff und der kosmischen Strahlung, welches im Laufe der Zeit zu Helium-3 zerfällt. Die absoluten Mengen sind allerdings gering; die gesamte Menge an natürlichem Tritium in der Biosphäre wird auf 3,5 kg geschätzt.

Im Erdmantel ist Helium-3 haufiger (typisches Verhältnis Helium-3 zu Helium-4 von 1:10 4 ) als in der Erdkruste und Atmosphäre (typisches Verhältnis 1:10 6 ). Grund ist, dass die Erdkruste Richtung Atmosphäre ausgast, und aus radioaktivem Zerfall nachgebildetes Helium immer Helium-4 ist. In Gebieten mit hoher vulkanischer Aktivität, in denen Mantelplumes aus dem Erdmantel aufsteigen, findet sich daher часто eine höhere Helium-3-Konzentration.

Häufigkeit im Sonnensystem[Bearbeiten | Quelltext Bearbeiten]

Eine gegenüber terrestrischen Quellen etwa tausendfach höhere, damit aber immer noch sehr geringe Konzentration [6] [7] von Helium-3 wird auf dem Mond vermutet, wo es über Milliarden Sond vermutet, wo es über Milliarden Sond vermutet Regolith abgelagert und dann mangels vulkanischer und biogener Aktivität weder freigesetzt noch verdünnt wurde. [8]

Auf den Gasplaneten findet sich Helium-3 im ursprünglichen kosmischen, entsprechend höheren Verhältnis, zu Helium-4. Man nimmt an, dass dieses Verhältnis ähnlich dem im solaren Nebel ist, aus dem sich später Sonne und Planeten bildeten. Im Vergleich zur Erde ist der Helium-Anteil bei den Gasplaneten sehr hoch, da deren Atmosphäre – anders als die Atmosphäre der Erde – dieses Gas dauerhaft binden kann. Массенспектрометр ermöglichte Galileo-Raumsonde die Messung des Verhältnisses von Helium-3 zu Helium-4 in der Jupiter-Atmosphäre. Das Verhältnis beträgt etwa 1:10 4 , также 100 частей на миллион. [9] Es liegt damit ungefähr im Bereich des Verhältnisses im Regolith des Mondes. Indessen ist das Verhältnis in der Erdkruste um den Faktor 10 2 niedriger (d. h. eben zwischen 2 und 20 ppm), was hauptsächlich auf Ausgasung des ursprünglichen Heliums bei gleichzeitigem Eintrag von neuem Uundran Helium-4 durch Alphazerfall deren Tochternuklide zurückzuführen ist.

Ein Teil des Helium-3 und Tritiums in der Erdatmosphäre ist künstlichen Ursprungs. Insbesondere entsteht Tritium als Nebenprodukt bei der Kernspaltung: Manchmal wird bei der Kernspaltung neben den beiden mittelschweren Spaltprodukten ein dritter, leichter Kern emittiert; в 7 % dieser ternären Zerfälle bzw. в 0,1 % der Zerfälle insgesamt ist Tritium eines der Spaltprodukte. [10] [11] Zudem aktivieren Spaltneutronen einen Teil des im Kühlwasser immer mit enthaltenen Deuteriums zu Tritium. Wird gar schweres Wasser (Deuteriumoxid) als Kühlmittel verwendet, был ден Betrieb des Reaktors mit nicht angereichertem Natururan ermöglicht (z. B. CANDU-Reaktor), entsteht zusätzlich zu Tritium als Spaltprodukt auch etwa 1 kg Tritium im Kühlwastier thermwasserja pro 5 Gigathermöglicht Лейстунг. [12] Zum Teil wird dieses Tritium in einer kommerziellen Anlage aus dem Kühlwasser entfernt, um es zu vermarkten (этва 2,5 кг для Jahr), zum Beispiel für die Verwendung in Leuchtfarben. [13]

Tritium zerfällt mit 12,3 Jahren Halbwertszeit zu Helium-3. Wenn verbrauchte Brennelemente nach einer Abklingzeit von ein bis zwei Jahrzehnten in einer Wiederaufbereitungsanlage zerlegt werden, ist ein Großteil des Tritium bereits zu Helium-3 zerfallen. Dieses wird als ungefährliches Gas an die Umwelt abgegeben. Aber auch das Tritium kann in einer WAA nicht vollständig zurückgehalten werden. [14] Zusätzlich kommt es zur Tritium-Freisetzung bei Unfällen mit Kernreaktoren und Kernwaffentests. Так в Biosphäre gelangte Tritium zerfällt dort ebenfalls weiter zu Helium-3.

