Helio-3

Helio-3 (³He véase también helio) es un isótopo ligero y estable de helio con dos protones y un neutrón (el isótopo más común, helio-4, que tiene dos protones y dos neutrones en contraste). Además del protio (hidrógeno ordinario), el helio-3 es el único isótopo estable de cualquier elemento con más protones que neutrones. El helio-3 fue descubierto en 1939.

El helio-3 se presenta como un nucleido primordial, escapando de la corteza terrestre a su atmósfera y al espacio exterior durante millones de años. También se cree que el helio-3 es un nucleido nucleógeno y cosmogénico natural, que se produce cuando el litio es bombardeado por neutrones naturales, que pueden liberarse por fisión espontánea y por reacciones nucleares con rayos cósmicos. Parte del helio-3 que se encuentra en la atmósfera terrestre también es un artefacto de las pruebas de armas nucleares atmosféricas y submarinas.

Se ha especulado mucho sobre la posibilidad del helio-3 como futura fuente de energía. A diferencia de la mayoría de las reacciones de fusión nuclear, la fusión de átomos de helio-3 libera grandes cantidades de energía sin que el material circundante se vuelva radiactivo. Sin embargo, las temperaturas requeridas para lograr reacciones de fusión con helio-3 son mucho más altas que en las reacciones de fusión tradicionales, y el proceso inevitablemente puede crear otras reacciones que por sí mismas harían que el material circundante se volviera radiactivo.

Se cree que la abundancia de helio-3 es mayor en la Luna que en la Tierra, ya que el viento solar lo incrustó en la capa superior de regolito durante miles de millones de años, aunque aún menos abundante que en el Sistema Solar. 39;s gigantes gaseosos.

Historia

La existencia del helio-3 fue propuesta por primera vez en 1934 por el físico nuclear australiano Mark Oliphant mientras trabajaba en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge. Oliphant había realizado experimentos en los que deuterones rápidos chocaban con objetivos de deuterones (por cierto, la primera demostración de fusión nuclear). El aislamiento de helio-3 fue realizado por primera vez por Luis Alvarez y Robert Cornog en 1939. Se pensaba que el helio-3 era un isótopo radiactivo hasta que también se encontró en muestras de helio natural, que en su mayoría es helio-4, tomadas tanto de la tierra atmósfera y de pozos de gas natural.

Propiedades físicas

Debido a su baja masa atómica de 3,016 u, el helio-3 tiene algunas propiedades físicas diferentes a las del helio-4, con una masa de 4,0026 u. Debido a la débil interacción dipolo-dipolo inducida entre los átomos de helio, sus propiedades físicas microscópicas están determinadas principalmente por su energía de punto cero. Además, las propiedades microscópicas del helio-3 hacen que tenga una energía de punto cero más alta que el helio-4. Esto implica que el helio-3 puede superar las interacciones dipolo-dipolo con menos energía térmica que el helio-4.

Los efectos de la mecánica cuántica sobre el helio-3 y el helio-4 son significativamente diferentes porque con dos protones, dos neutrones y dos electrones, el helio-4 tiene un giro total de cero, lo que lo convierte en un bosón, pero con un neutrón menos., el helio-3 tiene un giro total de la mitad, lo que lo convierte en un fermión.

El helio-3 hierve a 3,19 K en comparación con el helio-4 a 4,23 K, y su punto crítico también es más bajo a 3,35 K, en comparación con el helio-4 a 5,2 K. El helio-3 tiene menos de la mitad de la densidad del helio -4 cuando está en su punto de ebullición: 59 g/L frente a los 125 g/L del helio-4 a una atmósfera de presión. Su calor latente de vaporización también es considerablemente menor a 0,026 kJ/mol en comparación con los 0,0829 kJ/mol del helio-4.

Abundancia natural

Abundancia terrestre

³Es una sustancia primordial en el manto de la Tierra, que se considera que quedó atrapada dentro de la Tierra durante la formación planetaria. La proporción de ³He a ⁴He dentro de la corteza y el manto de la Tierra es menor que la de los supuestos de composición del disco solar obtenidos a partir de meteoritos y muestras lunares. con materiales terrestres que generalmente contienen proporciones más bajas de ³He/⁴He debido al crecimiento de ⁴He de la descomposición radiactiva.

