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l este artículo está sobre el isótopo elemental. A título de indicación etiquetar el helio 3, ven la musa .
El Helium-3 (He-3) es una luz, un isótopo radiactivo non- del helio con dos protones y un neutrón, que es raro en la tierra ; es solicitado para el uso en la investigación de la fusión nuclear . Un helium-3 más abundante se piensa para existir en la luna (encajado en la capa superior del regolito por el viento solar sobre mil millones de años) y gigantes de gas de s de la Sistema Solar solar el original los ' (se fue encima de la nebulosa ), aunque aún en cantidades bajas (28 el PPM del regolito lunar es helium-4 y 0. Se propone para ser utilizado como fuente de segunda generación de la energía de fusión.
El helion, el núcleo de un átomo helium-3, consiste en dos protones pero solamente un neutrón, en contraste con dos neutrones en helio ordinario. Su existencia primero fue propuesta en 1934 por la marca nuclear australiana Oliphant del físico mientras que estaba basada en laboratorio de Cavendish de s de la Universidad de Cambridge el ', en un experimento en el cual los deuterones rápidos que fueron reaccionados con el otro deuterón apuntan (la primera demostración de la fusión nuclear). Helium-3, como isótopo, fue postulado para ser radiactivo, hasta que los helions de él fueran identificados accidentalmente como " del rastro; contaminant" en una muestra de helio natural (que es sobre todo helium-4) de un gas bien, por el Luis W. Alvarez y el Roberto Cornog en un experimento del ciclotrón en el laboratorio nacional de Lorenzo Berkeley, en 1939.
Características físicas
La masa atómica de Helium-3 de 3.016, siendo perceptiblemente más baja que Helium-4 4.0026, lo hace tener características perceptiblemente diversas. Las ebulliciones Helium-3 en 3.19 el Kelvins comparado a helium-4 4.23 K, y su punto crítico es también más bajos en 3.35 K, comparados a helium-4 5. Tiene menos que mitad de la densidad cuando líquido en su punto de ebullición: 0.059 g/ml compararon a helium-4 0.12473 g/ml en una atmósfera. Su calor de la vaporización latente es también considerablemente más bajo en 0.026 kJ/mol comparados a helium-4 0.
Reacciones de fusión
Detección del neutrón
El Helium-3 es un isótopo más importante de la instrumentación para la detección del neutrón. Tiene una alta sección representativa de absorción para las vigas termales del neutrón y se utiliza como gas del convertidor en detectores de neutrón. El neutrón se convierte a través del de la reacción nuclear n + → de 3He 3H + 1H + 0.764 MeV en el tritio (T de las partículas cargadas, 3H) y protón (p, 1H) que entonces son detectados creando una nube de la carga en el gas de detención de un contador proporcional o de un tubo de Geiger-Müller.
Además, el proceso de la absorción es fuerte el dependiente de la vuelta, que permite que un volumen hacer girar-polarizado helium-3 transmita los neutrones con un componente de la vuelta mientras que absorbe el otro. Este efecto se emplea en el análisis, una técnica de la polarización del neutrón que sonde para las características magnéticas de la materia.
Criogénica
Un refrigerador Helium-3 utiliza helium-3 para alcanzar temperaturas de 0. Un refrigerador de la dilusión utiliza una mezcla de helium-3 y de helium-4 para alcanzar las temperaturas criogénicas tan bajas como algunos milésimos de un Kelvin .Una característica importante de helium-3, que la distingue del helium-4 más común, es que su núcleo es un fermio puesto que contiene un número impar de las partículas de la vuelta el 1/2. Los núcleos Helium-4 son los bosones que contienen un número par de las partículas de la vuelta el 1/2. Éste es un resultado directo de las reglas de la adición para el ímpetu angular quantized. En las bajas temperaturas (cerca de 2.17 K), helium-4 experimenta una transición de fase : una fracción de ella incorpora una fase superfluida que se pueda entender áspero como tipo de Bose Einstein condensado. Tal mecanismo no está disponible para los átomos helium-3, que son fermios. Sin embargo, fue especulado extensamente que helium-3 podría también convertirse en un superfluido en temperaturas mucho más bajas, si los átomos formaron para arriba en los pares del análogos a los pares del fabricante de vinos en la teoría BCS de la superconductividad . Cada par del fabricante de vinos, teniendo vuelta del número entero, se puede pensar en como bosón. Durante los años 70, el David Morris Lee, el Douglas Osheroff, y el Roberto Coleman Richardson descubrieron transiciones bifásicas a lo largo de la curva de fusión, que pronto fue observada para ser las dos fases superfluidas de helium-3. La transición a un superfluido ocurre en 2.491 milli-Kelvin en la curva de fusión. Fueron concedidos el Premio Nobel Del 1996 en la física para su descubrimiento. El Tony Leggett ganó el Premio Nobel 2003 En la física para su trabajo sobre refinar nuestra comprensión de la fase superfluida de helium-3.
