Hélio-3

Hélio-3 (³He veja também hélio) é um isótopo leve e estável de hélio com dois prótons e um nêutron. Além do prótio (hidrogênio comum), o hélio-3 é o único isótopo estável de qualquer elemento com mais prótons do que nêutrons. O hélio-3 foi descoberto em 1939.

O hélio-3 ocorre como um nuclídeo primordial, escapando da crosta terrestre para a atmosfera e para o espaço ao longo de milhões de anos. Acredita-se também que o hélio-3 seja um nuclídeo nucleogênico e cosmogênico natural, produzido quando o lítio é bombardeado por nêutrons naturais, que podem ser liberados por fissão espontânea e por reações nucleares com raios cósmicos. Parte do hélio-3 encontrado na atmosfera terrestre também é um artefato de testes de armas nucleares atmosféricas e subaquáticas.

Tem sido feita muita especulação sobre a possibilidade do hélio-3 ser uma futura fonte de energia. Ao contrário da maioria das reações de fusão nuclear, a fusão de átomos de hélio-3 libera grandes quantidades de energia sem fazer com que o material circundante se torne radioativo. No entanto, as temperaturas necessárias para atingir as reações de fusão do hélio-3 são muito mais altas do que nas reações de fusão tradicionais, e o processo pode inevitavelmente criar outras reações que, por si mesmas, fariam com que o material circundante se tornasse radioativo.

Pensa-se que a abundância de hélio-3 seja maior na Lua do que na Terra, tendo sido incorporada na camada superior do regolito pelo vento solar ao longo de bilhões de anos, embora ainda seja menor em abundância do que no Sistema Solar&# 39;s gigantes gasosos.

História

A existência do hélio-3 foi proposta pela primeira vez em 1934 pelo físico nuclear australiano Mark Oliphant enquanto trabalhava no Laboratório Cavendish da Universidade de Cambridge. Oliphant realizou experimentos nos quais dêuterons rápidos colidiram com alvos de deuteron (aliás, a primeira demonstração de fusão nuclear). O isolamento do hélio-3 foi realizado pela primeira vez por Luis Alvarez e Robert Cornog em 1939. Acreditava-se que o hélio-3 era um isótopo radioativo até que também foi encontrado em amostras de hélio natural, que é principalmente hélio-4, retirado tanto do atmosfera e de poços de gás natural.

Propriedades físicas

Devido à sua baixa massa atômica de 3,016 u, o hélio-3 tem algumas propriedades físicas diferentes das do hélio-4, com uma massa de 4,0026 u. Por causa da fraca interação dipolo-dipolo induzida entre os átomos de hélio, suas propriedades físicas microscópicas são determinadas principalmente por sua energia de ponto zero. Além disso, as propriedades microscópicas do hélio-3 fazem com que ele tenha uma energia de ponto zero mais alta do que o hélio-4. Isso implica que o hélio-3 pode superar as interações dipolo-dipolo com menos energia térmica do que o hélio-4.

Os efeitos da mecânica quântica no hélio-3 e no hélio-4 são significativamente diferentes porque com dois prótons, dois nêutrons e dois elétrons, o hélio-4 tem um spin total de zero, tornando-o um bóson, mas com um nêutron a menos, o hélio-3 tem um spin geral de metade, tornando-o um férmion.

O hélio-3 ferve a 3,19 K em comparação com o hélio-4 a 4,23 K, e seu ponto crítico também é menor a 3,35 K, em comparação com o hélio-4 a 5,2 K. O hélio-3 tem menos da metade da densidade do hélio -4 quando está no ponto de ebulição: 59 g/L em comparação com 125 g/L de hélio-4 à pressão de uma atmosfera. Seu calor latente de vaporização também é consideravelmente menor em 0,026 kJ/mol em comparação com os 0,0829 kJ/mol do hélio-4.

Abundância natural

Abundância terrestre

³Ele é uma substância primordial no manto da Terra, considerada como tendo ficado aprisionada dentro da Terra durante a formação planetária. A proporção de ³He para ⁴He dentro da crosta terrestre e do manto é menor do que para as suposições de composição do disco solar obtidas de meteoritos e amostras lunares, com materiais terrestres geralmente contendo proporções ³He/⁴He inferiores devido ao crescimento interno de ⁴He devido ao decaimento radioativo.