Zudem werden für Kernwaffen beträchtliche Mengen Reinen Tritiums bewusst in Nationalen Kernreaktoren durch die Bestrahlung von Lithium-6 erzeugt. Das Tritium wird zusammen mit Deuterium als Fusionsbooster verwendet, um das Zündverhalten von Nuklearwaffen zu verbessern und deren Energiefreisetzung цу steigern. Das Tritium zu Helium-3 zerfällt, muss es regelmäßig ersetzt werden. Zugleich wird das gebildete Helium-3 entnommen. Aber auch im zentralen Tritium-Vorrat des US-Energieministeriums bildet sich entsprechend Helium-3. [15] Das so gewonnene Helium-3 kommt in den Handel, vor allem über Linde Gas. Das Unternehmen betreibt eine Anlage, um auch die letzten Reste von Tritium aus dem Helium-Gas herauszufiltern. [16]

Bedingt durch die rückläufige Zahl an aktiven Nuklearwaffen, durch die Reduktion und teilweise komplette Aussetzung der Tritium-Produktion durch das US-Energieministerium und zugleich durch die steigende Zahl an Anwendungen gibt es inzwischen eine Knappheit an Helium-3. Der aktuelle Jahresverbrauch von Helium-3 Liegt Bei ungefähr 60.000 Litern Gas (около 8 кг). [16] Цена от 100 долларов США до 2150 долларов США за литр гелия-3-газа. [17] Mögliche Optionen für die Zukunft sind neben dem Aufbau einer Tritium-Produktion for zivile Zwecke oder der verstärkten Tritium-Extraktion aus dem Kühlwasser bestehender Reaktoren auch die Helium-3-Abdestillation aus bereits Heliumschemlüscheme ohnehin für Kverhlzwehin. Letzteres muss zwar immer noch mit erheblichem Aufwand von der bereits erreichten Temperatur 4 K weiter auf etwa 1 K gekühlt werden, doch kann im Gegenstromverfahren nach dem Abdestillieren das ablaufende Helium-4 das nachlaufende frische Helium vorkühlen. Sehr teuer wäre es, gezielt nur Helium-3 aus Erdgas zu extrahieren, wenn das Helium-4 nicht genutzt wird. Über einen Helium-3-Abbau auf dem Mond ist nachgedacht worden. [18]

Siedepunkt und Kritischer Punkt[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Aufgrund des im Verhältnis großen Massenunterschieds von fast 25 % zeigen Helium-3 und Helium-4 deutlichere Unterschiede in ihren Eigenschaften als die Isotope schwerer Elemente. Таким образом, точка Siedepunkt von Helium-4 bei 4,23 K, der von Helium-3 bei nur noch 3,19 K, entsprechend einem Temperaturverhältnis von 4:3, das fast genau dem Kernmassenverhältnis von 4:3 entspricht. Линейная температура для Gesamtenergie jeweiligen Atoms ist, sind am jeweiligen Siedepunkt von Helium-3 und Helium-4 die Energien for Nukleon fast gleich. Zum Vergleich: Wasserstoff siedet bei 21,15 K, das doppelt so schwere Deuterium hat dennoch nur einen gut 11 % höheren Siedepunkt von 23,57 K. Die Kritische Temperatur, jenseits derer nicht mehr zwischen Flüssigkeit und Helürnterschieden fürden kann, lie -3 при 3,35 К, для гелия-4 при 5,3 К.

Der erhebliche Unterschied in der Siedetemperatur kann verwendet werden, um Гелий-3 aus einem Гелий-3/Гелий-4-Gemisch abzudestillieren: Bei 1,25 K beträgt der Dampfdruck von Helium-3 beispielsweise noch 3,17 kPa, der von Гелий-4 нур ночь 0,115 кПа. [19] Bei Temperaturen unter 0,86 K fangen Helium-3 и Helium-4 sogar an, sich spontan zu entmischen. Um auf diesem Weg Helium-3-Konzentrationen kleiner 10 % bzw. Größer 90 % zu erreichen, werden aber sehr tiefe Temperaturen unter 0,3 K beötigt.