³He tiene una proporción cosmológica de 300 átomos por millón de átomos de ⁴He (a. ppm), lo que lleva a suponer que la proporción original de estos gases primordiales en el manto era de alrededor de 200-300 ppm cuando se formó la Tierra. A lo largo de la historia de la Tierra, la descomposición de partículas alfa del uranio, el torio y otros isótopos radiactivos ha generado cantidades significativas de ⁴He, de modo que solo alrededor del 7 % del helio que ahora se encuentra en el manto es helio primordial., reduciendo la proporción total de ³He/⁴He a alrededor de 20 ppm. Las proporciones de ³He/⁴He en exceso de la atmosférica son indicativas de una contribución de ³He desde el manto. Las fuentes de la corteza están dominadas por el 4He producido por la desintegración radiactiva.

La proporción de helio-3 a helio-4 en las fuentes naturales terrestres varía mucho. Se encontró que las muestras del mineral de litio espodumeno de la mina Edison, Dakota del Sur, contenían 12 partes de helio-3 a un millón de partes de helio-4. Las muestras de otras minas mostraron 2 partes por millón.

El helio también está presente hasta en un 7 % de algunas fuentes de gas natural, y las fuentes grandes tienen más del 0,5 % (más del 0,2 % hace que sea viable extraerlo). Se encontró que la fracción de ³He en el helio separado del gas natural en los EE. UU. oscila entre 70 y 242 partes por billón. Por lo tanto, la reserva de EE. UU. de 2002 de mil millones de m³ normales habría contenido entre 12 y 43 kilogramos (26 a 95 lb) de helio-3. Según el físico estadounidense Richard Garwin, alrededor de 26 metros cúbicos (920 pies cúbicos) o casi 5 kilogramos (11 lb) de ³He están disponibles anualmente para la separación de la corriente de gas natural de EE. UU. Si el proceso de separación del ³He pudiera emplear como materia prima el helio licuado que normalmente se usa para transportar y almacenar cantidades a granel, las estimaciones del costo de energía incremental oscilan entre $34 y $300 por litro ($150 a $1360/ imp gal) NTP, excluyendo el costo de infraestructura y equipo. Se supone que la producción anual de gas de Argelia contiene 100 millones de metros cúbicos normales y esto contendría entre 7 y 24 metros cúbicos (250 y 850 pies cúbicos) de helio-3 (alrededor de 1 a 4 kilogramos (2,2 a 8,8 lb)) asumiendo una fracción similar de ³He.

³También está presente en la atmósfera terrestre. La abundancia natural de ³He en el gas helio natural es 1,38×10 ⁻⁶ (1,38 partes por millón). La presión parcial del helio en la atmósfera terrestre es de aproximadamente 0,52 pascales (7,5×10⁻⁵ psi), y por lo tanto, el helio representa 5,2 partes por millón de la presión total (101325 Pa) en la atmósfera de la Tierra, y ³Él representa 7,2 partes por billón de la atmósfera. Dado que la atmósfera de la Tierra tiene una masa de alrededor de 5,14×10¹⁸ kilogramos (1,133×10¹⁹ lb), la masa de ³He en la atmósfera terrestre es el producto de estos números, o unas 37.000 toneladas (36.000 toneladas largas; 41.000 toneladas cortas) de ³He. (De hecho, la cifra efectiva es diez veces menor, ya que las ppm anteriores son ppmv y no ppmw. Se debe multiplicar por 3 (la masa molecular del helio-3) y dividir por 29 (la masa molecular media de la atmósfera), resultando en 3.828 toneladas (3.768 toneladas largas; 4.220 toneladas cortas) de helio-3 en la atmósfera terrestre).