³Ele tem uma proporção cosmológica de 300 átomos por milhão de átomos de ⁴He (at. ppm), levando à suposição de que a proporção original desses gases primordiais no manto era de cerca de 200-300 ppm quando a Terra foi formada. Ao longo da história da Terra, o decaimento de partículas alfa de urânio, tório e outros isótopos radioativos gerou quantidades significativas de ⁴He, de modo que apenas cerca de 7% do hélio agora no manto é hélio primordial, diminuindo a proporção total de ³He/⁴He para cerca de 20 ppm. Proporções de ³He/⁴He em excesso de atmosférico são indicativas de uma contribuição de ³He do manto. As fontes da crosta são dominadas pelo 4He produzido pelo decaimento radioativo.

A proporção de hélio-3 para hélio-4 em fontes naturais ligadas à Terra varia muito. Amostras do minério de lítio espodumênio da Mina Edison, Dakota do Sul, continham 12 partes de hélio-3 a um milhão de partes de hélio-4. Amostras de outras minas mostraram 2 partes por milhão.

O hélio também está presente em até 7% de algumas fontes de gás natural, e grandes fontes têm mais de 0,5% (acima de 0,2% torna viável a extração). A fração de ³He no hélio separado do gás natural nos EUA variou de 70 a 242 partes por bilhão. Portanto, o estoque de 1 bilhão de m³ normal dos EUA em 2002 conteria cerca de 12 a 43 kg (26 a 95 lb) de hélio-3. De acordo com o físico americano Richard Garwin, cerca de 26 metros cúbicos (920 cu ft) ou quase 5 quilos (11 lb) de ³Ele está disponível anualmente para separação do fluxo de gás natural dos EUA. Se o processo de separação dos ³He pudesse empregar como matéria-prima o hélio liquefeito normalmente usado para transportar e armazenar quantidades a granel, as estimativas para o custo incremental de energia variam de US$ 34 a US$ 300 por litro (US$ 150 a US$ 1.360/ imp gal) NTP, excluindo o custo de infraestrutura e equipamentos. Supõe-se que a produção anual de gás da Argélia contenha 100 milhões de metros cúbicos normais e isso conteria entre 7 e 24 metros cúbicos (250 e 850 cu ft) de hélio-3 (cerca de 1 a 4 kg (2,2 a 8,8 lb)) assumindo uma fração ³He semelhante.

³Ele também está presente na atmosfera da Terra. A abundância natural de ³He no gás hélio natural é de 1,38×10 ^-6 (1,38 partes por milhão). A pressão parcial do hélio na atmosfera da Terra é de cerca de 0,52 pascal (7,5×10⁻⁵ psi), e, portanto, o hélio representa 5,2 partes por milhão da pressão total (101325 Pa) na atmosfera da Terra, e ³Ele representa 7,2 partes por trilhão da atmosfera. Como a atmosfera da Terra tem uma massa de cerca de 5,14×10¹⁸ quilogramas (1,133×10¹⁹ lb), a massa de ³He na atmosfera da Terra é o produto desses números, ou cerca de 37.000 toneladas (36.000 toneladas longas; 41.000 toneladas curtas) de ³He. (Na verdade, o valor efetivo é dez vezes menor, pois os ppm acima são ppmv e não ppmw. Deve-se multiplicar por 3 (a massa molecular do hélio-3) e dividir por 29 (a massa molecular média da atmosfera), resultando em 3.828 toneladas (3.768 toneladas longas; 4.220 toneladas curtas) de hélio-3 na atmosfera terrestre.)

³Ele é produzido na Terra a partir de três fontes: espalação do lítio, raios cósmicos e decaimento beta do trítio (³H). A contribuição dos raios cósmicos é insignificante em todos, exceto nos materiais de regolito mais antigos, e as reações de espalação de lítio são menos contribuintes do que a produção de ⁴He por emissões de partículas alfa.