En el campo magnético cero, hay dos fases superfluidas distintas de 3He, de la Uno-fase y de la B-fase. La B-fase es la baja temperatura, la fase de la presión baja que tiene un boquete de energía isotrópico. La Uno-fase es la temperatura más alta, una fase más alta de la presión que sea estabilizada más a fondo por un campo magnético y tenga dos nodos del punto en su boquete. La presencia de dos fases es una indicación clara que 3He es un superfluido poco convencional (superconductor), desde la presencia de dos fases requiere una simetría adicional, con excepción de simetría del calibrador, para estar rota. De hecho, es un p - agitar superfluido, con la vuelta una, el S =1, y el ímpetu angular uno, L =1. El estado de tierra corresponde al ímpetu angular total cero, J = el S + el L =0 (adición de vector). Los estados emocionados son posibles con el ímpetu angular total diferente a cero, J >0, que son modos colectivos de los pares emocionados. Debido a la pureza extrema de 3He superfluido (puesto que han solidificado todos los materiales excepto 4He y hundido a la parte inferior del líquido 3He y cualquier 4He hace la fase separar enteramente, éste es el estado condensado más puro de la materia), estos modos colectivos se han estudiado con la precisión mucho mayor que en cualquier otro sistema de apareamiento poco convencional.
Fabricación
Debido a la rareza de helium-3 en la tierra, es típicamente manufacturado en vez de recuperado de depósitos naturales. Helium-3 es un subproducto del decaimiento del tritio, y el tritio se puede producir con el bombardeo del neutrón del litio, del boro, o de las blancos del nitrógeno . Las fuentes actuales de helium-3 vienen, en parte, de desmontar de las armas nucleares donde acumula; aproximadamente 150 kilogramos de él han resultado del decaimiento de la producción del tritio de los E. desde 1955, más cuyo estaba para las cabezas. Sin embargo, la producción y el almacenaje de las enormes cantidades del tritio del gas es probablemente poco económicos, pues áspero dieciocho toneladas de acción del tritio se requieren para cada tonelada de helium-3 producido anualmente por el decaimiento (el dN/dt de la tarifa de producción del número de topos o de la otra masa de unidad del N del tritio es el N γ = el N * ' donde está cerca de 18 años el valor del del ½ /(ln2) del t de ; ver el decaimiento radiactivo ). Si los reactores de fusión comerciales fueran utilizar helium-3 como combustible, requerirían diez de toneladas de helium-3 cada año producir una fracción de la energía de mundo. El tritio Breeding con lithium-6 consume el neutrón, mientras que la crianza con lithium-7 produce un neutrón de la energía baja como reemplazo para el neutrón rápido consumido. Observar que cualquier cría del tritio en la tierra requiere el uso de un alto flujo de neutrón, que los autores de los reactores nucleares helium-3 esperan evitar.
Proyección de imagen médica del pulmón
El helio 3 de mayo polarizado se produzca directo con los lasers de la energía apropiada, y con una capa delgada del metal protector del Cs en el interior de cilindros, el gas magnetizado se puede almacenar en las presiones de 10 atmósferas por hasta 100 horas. Cuando están inhaladas, las mezclas que contienen el gas pueden ser reflejadas con MRI-como el explorador que produce la respiración por imágenes de la respiración de la ventilación del pulmón, en tiempo real. Los usos de esta técnica experimental apenas están comenzando a ser explorados.