Nullpointsenergie[Bearbeiten | Quelltext Bearbeiten]

Weiterhin gehört Helium-4 mit seiner hohen Symmetrie (zwei Protonen, zwei Neutronen, zwei Elektronen) und Gesamtspin 0 zu den Bosonen. Гелий-3 не имеет спина 1/2 и не имеет прямого отношения к фермиону. Aufgrund seiner fermionischen Eigenschaften hat Helium-3 eine wesentlich höhere Nullpunktsenergie als Helium-4: Aufgrund des Pauli-Prinzips müssen sich alle Helium-3-Atome in unterschiedlichen Zuständen befinden, während sich – bei ausreichend tiefen Temperaturen – beliebig-4-Atome Helium gleichzeitig im Grundzustand befinden können. Auch die Nullpunktsenergie des Grundzustands Liegt Aufgrund der geringeren Masse höher. In der Folge schwingen Helium-3-Atome stärker, so dass sie im flussigen Zustand weniger dicht gepackt sind als bei Helium-4: Flüssiges Helium-3 hat am Siedepunkt (3,19K, 1 бар (Druck) eine Dichte von 59 г/л, Flussiges Helium-4 trotz der höheren Temperatur (4,23 K) mehr als das Doppelte mit 125 г/л. Die zur Verdampfung nötige Enthalpie beträgt mit 0,026 кДж/моль Weniger als ein Drittel der von Helium-4 mit 0,0829 кДж/моль. [20]

Suprafluidität[Bearbeiten | Quelltext Bearbeiten]

Während Helium-4 schon bei 2,17 K наджидкостный wird, tritt dies bei Helium-3 erst bei 2491 mK auf. Die gängigen Theorien der Suprafluidität von Helium-3 besagen, dass sich dort je zwei Helium-3-Atome zu einem Cooper-Paar zusammenfinden und daurch ein Boson bilden. Einen ähnlichen Effekt gibt es auch bei elektrischen Supraleitern, wo sich gemäß der BCS-Theorie je zwei fermionische Elektronen zu einem Cooper-Paar zusammenfinden. Bei Helium-4 ist dieser Zwischenschritt nicht notig, es wird direct superfluid.

Aufgrund der sehr tiefen Temperaturen, bei denen Suprafluidität bei Helium-3 auftritt, wurde diese erst vergleichsweise spät entdeckt. В 1970-х годах Джарен работал с Дэвидом Моррисом Ли, Дугласом Дин Ошерофф и Робертом Коулманом Ричардсоном, когда Фасенуберганге entlang der Schmelzkurve, был лысым, как и zwei suprafluide Phasen des Helium-3 gedeutet wurden. [21] [22] Der Übergang zu einem Suprafluid tritt bei 2491 mK auf der Schmelzkurve auf. Für diese Entdeckung wurden sie 1996 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

2003 gewann Anthony James Leggett ebenfalls den Physik-Nobelpreis für das bessere Verständnis der suprafluiden Phasen von Helium-3. [23] In einem Magnetfeld-freien Raum gibt es zwei unabhängige suprafluide Phasen von Helium-3, nämlich die A-Phase und die B-Phase. Die B-Phase представляет собой Niedertemperatur- und Niederdruck-Phase, которая является изотропной энергетической шапкой. Die A-Phase ist die Hochdruck- und Hochtemperatur-Phase, welche sich überdies von einem magnetischen Feld stabilisieren lässt und zwei Knotenpunkte in ihrer Energielücke hat.

Die Anwesenheit von zwei Phasen ist ein klares Anzeichen dafür, dass 3 He eine ungewöhnliche Supraflüssigkeit (bzw. Supraleiter) ist, da für die beiden Phasen eine weitere Symmetrie, außertanbroschen der Eichsymmetrige, benwirdspontögetgetrie. In der Tat ist es eine p -Wellen-Supraflüssigkeit, mit Spin eins (S=1{\displaystyle S=1}) и Drehimpuls eins (L=1{\displaystyle L=1}). Der Grundzustand entspricht dann einem vektoriel addierten Gesamtdrehimpuls J→=L→+S→=0{\displaystyle {\vec {J}}={\vec{L}}+{\vec{S}}=0}. Angeregte Zustände haben einen Gesamtdrehimpuls J> 0 {\ displaystyle J> 0}, был angeregten kollektiven Paarmoden entspricht. Wegen der Extremen Reinheit der Supraflussigkeit 3 Он включает в себя коллективные работы Moden dort mit höherer Genauigkeit untersucht werden als in jedem anderen ungewöhnlichen Paarbildungssystem. Die große Reinheit wird erreicht, da alle Materialien außer 4 He bei den tiefen Temperaturen längst gefroren und zum Boden gesunken sind, und jegliches 4 He sich entmischt und in einer getrennten Phase vorliegt. Letztere enthält zwar noch 6,5 % an 3 He, die sich auch am absoluten Nullpunkt nicht entmischen würden, die aber hier nicht stören, da das in 4 He gelöste Rest- 3 He nicht suprafluid wird.