A quantidade total de hélio-3 no manto pode estar na faixa de 0,1–1 megatonelada (98.000–984.000 toneladas longas; 110.000–1.100.000 toneladas curtas). No entanto, a maior parte do manto não é diretamente acessível. Algum hélio-3 vaza através de vulcões de fontes profundas, como os das ilhas havaianas, mas apenas 300 gramas (11 onças) por ano são emitidos para a atmosfera. As cordilheiras oceânicas emitem outros 3 quilos por ano (8,2 g/d). Em torno das zonas de subducção, várias fontes produzem hélio-3 em depósitos de gás natural que possivelmente contêm mil toneladas de hélio-3 (embora possa haver 25 mil toneladas se todas as antigas zonas de subducção tiverem tais depósitos). Wittenberg estimou que as fontes de gás natural da crosta dos Estados Unidos podem ter apenas meia tonelada no total. Wittenberg citou a estimativa de Anderson de outras 1.200 toneladas (1.200 toneladas longas; 1.300 toneladas curtas) em partículas de poeira interplanetária no fundo do oceano. No estudo de 1994, a extração de hélio-3 dessas fontes consome mais energia do que a fusão liberaria.

Superfície lunar

Veja mineração extraterrestre ou recursos lunares

Abundância (primordial) da nebulosa solar

Uma estimativa inicial da proporção primordial de ³He para ⁴He na nebulosa solar foi a medição de sua proporção na atmosfera de Júpiter, medida pelo espectrômetro de massa da sonda de entrada atmosférica Galileo. Essa proporção é de cerca de 1:10.000, ou 100 partes de ³He por milhão de partes de ⁴He. Esta é aproximadamente a mesma proporção de isótopos que no regolito lunar, que contém 28 ppm de hélio-4 e 2,8 ppb de hélio-3 (que está na extremidade inferior das medições de amostra reais, que variam de cerca de 1,4 a 15 ppb). No entanto, as proporções terrestres dos isótopos são menores por um fator de 100, principalmente devido ao enriquecimento dos estoques de hélio-4 no manto por bilhões de anos de decaimento alfa do urânio, tório, bem como seus produtos de decaimento e radionuclídeos extintos.

Produção humana

Decadência do trítio

Praticamente todo o hélio-3 usado na indústria hoje é produzido a partir do decaimento radioativo do trítio, dada a sua abundância natural muito baixa e seu custo muito alto.

A produção, vendas e distribuição de hélio-3 nos Estados Unidos são gerenciadas pelo Programa de Isótopos do Departamento de Energia dos EUA (DOE).

Embora o trítio tenha vários valores diferentes determinados experimentalmente de sua meia-vida, o NIST lista 4.500±8 d (12,32±0,02 anos). Ele decai em hélio-3 por decaimento beta como nesta equação nuclear:

3 1H. H. H.

→

3 2Ele.1+

+

E...

+

Processo

Entre a energia total liberada de 18,6 keV, a parte tomada pelos elétrons a energia cinética varia, com uma média de 5,7 keV, enquanto a energia restante é transportada pelo quase antineutrino eletrônico indetectável. As partículas beta do trítio podem penetrar apenas cerca de 6,0 milímetros (0,24 pol.) De ar e são incapazes de passar pela camada externa morta da pele humana. A energia extraordinariamente baixa liberada no decaimento beta do trítio torna o decaimento (junto com o do rênio-187) apropriado para medições absolutas de massa de neutrinos em laboratório (o experimento mais recente é o KATRIN).

A baixa energia da radiação de trítio dificulta a detecção de compostos marcados com trítio, exceto pelo uso de contagem de cintilação líquida.

O trítio é um isótopo radioativo do hidrogênio e é tipicamente produzido pelo bombardeamento de lítio-6 com nêutrons em um reator nuclear. O núcleo de lítio absorve um nêutron e se divide em hélio-4 e trítio. O trítio decai em hélio-3 com uma meia-vida de 12,3 anos, então o hélio-3 pode ser produzido simplesmente armazenando o trítio até que ele sofra decaimento radioativo. Como o trítio forma um composto estável com oxigênio (água tritiada), enquanto o hélio-3 não, o processo de armazenamento e coleta pode coletar continuamente o material que sai do material armazenado.

O trítio é um componente crítico das armas nucleares e, historicamente, foi produzido e armazenado principalmente para esta aplicação. A decomposição do trítio em hélio-3 reduz o poder explosivo da ogiva de fusão, portanto, periodicamente, o hélio-3 acumulado deve ser removido dos reservatórios da ogiva e do trítio armazenado. O hélio-3 removido durante esse processo é comercializado para outras aplicações.