³Se produce en la Tierra a partir de tres fuentes: espalación de litio, rayos cósmicos y desintegración beta del tritio (³H). La contribución de los rayos cósmicos es insignificante en todos los materiales de regolito, excepto en los más antiguos, y las reacciones de espalación del litio contribuyen en menor medida que la producción de ⁴He mediante emisiones de partículas alfa.

La cantidad total de helio-3 en el manto puede oscilar entre 0,1 y 1 megatonelada (98 000–984 000 toneladas largas; 110 000–1 100 000 toneladas cortas). Sin embargo, la mayor parte del manto no es directamente accesible. Parte del helio-3 se filtra a través de volcanes de puntos calientes de origen profundo, como los de las islas hawaianas, pero solo se emiten a la atmósfera 300 gramos (11 oz) por año. Las dorsales oceánicas emiten otros 3 kilogramos por año (8,2 g/d). Alrededor de las zonas de subducción, varias fuentes producen helio-3 en depósitos de gas natural que posiblemente contienen mil toneladas de helio-3 (aunque puede haber 25 mil toneladas si todas las zonas de subducción antiguas tienen tales depósitos). Wittenberg estimó que las fuentes de gas natural de la corteza terrestre de los Estados Unidos pueden tener solo media tonelada en total. Wittenberg citó la estimación de Anderson de otras 1.200 toneladas (1.200 toneladas largas; 1.300 toneladas cortas) en partículas de polvo interplanetario en los fondos oceánicos. En el estudio de 1994, la extracción de helio-3 de estas fuentes consume más energía de la que liberaría la fusión.

Superficie lunar

Ver Minería extraterrestre o recursos lunares

Abundancia de nebulosa solar (primordial)

Una de las primeras estimaciones de la proporción primordial de ³He a ⁴He en la nebulosa solar ha sido la medición de su proporción en la atmósfera de Júpiter, medida por el espectrómetro de masas de la sonda de entrada atmosférica Galileo. Esta proporción es de aproximadamente 1:10 000, o 100 partes de ³He por millón de partes de ⁴He. Esta es aproximadamente la misma proporción de isótopos que en el regolito lunar, que contiene 28 ppm de helio-4 y 2,8 ppb de helio-3 (que se encuentra en el extremo inferior de las medidas reales de la muestra, que varían entre 1,4 y 15 ppb). Sin embargo, las proporciones terrestres de los isótopos son más bajas por un factor de 100, principalmente debido al enriquecimiento de las existencias de helio-4 en el manto por miles de millones de años de desintegración alfa del uranio, el torio y sus productos de desintegración y radionúclidos extintos.

Producción humana

Desintegración de tritio

Prácticamente todo el helio-3 que se usa en la industria hoy en día se produce a partir de la descomposición radiactiva del tritio, dada su muy baja abundancia natural y su costo muy alto.

La producción, las ventas y la distribución de helio-3 en los Estados Unidos están a cargo del Programa de Isótopos del Departamento de Energía (DOE) de los Estados Unidos.

Si bien el tritio tiene varios valores diferentes determinados experimentalmente de su vida media, el NIST enumera 4500±8 d (12.32±0.02 años). Se desintegra en helio-3 por desintegración beta como en esta ecuación nuclear:

3 1H

→

3 2Él1+

+

e)

+

.

Entre la energía total liberada de 18,6 keV, la parte que ocupan los electrones la energía cinética varía, con un promedio de 5,7 keV, mientras que la energía restante se la llevan los casi antineutrino electrónico indetectable. Las partículas beta del tritio pueden penetrar solo unos 6,0 milímetros (0,24 pulgadas) de aire y son incapaces de atravesar la capa muerta más externa de la piel humana. La energía inusualmente baja liberada en la desintegración beta del tritio hace que la desintegración (junto con la del renio-187) sea apropiada para mediciones de masa absoluta de neutrinos en el laboratorio (el experimento más reciente es KATRIN).

La baja energía de la radiación del tritio dificulta la detección de compuestos marcados con tritio, excepto mediante el recuento de centelleo líquido.