Ocurrencia terrestre
considera también:
la geoquímica del isótopo
3He es una sustancia primordial en la capa de la tierra, considerada haberse encerrado dentro de la tierra durante la formación planetaria. El cociente de 3He a 4He dentro de la corteza y de la capa de tierra es menos que eso para las asunciones de la composición solar del disco según lo obtenido del meteorito y de muestras lunares, con los materiales terrestres conteniendo generalmente cocientes más bajos de 3He/4He debido al ingrowth de 4He del decaimiento radiactivo.
3He está presente dentro de la capa, en el cociente de 200-300 porciones de 3He a millón de porciones de 4He. Los cocientes de 3He/4He superior a atmosférico son indicativos de una contribución de 3He de la capa. Las fuentes corticales son dominadas por el 4He que es producido por el decaimiento de elementos radiactivos en la corteza y la capa.
3He está también presente en la atmósfera de tierra . La abundancia natural de 3He en gas natural del helio es 1. La presión parcial del helio en la atmósfera de tierra es cerca de 4 millitorr, y así 5.2 porciones por millón de helio. Se ha probado que la atmósfera de tierra contiene aproximadamente 4000 toneladas de 3He.
3He se produce en la tierra a partir de tres fuentes: desconchado del litio, rayos cósmicos, y decaimiento del tritio (3H). La contribución de rayos cósmicos es insignificante dentro de todos a menos que los más viejos materiales del regolito, y las reacciones del desconchado del litio sean un poco contribuidor que la producción de 4He al lado de las emisiones de la partícula alfa .
La cantidad total de helium-3 en la capa puede estar en la gama de 100 miles a las toneladas de millón de sin embargo, este helio de la capa no es directo accesible. Algo de él se escapa para arriba a través de los volcanes profundo-originarios de los apuroses tales como los de las islas hawaianas, pero solamente 300 gramos por año se emiten a la atmósfera. Los cantos de alta mar emiten otro 3 kilogramos por año. Alrededor producto helium-3 de las fuentes de las zonas de la subducción del vario en los depósitos del gas natural que contienen posiblemente mil toneladas de helium-3 (aunque puede haber 25 mil toneladas si todas las zonas antiguas de la subducción tienen tales depósitos). Las fuentes corticales del gas natural pueden tener solamente mitad del total de la tonelada. Puede haber otras cuatro mil toneladas en partículas del polvo interplanetario en los suelos marinos. La extracción de helium-3 de estas fuentes consume más energía que la fusión lanzaría. La extracción de la fuente más eficiente, gas natural, consume diez veces la energía disponible de reacciones de fusión. Un número de gente, comenzando con el Gerald Kulcinski en 1986, ha propuesto al explora la luna, regolito lunar y usar de la mina el helium-3 para la fusión . Debido a las concentraciones bajas de helium-3, cualquier equipo minero necesitaría procesar granes cantidades de regolito, y algunas ofertas han sugerido que la extracción helium-3 esté llevada a cuestas sobre una operación más grande de la explotación minera y de desarrollo.
El Cosmochemist y el Ouyang Ziyuan de Geochemist de la Academia de Ciencias china que ahora está a cargo del programa de exploración lunar chino ha indicado ya en muchas ocasiones que uno de los objetivos principales del programa sería la explotación minera de helium-3, de donde " cada año tres misión en la que participa un trasbordador del espacio podían traer bastante combustible para todos los seres humanos a través del world."
En enero de 2006 el ruso RKK Energiya de la compañía del espacio anunció que considera helium-3 lunar un recurso económico potencial ser minado antes de 2020, si la financiación puede ser encontrada.
Los gigantes de gas de la explotación minera para Helium-3 también se han propuesto. El diseño interestelar hipotético de la punta de prueba de Daedalus del proyecto de s de la sociedad interplanetaria británica 'fue aprovisionado de combustible por las minas Helium-3 en el Júpiter del planeta, por ejemplo. La alta gravedad de Júpiter hace esto una operación menos enérgio favorable que extrayendo Helium-3 de los otros gigantes de gas de la Sistema Solar, sin embargo.