Durante décadas, esta foi e continua sendo a principal fonte de hélio-3 do mundo. No entanto, desde a assinatura do Tratado START I em 1991, o número de ogivas nucleares mantidas prontas para uso diminuiu. Isso reduziu a quantidade de hélio-3 disponível a partir desta fonte. Os estoques de hélio-3 diminuíram ainda mais devido ao aumento da demanda, principalmente para uso em detectores de radiação de nêutrons e procedimentos de diagnóstico médico. A demanda industrial dos EUA por hélio-3 atingiu um pico de 70.000 litros (15.000 imp gal; 18.000 US gal) (aproximadamente 8 kg (18 lb)) por ano em 2008. Preço em leilão, historicamente cerca de US$ 100 por litro (US$ 450/imp gal), chegou a US$ 2.000 por litro (US$ 9.100/imp gal). Desde então, a demanda por hélio-3 caiu para cerca de 6.000 litros (1.300 imp gal; 1.600 US gal) por ano devido ao alto custo e aos esforços do DOE para reciclá-lo e encontrar substitutos. Assumindo uma densidade de 114 gramas por metro cúbico (0,192 lb/cu yd) a US$ 100/l de hélio-3, seria cerca de um trigésimo mais caro do que o trítio (aproximadamente US$ 880 por grama (US$ 25.000/oz) contra cerca de US$ 30.000 por grama (US$ 850.000/ oz)), enquanto a $ 2.000/l hélio-3 seria cerca de metade do preço do trítio ($ 17.540 por grama ($ 497.000/oz) contra $ 30.000 por grama ($ 850.000/oz)).

O DOE reconheceu a crescente escassez de trítio e hélio-3 e começou a produzir trítio por irradiação de lítio na Estação de Geração Nuclear Watts Bar da Autoridade do Vale do Tennessee em 2010. Nesse processo, hastes absorvedoras queimáveis produtoras de trítio (TPBARs) contendo lítio em forma de cerâmica são inseridos no reator no lugar das hastes normais de controle de boro. Periodicamente, os TPBARs são substituídos e o trítio extraído.

Atualmente, apenas dois reatores nucleares comerciais (Unidades 1 e 2 da Usina Nuclear Watts Bar) estão sendo usados para a produção de trítio, mas o processo poderia, se necessário, ser amplamente ampliado para atender a qualquer demanda concebível simplesmente utilizando mais da nação&# 39;s reatores de energia. Quantidades substanciais de trítio e hélio-3 também podem ser extraídas do moderador de água pesada em reatores nucleares CANDU. A Índia e o Canadá, os dois países com a maior frota de reatores de água pesada, são conhecidos por extrair trítio da água pesada do moderador/refrigerante, mas essas quantidades não são suficientes para satisfazer a demanda global de trítio ou hélio-3.

Como o trítio também é produzido inadvertidamente em vários processos em reatores de água leve (consulte o artigo sobre trítio para obter detalhes), a extração dessas fontes pode ser outra fonte de hélio-3. No entanto, se tomarmos como base a descarga anual de trítio (de acordo com os números de 2018) na instalação de reprocessamento de La Hague, as quantidades descarregadas (31,2 gramas (1,10 onças) em La Hague) não são suficientes para satisfazer a demanda, mesmo que 100% recuperação poderia ser alcançada.

Descarga anual de tritium de instalações nucleares

• v
• )
• e

Localização	Instalações nucleares	Mais perto águas	Líquido (TBq)	Vaporizador (TBq)	Total (TBq)	Total (mg)	ano
Reino Unido	Estação de energia nuclear de Heysham B	Mar da Irlanda	396	2.	398	1.115	2019
Reino Unido	Instalação de reprocessamento de Sellafield	Mar da Irlanda	423	56	479	1342	2019
Roménia	Unidade de Usinagem Nuclear 1	Mar Negro	140	152	292	872	2018
França	La Haia reprocessadora	Inglês Channel	11.400	60	11,460	32,100	2018
Coreia do Sul	Wolseong Nuclear Power Plant e outros	Mar do Japão	211	154	365	1,022	2020
Taiwan	Planta de energia nuclear de Maanshan	Estreito de Luzon	35	9.4	44	123	2015
China	Fuqing Nuclear Power Plant	Estreito de Taiwan	52	0	52	146	2020
China	Estação de Energia Nuclear Sanmen	China Oriental Mar	20.	0	20.	56	2020
Canadá	Bruce Nuclear Generating Station A, B	Grandes Lagos	756	994	1,750	4,901	2018
Canadá	Estação de Produção Nuclear de Darlington	Grandes Lagos	220 220	210	430	1.204	2018
Canadá	Unidades da estação de geradores nucleares 1-4	Grandes Lagos	140	300	440	1.232	2015
Estados Unidos	Unidades de Usina Diablo Canyon1, 2	Oceano Pacífico	82	2.7	84	235	2019