El tritio es un isótopo radiactivo del hidrógeno y normalmente se produce al bombardear litio-6 con neutrones en un reactor nuclear. El núcleo de litio absorbe un neutrón y se divide en helio-4 y tritio. El tritio se descompone en helio-3 con una vida media de 12,3 años, por lo que el helio-3 se puede producido simplemente almacenando el tritio hasta que se desintegra radiactivamente. Como el tritio forma un compuesto estable con el oxígeno (agua tritiada) mientras que el helio-3 no lo hace, el proceso de almacenamiento y recolección podría recolectar continuamente el material que se desgasifica del material almacenado.

El tritio es un componente fundamental de las armas nucleares e históricamente se producía y almacenaba principalmente para esta aplicación. La descomposición del tritio en helio-3 reduce el poder explosivo de la ojiva de fusión, por lo que periódicamente el helio-3 acumulado debe retirarse de los depósitos de la ojiva y el tritio almacenado. El helio-3 eliminado durante este proceso se comercializa para otras aplicaciones.

Durante décadas, esta ha sido y sigue siendo la principal fuente de helio-3 del mundo. Sin embargo, desde la firma del Tratado START I en 1991 ha disminuido el número de ojivas nucleares que se mantienen listas para su uso. Esto ha reducido la cantidad de helio-3 disponible de esta fuente. Las reservas de helio-3 se han reducido aún más debido al aumento de la demanda, principalmente para su uso en detectores de radiación de neutrones y procedimientos de diagnóstico médico. La demanda industrial estadounidense de helio-3 alcanzó un pico de 70 000 litros (15 000 gal imp; 18 000 gal EE.UU.) (aproximadamente 8 kilogramos (18 lb)) por año en 2008. Precio en subasta, históricamente alrededor de $100 por litro ($450/imp gal), alcanzó un máximo de $2000 por litro ($9100/imp gal). Desde entonces, la demanda de helio-3 ha disminuido a alrededor de 6000 litros (1300 gal imp; 1600 gal EE.UU.) por año debido al alto costo y los esfuerzos del DOE para reciclarlo y encontrar sustitutos. Suponiendo una densidad de 114 gramos por metro cúbico (0,192 lb/cu yd) a 100 $/l de helio-3 sería aproximadamente una trigésima parte del precio del tritio (aproximadamente $880 por gramo ($25 000/oz) frente a aproximadamente $30 000 por gramo ($850 000 /oz)), mientras que a 2000$/l, el helio-3 sería aproximadamente la mitad de caro que el tritio ($17 540 por gramo ($497 000/oz) frente a $30 000 por gramo ($850 000/oz)).

El DOE reconoció la creciente escasez tanto de tritio como de helio-3, y comenzó a producir tritio mediante la irradiación de litio en la estación de generación nuclear Watts Bar de la Autoridad del Valle de Tennessee en 2010. En este proceso, se producen varillas absorbentes consumibles que producen tritio (TPBAR) que contienen litio en forma cerámica se insertan en el reactor en lugar de las barras de control normales de boro. Periódicamente, los TPBAR se reemplazan y se extrae el tritio.

Actualmente, solo se utilizan dos reactores nucleares comerciales (unidades 1 y 2 de la planta nuclear Watts Bar) para la producción de tritio, pero el proceso podría, si fuera necesario, ampliarse enormemente para satisfacer cualquier demanda concebible simplemente utilizando más del país. 39;s reactores de potencia. También se podrían extraer cantidades sustanciales de tritio y helio-3 del moderador de agua pesada en los reactores nucleares CANDU. Se sabe que India y Canadá, los dos países con la mayor flota de reactores de agua pesada, extraen tritio del agua pesada moderadora/refrigerante, pero esas cantidades no son suficientes para satisfacer la demanda mundial de tritio o helio-3.

Dado que el tritio también se produce de forma inadvertida en varios procesos en reactores de agua ligera (consulte el artículo sobre tritio para obtener más detalles), la extracción de esas fuentes podría ser otra fuente de helio-3. Sin embargo, si se toma como base la descarga anual de tritio (según cifras de 2018) en la planta de reprocesamiento de La Hague, las cantidades descargadas (31,2 gramos (1,10 oz) en La Hague) no son suficientes para satisfacer la demanda, incluso si el 100 % podría lograrse la recuperación.