Producción de energía
Un acercamiento de segunda generación a la energía controlada de la fusión implica el combinar de helium-3 ( 32He ) y del deuterio ( 21H ). Esta reacción produce un ion Helium-4 ( 42He ) y un protón de gran energía (positivamente - ion hidrogenado cargado) (11p) y (la partícula alfa ). La ventaja potencial más importante de esta reacción de fusión para la producción de energía así como otros usos miente en su compatibilidad con el uso de los campos electrostáticos de controlar los iones del combustible y los protones de la fusión. Protones, como positivamente - las partículas cargadas, se pueden convertir directo en la electricidad, con el uso de los materiales de estado sólido de la conversión así como otras técnicas. Las eficacias de conversión potenciales del 70 por ciento pueden ser posibles, pues no hay necesidad de convertir energía del protón al calor para conducir la turbina - generadores accionados
Ha habido muchas demandas sobre las capacidades de las centrales eléctricas Helium-3. Según autores, las plantas de la energía de fusión que funcionan en el deuterio y helium-3 ofrecerían gastos de explotación más bajos del capital y que sus competidores debido a menos complejidad técnica, eficacia de conversión más alta, tamaño más pequeño, la ausencia de combustible radiactivo, ninguna contaminación del aire o del agua, y solamente los requisitos radiactivos de la disposición inútil bajo . Las estimaciones recientes sugieren que cerca de $6 mil millones en el capital de la inversión sean requeridos para desarrollar y para construir la primera central eléctrica de la fusión helium-3 . La rentabilidad financiera en los precios al por mayor de hoy de la electricidad (5 centavos por el kilovatio-hora ) ocurriría después de cinco 1000 - las plantas de los megavatios estaban en la línea, substituyendo las plantas convencionales viejas o cubriendo nueva demanda.
La realidad no es tan clean-cut. Los programas de fusión más avanzados del mundo son la fusión de inercia del confinamiento (tal como facilidad nacional de la ignición) y la fusión magnética del confinamiento (tal como ITER y otros tokamaks . En el caso del anterior, no hay mapa itinerario sólido a la producción de energía. En el caso de la producción de energía 3ultima, comercial no se espera hasta alrededor 2050 . De ambos casos, el tipo de fusión discutido es el más simple: Fusión de despegue. La razón de esto es la barrera muy baja del culombio para esta reacción; para D+He3, la barrera sigue siendo mucho más alta, y He3-He3 más arriba. El coste inmenso de reactores como ITER y la facilidad nacional de la ignición son en gran parte debido a su tamaño inmenso, con todo escalar hasta temperaturas más altas del plasma todavía requeriría los reactores lejos más grandes.7 del MeV y la partícula alfa del MeV 3.6 de la fusión D-He3, más la eficacia de conversión más alta, significa que usted consigue más electricidad por kilogramo que usted hace con la fusión de despegue (MeV 17.6), pero no que mucho más. Como otra desventaja, los índices de reacción para las reacciones de fusión He3 no son particularmente altos, requiriendo un reactor que sea más grande-aún o más reactores producir la misma cantidad de electricidad.
Para intentar trabajar alrededor de este problema de las centrales eléctricas masivo grandes que pueden incluso no ser económicas con la fusión de despegue, aún menos la fusión lejos más desafiadora D-He3, un número de otros reactores se ha propuesto -- el Fusor, Polywell, fusión del foco, y mucho más. Éstos intentan generalmente alcanzar la fusión en el desequilibrio termal, algo que podría potencialmente probar imposible, y por lo tanto, estos programas del long-shot tienden a tener financiación que almacena del apuro a pesar de sus presupuestos bajos. Desemejante del " big", " hot" los sistemas de la fusión, sin embargo, si tales sistemas eran trabajar, podrían escalar al " más alto de la barrera; aneutronic " combustibles. Sin embargo, estos sistemas escalarían bien bastante que sus autores tienden a promover la fusión del Pb, que no requiere ninguÌn combustible exótico como He-3.
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