Usos

Eco de rotação de hélio-3

O hélio-3 pode ser usado para fazer experimentos de spin-eco de dinâmica de superfície, que estão atualmente em andamento no Grupo de Física de Superfície no Laboratório Cavendish em Cambridge e no Departamento de Química da Universidade de Swansea.

Detecção de nêutrons

O hélio-3 é um isótopo importante na instrumentação para detecção de nêutrons. Tem uma seção transversal de alta absorção para feixes de nêutrons térmicos e é usado como gás conversor em detectores de nêutrons. O nêutron é convertido através da reação nuclear

n + ³Ele → ³H + ¹H + 0.764 MeV

em partículas carregadas de íons de trítio (T, ³H) e íons de hidrogênio, ou prótons (p, ¹H) que então são detectados criando uma nuvem de carga em o gás de parada de um contador proporcional ou um tubo Geiger-Müller.

Além disso, o processo de absorção é fortemente dependente do spin, o que permite que um volume de hélio-3 polarizado por spin transmita nêutrons com um componente de spin enquanto absorve o outro. Este efeito é empregado na análise de polarização de nêutrons, uma técnica que investiga as propriedades magnéticas da matéria.

O Departamento de Segurança Interna dos Estados Unidos esperava implantar detectores para detectar plutônio contrabandeado em contêineres por suas emissões de nêutrons, mas a escassez mundial de hélio-3 após a redução na produção de armas nucleares desde a Guerra Fria tem, até certo ponto, impediu isso. A partir de 2012, o DHS determinou que o fornecimento comercial de boro-10 apoiaria a conversão de sua infraestrutura de detecção de nêutrons para essa tecnologia.

Criogenia

Diagrama de fase para Helium-3. Bcc - Lattice de cristal cúbico centrado no corpo.

Um refrigerador de hélio-3 usa hélio-3 para atingir temperaturas de 0,2 a 0,3 kelvin. Um refrigerador de diluição usa uma mistura de hélio-3 e hélio-4 para atingir temperaturas criogênicas tão baixas quanto alguns milésimos de kelvin.

Uma propriedade importante do hélio-3, que o distingue do hélio-4 mais comum, é que seu núcleo é um férmion, pois contém um número ímpar de spin 1⁄2 partículas. Núcleos de hélio-4 são bósons, contendo um número par de spin 1⁄2 partículas. Este é um resultado direto das regras de adição para o momento angular quantizado. Em baixas temperaturas (cerca de 2,17 K), o hélio-4 passa por uma transição de fase: uma fração dele entra em uma fase superfluida que pode ser mais ou menos entendida como um tipo de condensado de Bose-Einstein. Tal mecanismo não está disponível para átomos de hélio-3, que são férmions. No entanto, especulou-se amplamente que o hélio-3 também poderia se tornar um superfluido em temperaturas muito mais baixas, se os átomos se formassem em pares análogos aos pares de Cooper na teoria BCS da supercondutividade. Cada par de Cooper, tendo spin inteiro, pode ser pensado como um bóson. Durante a década de 1970, David Lee, Douglas Osheroff e Robert Coleman Richardson descobriram duas transições de fase ao longo da curva de fusão, que logo foram percebidas como sendo as duas fases superfluidas do hélio-3. A transição para um superfluido ocorre em 2,491 milikelvins na curva de fusão. Eles receberam o Prêmio Nobel de Física de 1996 por sua descoberta. Alexei Abrikosov, Vitaly Ginzburg e Tony Leggett ganharam o Prêmio Nobel de Física de 2003 por seu trabalho em refinar a compreensão da fase superfluida do hélio-3.