Поляризация[Bearbeiten | Quelltext Bearbeiten]

Aufgrund des Spins ½ trägt das 3 He-Atom ein magnetisches Moment. Im Magnetfeld stellen sich mehr dieser Momente parallel zum Magnetfeld als antiparallel dazu, dieser Effekt wird Spinpolarization genannt. 3 He-Gas wird unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfelds также selber leicht magnetisch. Bei Raumtemperatur ist aber der zahlenmäßige Unterschied zwischen den parallel und antiparallel ausgerichteten Magneten klein, da die durchschnittliche Energie pro Atom bei dieser Temperatur viel höher Liegt als die Energieaufspaltung im Magnetfeld, dem hohen gyromagnetischen Verhältnis Troops Helium. Mit der Technik der Hyperpolarization gelingt es aber, Polarisationgrade von bis zu 70 % zu erreichen. Aufgrund der geringen Wechselwirkung der Kernspins mit der Umgebung lässt sich einmal erzeugtes hyperpolarisiertes Helium-3 für bis zu 100 Stunden in Drucktanks aufbewahren.

Криотехник[Медвежий | Quelltext Bearbeiten]

Das wichtigste Anwendungsgebiet von Helium-3 ist die Kryotechnik. Eine Helium-3-Absorbskältemaschine arbeitet mit reinem 3 He und erreicht damit Temperaturen bis hinab zu 0,2 bis 0,3 K. Die 3 He- 4 He-Mischungskühlung nutzt die von 0900 Entmischung 5 090 Entmischung und 4 He zur Kühlung bis hinab zu wenigen tausendstel Kelvin: [24] In der schwereren 4 He-reichen Phase löst sich jedoch noch etwas 3 He. Wenn man 3 He aus der gemischten Phase abdestilliert, verringert sich der 3 He-Anteil in der 4 He-Phase, und 3 He strömt aus der reinen 6-4P09000 He

5 3

He-reiche Phase nach. Beim Lösen des 3 He in der 4 He-Phase wird Wärmeenergie verbbraucht, und die Temperaturen погружение.

Neben der Nutzung als Kältemittel ist 3 Он сам интенсивный Forschungsgegenstand der Tieftemperaturphysik.

Neutronendetektion[Bearbeiten | Quelltext Bearbeiten]

Helium-3 wird zur Neutronendetektion in Zählrohren verwendet, Denn es Hat für thermische Neutronen einen großen Wirkungsquerschnitt für die Kernreaktion

n + 3 He → 3 H + 1 H + 0,764 МэВ,

die die die geladen Rückstoßkerne Tritium (T,

5 30005 1

Н) erzeugt.

Поляризатор для нейтронов[Bearbeiten | Quelltext Bearbeiten]

Da die Absorbment von Neutronen durch Helium-3 stark spin-abhängigist, kann das zuvor erwähnte hyperpolarisierte Helium-3 verwendet werden, um spinpolarisierte thermische Neutronenenstrahlung zu erzeugen. Die Neutronen mit dem für die Absorbment passenden Spin werden dabei vom Helium-3 abgefangen, die mit dem unpassenden Spin handlegen nicht. [25] [26] [27] [28]

Medizin[Bearbeiten | Quelltext Bearbeiten]

Hyperpolarisiertes Helium-3 eignet sich sehr gut für MRT-Untersuchungen. Damit lässt sich beispielsweise das Ein- und Ausströmen von Gas in die Lunge beobachten. Normalerweise ist das – im Vergleich zum Körpergewebe tausendfach dünnere – Газ в MRT-Aufnahmen nicht zu sehen, aber durch die Hyperpolarization wird das Signal entsprechend verstärkt. Dadurch können die Luftwege im MRT dargestellt, nicht ventilierte Teile der Lunge gefunden oder der Sauerstoff-Partialdruck gemessen werden. Diese Methode kann für Diagnose und Behandlungssteuerung bei chronischen Krankheiten wie chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD) genutzt werden. [29]