Em um campo magnético zero, existem duas fases superfluidas distintas de ³He, a fase A e a fase B. A fase B é a fase de baixa temperatura e baixa pressão que possui uma lacuna de energia isotrópica. A fase A é a temperatura mais alta, fase de pressão mais alta que é ainda mais estabilizada por um campo magnético e tem dois pontos nodos em sua lacuna. A presença de duas fases é uma indicação clara de que ³He é um superfluido (supercondutor) não convencional, pois a presença de duas fases requer uma simetria adicional, diferente da simetria de calibre, para ser quebrada. Na verdade, é um superfluido de onda p, com spin um, S=1, e momento angular um, L=1. O estado fundamental corresponde ao momento angular total zero, J=S+L=0 (soma vetorial). Estados excitados são possíveis com momento angular total diferente de zero, J>0, que são modos coletivos de pares excitados. Devido à extrema pureza do superfluido ³He (uma vez que todos os materiais, exceto ⁴Ele solidificou e afundado no fundo do líquido ³Ele e qualquer ⁴Ele tem fases totalmente separadas, este é o estado de matéria condensada mais puro), esses modos coletivos foram estudados com muito maior precisão do que em qualquer outro sistema de emparelhamento não convencional.

Imagiologia médica

Os núcleos de hélio-3 têm um spin nuclear intrínseco de 1⁄2, e uma relação magnetogírica relativamente alta. O hélio-3 pode ser hiperpolarizado usando meios de não equilíbrio, como bombeamento óptico de troca de spin. Durante esse processo, luz laser infravermelha polarizada circularmente, sintonizada no comprimento de onda apropriado, é usada para excitar elétrons em um metal alcalino, como césio ou rubídio, dentro de um recipiente de vidro selado. O momento angular é transferido dos elétrons do metal alcalino para os núcleos do gás nobre por meio de colisões. Em essência, esse processo alinha efetivamente os spins nucleares com o campo magnético para aumentar o sinal de NMR. O gás hiperpolarizado pode então ser armazenado a pressões de 10 atm, por até 100 horas. Após a inalação, as misturas de gases contendo o gás hélio-3 hiperpolarizado podem ser visualizadas com um scanner de ressonância magnética para produzir imagens anatômicas e funcionais da ventilação pulmonar. Essa técnica também é capaz de produzir imagens da árvore aérea, localizar defeitos não ventilados, medir a pressão parcial de oxigênio alveolar e medir a relação ventilação/perfusão. Esta técnica pode ser crítica para o diagnóstico e tratamento de doenças respiratórias crônicas, como doença pulmonar obstrutiva crônica (DPOC), enfisema, fibrose cística e asma.

Absorvedor de energia de rádio para experimentos de plasma tokamak

Tanto o tokamak Alcator C-Mod do MIT quanto o Joint European Torus (JET) experimentaram adicionar um pouco de He-3 a um plasma H-D para aumentar a absorção de energia de radiofrequência (RF) para aquecer o H & D íons, um "três-íon" efeito.

Combustível nuclear

³He pode ser produzido pela fusão de baixa temperatura de (D-p)²H + ¹p → ³Ele + y + 4,98 MeV. Se a temperatura de fusão estiver abaixo daquela para os núcleos de hélio se fundirem, a reação produz uma partícula alfa de alta energia que rapidamente adquire um elétron produzindo um íon de hélio leve estável que pode ser utilizado diretamente como fonte de eletricidade sem produzir nêutrons perigosos.

A taxa de reação de fusão aumenta rapidamente com a temperatura até maximizar e, em seguida, diminui gradualmente. A taxa DT atinge uma temperatura mais baixa (cerca de 70 keV, ou 800 milhões de kelvins) e a um valor mais elevado do que outras reações comumente consideradas para a energia de fusão.

³He pode ser usado em reações de fusão por qualquer uma das reações ²H + ³Ele → ⁴He + ¹p + 18,3 MeV, ou ³Ele + ³Ele → ⁴He + 2 ¹p + 12,86 MeV.

O processo convencional de fusão de deutério + trítio ("D-T") produz nêutrons energéticos que tornam os componentes do reator radioativos com produtos de ativação. O apelo da fusão do hélio-3 decorre da natureza aneutrônica de seus produtos de reação. O próprio hélio-3 não é radioativo. O único subproduto de alta energia, o próton, pode ser contido por meio de campos elétricos e magnéticos. A energia do momento deste próton (criado no processo de fusão) irá interagir com o campo eletromagnético que o contém, resultando na geração direta de eletricidade líquida.

Devido à barreira de Coulomb mais alta, as temperaturas necessárias para ²H + ³He são muito maiores do que as da fusão D-T convencional. Além disso, como ambos os reagentes precisam ser misturados para se fundirem, ocorrerão reações entre os núcleos do mesmo reagente, e a reação D-D (² H + ²H) produz um nêutron. As taxas de reação variam com a temperatura, mas a taxa de reação D-³He nunca é superior a 3,56 vezes a Taxa de reação D-D (ver gráfico). Portanto, a fusão usando combustível D-³He na temperatura certa e uma mistura de combustível D-pobre, pode produzir um fluxo de nêutrons muito menor do que a fusão D-T, mas não é limpo, negando parte de sua atração principal.

A segunda possibilidade, fundir ³He consigo mesmo (³He + ³He), requer temperaturas ainda mais altas (desde agora ambos os reagentes têm carga +2) e, portanto, é ainda mais difícil do que o D-³He reação. No entanto, oferece uma possível reação que não produz nêutrons; os prótons carregados produzidos podem ser contidos usando campos elétricos e magnéticos, o que, por sua vez, resulta na geração direta de eletricidade. ³Ele + ³Ele a fusão é viável conforme demonstrado em laboratório e tem imensas vantagens, mas a viabilidade comercial está muitos anos no futuro.

As quantidades de hélio-3 necessárias para substituir os combustíveis convencionais são substanciais em comparação com as quantidades atualmente disponíveis. A quantidade total de energia produzida no ²D + ^3He é de 18,4 MeV, o que corresponde a cerca de 493 megawatts-hora (4,93×10⁸ W·h) por três gramas (um mol) de ³Ele. Se a quantidade total de energia pudesse ser convertida em energia elétrica com 100% de eficiência (uma impossibilidade física), isso corresponderia a cerca de 30 minutos de produção de uma usina elétrica gigawatt por mol de ³Ele. Assim, a produção de um ano (6 gramas para cada hora de operação) exigiria 52,5 quilos de hélio-3. A quantidade de combustível necessária para aplicações em larga escala também pode ser colocada em termos de consumo total: o consumo de eletricidade por 107 milhões de residências nos EUA em 2001 totalizou 1.140 bilhões de kW·h (1,14 × 10¹⁵ W·h). Novamente assumindo 100% de eficiência de conversão, 6,7 toneladas por ano de hélio-3 seriam necessárias para esse segmento da demanda de energia dos Estados Unidos, 15 a 20 toneladas por ano, dada uma eficiência de conversão de ponta a ponta mais realista.

Uma abordagem de segunda geração para energia de fusão controlada envolve a combinação de hélio-3 e deutério, 2D. Esta reação produz um íon hélio-4 (⁴He) (como uma partícula alfa, mas de diferentes origem) e um próton de alta energia (íon de hidrogênio carregado positivamente). A vantagem potencial mais importante desta reação de fusão para a produção de energia, bem como outras aplicações reside na sua compatibilidade com o uso de campos eletrostáticos para controlar os íons de combustível e os prótons de fusão. Prótons de alta velocidade, como partículas carregadas positivamente, podem ter sua energia cinética convertida diretamente em eletricidade, por meio do uso de materiais de conversão de estado sólido, bem como outras técnicas. Eficiências de conversão potenciais de 70% podem ser possíveis, pois não há necessidade de converter energia de prótons em calor para acionar um gerador elétrico movido a turbina.

Houve muitas reivindicações sobre as capacidades das usinas de hélio-3. De acordo com os proponentes, as usinas de fusão operando com deutério e hélio-3 ofereceriam custos operacionais e de capital mais baixos do que seus concorrentes devido à menor complexidade técnica, maior eficiência de conversão, tamanho menor, ausência de combustível radioativo, poluição do ar ou da água e apenas requisitos de eliminação de resíduos radioativos de baixo nível. Estimativas recentes sugerem que cerca de US$ 6 bilhões em capital de investimento serão necessários para desenvolver e construir a primeira usina de fusão de hélio-3. O equilíbrio financeiro com os preços atuais de eletricidade no atacado (5 centavos de dólar por quilowatt-hora) ocorreria depois que cinco usinas de 1 gigawatt estivessem em funcionamento, substituindo antigas usinas convencionais ou atendendo a uma nova demanda.