Теоретический айнзатц в термоядерных реакторах[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Es wurde vorgeschlagen, 3 He als Treibstoff in einer hypothetischen zweiten oder dritten Generation von Fusionsreaktoren zu verwenden. Solche Fusionsreaktoren Hätten große Vorteile hinsichtlich der Verminderung von Radioaktivität. Ein weiterer Möglicher Vorteil wäre, dass die dietierten Protonen, die den Energiegewinn der Helium-3-Fusionsreaktion tragen, durch Elektrische und Magneticsche Felder eingefangen und ihre Energie direct in Strom gewandelt werden könnte. [30]

Гелий-3 ведет энергетическую реакцию с дейтерием или гелием – wenngleich technisch noch schwieriger zu realisieren – mit sich selbst (дейтерий/гелий-3 и гелий-3/гелий-3). Beide Reaktionen sind durch Beschleunigerexperimente gut bekannt. Die Realisierbarkeit als Energiequelle liegt aber mindestens noch sehr viele Jahrzehnte in der Zukunft. [31]

Die Helium-3-Mengen, die benötigt würden, um ископаемый Treibstoffe zu ersetzen, liegen mehr als vier Größenordnungen über der derzeitigen Weltproduktion. Die bei der 2 H- 3 He-Fusion freigesetzte Gesamtenergie beträgt 18,4 МэВ. Das entspricht 493 МВтч за моль (энцприхт 3 г) 3 He. Könnte man diese Energie vollständig in elektrischen Strom umwandeln, benötigt man für den derzeitigen Weltenergiebedarf an elektrischem Strom allein 145 t 3 He pro Jahr. Dem steht eine Produktion 8 kg pro Jahr gegenüber.

  • Д. М. Смит, Т. В. Гудвин, Дж. А. Шиллер: Проблемы мировых поставок гелия в следующем десятилетии . В: Материалы конференции AIP . Группа 710, №. 1, 2004 г., ISSN 0094-243X, S. 119–138, doi: 10.1063/1.1774674 (англ.).
  • L. J. Wittenberg: Non-Lunar 3 He Resources . июль 1994 г. (английский, wisc.edu [PDF; abgerufen am 1 июля 2008 г.]).
  • Харрисон Шмитт: Возвращение на Луну . Springer Science & Business Media, 2007 г., ISBN 978-0-387-31064-0 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).
  • Нобелевская премия по физике 2003 г., презентация
  • Луна для продажи: документальный фильм BBC Horizon о возможности лунной добычи гелия-3
  1. ↑ A B C D DateNblatt Helium- 3 HE, 99,999 ATM%, 99,99%, 3 HE, 99,999 ATM%, 99,95%, 3 , 99,999 ATM%, 99,95%, 3 HE, 99,999 ATM%, 99,99%. (CP) bei Sigma-Aldrich, abgerufen am 22 марта 2014 г. (PDF).
  2. ↑ Юнхуа Хуан, Г.Б. Чен, В. Арп, Рэй Радебо: Уравнение состояния и теплофизические свойства гелия-3. В: Труды ICEC. Band CR06-379, 2007, с. 1–6 (PDF; 5 МБ).
  3. ↑ данные о нуклидах с atom.kaeri.re.kr (Memento vom 7. Juli 2013 im Webarchiv archive.today )
  4. ↑ M. L. E. Oliphant, Harteck, P.; Резерфорд, Э.: Эффекты трансмутации, наблюдаемые с тяжелым водородом . В: Proceedings of the Royal Society A . 144. Джарганг, №. 853, 1934, S. 692–703, doi:10.1098/rspa.1934.0077, bibcode:1934RSPSA.144..692O (англ.).
  5. ↑ Лоуренс и его лаборатория: Эпизод: Продуктивная ошибка (englisch) Публикация в журнале. 1981. Archiviert vom Original, 10 мая 2017 г. Abgerufen, 1 сентября 2009 г.
  6. ↑ Слюта Е.Н., Абдрахимов А.М., Галимов Е.М.: Оценка вероятных запасов гелия-3 в лунном реголите . 38-я Лунная и планетарная научная конференция. 16. März 2007, S. 2175 (английский, онлайн [PDF; 730 kB; abgerufen am 18. Oktober 2022]).
  7. ↑ Ф. Х. Петухи: 3 He на постоянно затененных лунных полярных поверхностях . В: Икар . 206. Джарганг, №. 2, 2010, S. 778–779, doi:10.1016/j.icarus.2009.12.032, bibcode:2010Icar..206..778C (англ.).
  8. ↑ Fa WenZhe & Jin YaQiu: Глобальный запас гелия-3 в лунных реголитах, оцененный многоканальным микроволновым радиометром на лунном спутнике Chang-E 1 , декабрь 2010 г.
  9. ↑ Х. Б. Ниманн, С. К. Атрея, Г. Р. Кариньян, Т. М. Донахью, Дж. А. Хаберман, Д. Н. Харпольд, Р. Э. Хартл, Д. М. Хантен, В. Т. Каспрзак, П. Р. Махаффи, Т. К. Оуэн, Н. В. Спенсер, С. Х. Уэй: Масс-спектрометр зонда «Галилео»: состав атмосферы Юпитера. В: Наука. Band 272, номер 5263, май 1996 г., ISSN 0036-8075, S. 846–849, doi: 10.1126/science.272.5263. 846, PMID 8629016.
  10. ↑ Marcus Wöstheinrich: Emission von Ternären teilchen aus den Reaktionen 229 TH (N TH , F), 233 U (N TH , F) UND 239 6 (N TH , F) UND 239 6 (N TH , F) UND 239 6 (N TH , F) UND 239 6 (N TH , F) UND 239 6. ) . Тюбинген, 1999 г., DNB 963242830, S. 9, urn:nbn:de:bsz:21-opus-349(Диссертация, Тюбингенский университет).
  11. ↑ О. Серо, К. Вагеманс, Дж. Хейс: Новые результаты по производству газообразного гелия и трития в результате тройного деления. In: Международная конференция по ядерным данным для науки и техники. Материалы конференции AIP. 2005, 769, с. 857–860, doi:10.1063/1.1945141.
  12. ↑ А. Файдж: Тритий . Bericht KfK-5055, Kernforschungszentrum Karlsruhe, 1992. ISSN 0303-4003.
  13. ↑ Whitlock, Jeremy: Раздел D: Безопасность и ответственность — Как Ontario Power Generation управляет производством трития в своих модераторах CANDU? Canadian Nuclear FAQ, абгеруфен, 19 сентября 2010 г. (на английском языке).
  14. ↑ Тритий и окружающая среда, абгеруфен, 10 утра. Октябрь 2014 г.
  15. ↑ Хишам Зерриффи: Тритий: экологические, медицинские, бюджетные и стратегические последствия решения Министерства энергетики производить тритий . Hrsg.: Институт энергетических и экологических исследований. Январь 1996 г. (ieer.org [PDF]).
  16. ↑ a b Дана А. Ши, Дэниел Морган: Нехватка гелия-3: предложение, спрос и варианты для Конгресса . Исследовательская служба Конгресса, от 22 декабря 2010 г., до 11 марта 2017 г. (PDF).
  17. ↑ Проекты по физике Дефляция из-за нехватки гелия-3. Spectrum.ieee.org. Абгеруфен, 8 ноября 2011 г.
  18. ↑ Обзор технологий: Energie vom Mond vom 31 августа 2007 г., abgerufen am 15 июля 2015 г.
  19. ↑ Kohlrausch Praktische Physik, Tabellen und Diagramme zu Kapital 3, Seiten 342 und 343 (Memento vom 24. Oktober 2014 im Internet Archive )
  20. ↑ Резюме Teragon о криогенных свойствах Teragon Research, 2005.
  21. ↑ Д. Д. Ошерофф, Ричардсон, Р. К.; Lee, DM: Доказательства новой фазы твердого He 3 . В: Physical Review Letters . 28. Джарганг, №. 14, 1972, S. 885–888, doi:10.1103/PhysRevLett.28.885, bibcode:1972PhRvL..28..885O (англ.).
  22. ↑ Д. Д. Ошерофф, Галли, В. Дж.; Ричардсон, RC; Lee, DM: Новые магнитные явления в жидком He 3 ниже 3 мК . В: Physical Review Letters . 29. Джарганг, №. 14, 1972, S. 920–923, doi:10.1103/PhysRevLett.29.920, bibcode:1972PhRvL..29..920O (англ.).
  23. ↑ AJ Leggett: Интерпретация недавних результатов по He 3 ниже 3 мК: новая жидкая фаза? В: Physical Review Letters . 29. Джарганг, №. 18, 1972, S. 1227–1230, doi:10.1103/PhysRevLett.29.1227, bibcode:1972PhRvL..29.1227L (англ.).
  24. ↑ Dilution Refrigeration (Memento vom 8. Februar 2010 im Internet Archive ). cern.ch
  25. ↑ NCNR Нейтронные спиновые фильтры . Ncnr.nist.gov (28 апреля 2004 г.). Абгеруфен, 8 ноября 2011 г.
  26. ↑ Спиновые фильтры ILL 3He. Ill.eu (22 октября 2010 г.). Абгеруфен, 8 ноября 2011 г.
  27. ↑ Т. Р. Джентиле, Г. Л. Джонс, А. К. Томпсон, Дж. Баркер, К. Дж. Глинка, Б. Хаммуда, Дж. В. Линн: Поляризационно-аналитический анализ МУРН с ядерным спин-поляризованным 3Не . В: J. Appl. Кристалл. 33. Jahrgang, 2000, S. 771–774, doi:10.1107/S0021889800099817 (englisch, nist.gov [PDF]).
  28. ↑ Нейтронные спиновые фильтры: поляризованный 3He. NIST.gov
  29. ↑ Т. А. Альтес, М. Салерно: МРТ легких с гиперполяризованным газом . В: Журнал торакальной визуализации . Группа 19, №. 4, 2004, с. 250–258, ПМИД 15502612.
  30. ↑ John Santarius: Lunar 3 He and Fusion Power (английский, PDF) 28 сентября 2004 г. Archiviert vom Original am 3 июля 2007 г. Abgerufen am 9 июня 2014 г.
  31. ↑ Марк Уильямс: Добыча полезных ископаемых на Луне: лабораторные эксперименты предполагают, что будущие термоядерные реакторы могут использовать гелий-3, собранный с Луны . В: MIT Technology Review . 23 августа 2007 г. (на английском языке, technologyreview.com [абгеруфен, 9 июня 2014 г.]).