A realidade não é tão clara. Os programas de fusão mais avançados do mundo são a fusão por confinamento inercial (como o National Ignition Facility) e a fusão por confinamento magnético (como o ITER e o Wendelstein 7-X). No caso do primeiro, não há um roteiro sólido para a geração de energia. No caso deste último, a geração comercial de energia não é esperada até por volta de 2050. Em ambos os casos, o tipo de fusão discutido é o mais simples: fusão D-T. A razão para isso é a barreira de Coulomb muito baixa para essa reação; para D+³He, a barreira é muito maior, e é ainda maior para ³He–³He. O imenso custo de reatores como o ITER e o National Ignition Facility são em grande parte devido ao seu imenso tamanho, mas para escalar para temperaturas de plasma mais altas exigiria reatores ainda maiores. O próton de 14,7 MeV e a partícula alfa de 3,6 MeV da fusão D–³He, além da maior eficiência de conversão, significa que mais eletricidade é obtida por quilograma do que com a fusão D-T (17,6 MeV), mas não tanto mais. Como desvantagem adicional, as taxas de reação para reações de fusão de hélio-3 não são particularmente altas, exigindo um reator ainda maior ou mais reatores para produzir a mesma quantidade de eletricidade.

Para tentar contornar esse problema de grandes usinas de energia que podem nem mesmo ser econômicas com a fusão D-T, muito menos a muito mais desafiadora fusão D-³He, vários outros reatores têm foi proposto - Fusor, Polywell, fusão Focus e muitos mais, embora muitos desses conceitos tenham problemas fundamentais para alcançar um ganho líquido de energia e geralmente tentem alcançar a fusão em desequilíbrio térmico, algo que poderia ser potencialmente impossível e, consequentemente, esses programas de longo alcance tendem a ter problemas para obter financiamento, apesar de seus baixos orçamentos. Ao contrário do "grande", "quente" sistemas de fusão, no entanto, se tais sistemas funcionassem, eles poderiam escalar para a barreira mais alta "aneutrônica" combustíveis e, portanto, seus proponentes tendem a promover a fusão p-B, que não requer combustíveis exóticos como o hélio-3.

Extraterrestre

Lua

Os materiais na superfície da Lua contêm hélio-3 em concentrações entre 1,4 e 15 ppb em áreas iluminadas pelo sol e podem conter concentrações de até 50 ppb em regiões permanentemente sombreadas. Várias pessoas, começando com Gerald Kulcinski em 1986, propuseram explorar a Lua, minerar regolito lunar e usar o hélio-3 para fusão. Devido às baixas concentrações de hélio-3, qualquer equipamento de mineração precisaria processar quantidades extremamente grandes de regolito (mais de 150 toneladas de regolito para obter um grama de hélio-3).

O objetivo principal da primeira sonda lunar da Organização de Pesquisa Espacial Indiana chamada Chandrayaan-1, lançada em 22 de outubro de 2008, foi relatado em algumas fontes como mapear a superfície da Lua em busca de hélio-3- contendo minerais. No entanto, tal objetivo não é mencionado na lista oficial de metas do projeto, embora muitas de suas cargas científicas tenham notado aplicações relacionadas ao hélio-3.

O cosmoquímico e geoquímico Ouyang Ziyuan, da Academia Chinesa de Ciências e agora responsável pelo Programa Chinês de Exploração Lunar, já afirmou em várias ocasiões que um dos principais objetivos do programa seria a mineração de hélio-3, de cuja operação "a cada ano, três missões de ônibus espaciais poderiam trazer combustível suficiente para todos os seres humanos em todo o mundo".

Em janeiro de 2006, a empresa espacial russa RKK Energiya anunciou que considera o hélio lunar-3 um potencial recurso econômico a ser extraído até 2020, se for possível encontrar financiamento.

Nem todos os escritores acham que a extração do hélio-3 lunar é viável, ou mesmo que haverá demanda por ele para fusão. Dwayne Day, escrevendo no The Space Review em 2015, caracteriza a extração de hélio-3 da lua para uso em fusão como um pensamento mágico sobre uma tecnologia não comprovada e questiona a viabilidade da extração lunar, em comparação com a produção na Terra.

Gigantes gasosos

A mineração de gigantes gasosos para hélio-3 também foi proposta. O hipotético projeto da sonda interestelar Projeto Daedalus da British Interplanetary Society foi alimentado por minas de hélio-3 na atmosfera de Júpiter, por exemplo.

Notas e referências