Normdaten (Sachbegriff): GND: 4159517-8 (OGND, AKS)

Гелий-3 — Википедия

Этот артикул содержит изотоп гелия. Для гелия 3 (этикетка)

Гелий-3 из 3 He является стабильным изотопом гелия, а также газом. Гелий-3 komt, naast гелий-4, in de natuur voor. Изобилие это echter zeer laag: ongeveer 0,000 137% van alle heliumatomen is heliium-3 en daardoor is helium-3 erg kostbaar. Het wordt gebruikt bij onderzoek naar kernfusie.

Инхуд

  • 1 Гешиденис
  • 2 Вооркомен
  • 3 Форминг
  • 4 Детектор нейтронен

Het betaan van helium-3 verd voor heerst voorgesteld in 1934 by Australische Kernfysicus Mark Oliphant, gebaseerd open Experiment in het Cavendish-laboratorium (Кембриджский университет). Этот эксперимент, waarbij deuteriumkernen met hoge snelheid op elkaar werden afgeschoten, был первой демонстрацией kernfusie. [1]

Oorspronkelijk werd gepostuleerd dat гелий-3 радиоактивная активность zou zijn. В 1939 году он открыл новый циклотронный эксперимент, а затем провел эксперимент с природным монстром, использующим гелий (который лучше всего использовал гелий-4). [2] Ondanks het feit dat de изобилие ongeveer 10.000 keer kleiner is dan die van helium-4, kon het daadwerkelijk worden aangetoond. Dit impliceerde DAT het een stabiel isotoop zou moeten zijn.

Гелий-3, полученный из первичных нуклидов, от которых зависит масса атомной энергии через аардатмосфеер, расположенный рядом с землей. Op Aarde wordt het voornamelijk in de aardmantel teruggevonden, в концентрациях от 200 до 300 частей на миллион (десять процентов гелия-4). В аардкорсте есть концентрация аанциенлийк клейнер: от 1 до 15 частей на миллион.
Er is echter meer aanwezig op de maan, aangevoerd door miljarden jaren zonnewind en ingesloten in de bovenste laag regoliet.