Grado anual de tritio de instalaciones nucleares

• v
• t
• e

Ubicación	Instalaciones nucleares	Más cerca aguas	Líquido (TBq)	Steam (TBq)	Total (TBq)	Total (mg)	año
Reino Unido	Estación de energía nuclear de Heysham B	Irish Sea	396	2.1	398	1.115	2019
Reino Unido	Sellafield reprocessing facility	Irish Sea	423	56	479	1,342	2019
Rumania	Unidad de Energía Nuclear de Cernavodă 1	Mar Negro	140	152	292	872	2018
Francia	Planta de reprocesamiento de La Haya	Canal de inglés	11.400	60	11.460	32,100	2018
Corea del Sur	Wolseong Nuclear Power Plant y otros	Mar de Japón	211	154	365	1.022	2020
Taiwán	Maanshan Nuclear Power Plant	Estrecho de Luzón	35	9.4	44	123	2015
China	Fuqing Nuclear Power Plant	Estrecho de Taiwán	52	0,8	52	146	2020
China	Estación de energía nuclear de Sanmen	China oriental Mar	20	0,4	20	56	2020
Canadá	Bruce Nuclear Generating Station A, B	Grandes Lagos	756	994	1.750	4.901	2018
Canadá	Darlington Nuclear Generating Station	Grandes Lagos	220	210	430	1.204	2018
Canadá	Unidades de la estación nuclear de Pickering 1-4	Grandes Lagos	140	300	440	1.232	2015
Estados Unidos	Unidades de Energía del Cañón Diablo1, 2	Océano Pacífico	82	2.7	84	235	2019

Usos

Eco de espín de helio-3

El helio-3 se puede utilizar para realizar experimentos de eco de espín de la dinámica de superficies, que actualmente no se realizan en el Grupo de Física de Superficies del Laboratorio Cavendish de Cambridge y en el Departamento de Química de la Universidad de Swansea.

Detección de neutrones

El helio-3 es un isótopo importante en la instrumentación para la detección de neutrones. Tiene una sección transversal de alta absorción para haces de neutrones térmicos y se utiliza como gas convertidor en detectores de neutrones. El neutrón se convierte a través de la reacción nuclear.

n + ³Él → ³H + ¹H + 0.764 MeV

en partículas cargadas de iones de tritio (T, ³H) e iones de hidrógeno, o protones (p, ¹H) que luego se detectan creando una nube de carga en el gas de parada de un contador proporcional o un tubo Geiger-Müller.

Además, el proceso de absorción depende en gran medida del espín, lo que permite que un volumen de helio-3 polarizado por espín transmita neutrones con un componente de espín mientras absorbe el otro. Este efecto se emplea en el análisis de polarización de neutrones, una técnica que investiga las propiedades magnéticas de la materia.

El Departamento de Seguridad Nacional de los Estados Unidos esperaba desplegar detectores para detectar plutonio de contrabando en contenedores de envío por sus emisiones de neutrones, pero la escasez mundial de helio-3 tras la reducción de la producción de armas nucleares desde la Guerra Fría ha evitó esto. A partir de 2012, el DHS determinó que el suministro comercial de boro-10 respaldaría la conversión de su infraestructura de detección de neutrones a esa tecnología.

Criogenia

Diagrama de fase para Helio-3

Un refrigerador de helio-3 utiliza helio-3 para alcanzar temperaturas de 0,2 a 0,3 Kelvin. Un refrigerador de dilución utiliza una mezcla de helio-3 y helio-4 para alcanzar temperaturas criogénicas tan bajas como unas milésimas de kelvin.

Una propiedad importante del helio-3, que lo distingue del helio-4 más común, es que su núcleo es un fermión, ya que contiene un número impar de espín 1⁄2 partículas. Los núcleos de helio-4 son bosones, que contienen un número par de spin 1⁄2 partículas. Este es un resultado directo de las reglas de suma para el momento angular cuantificado. A bajas temperaturas (alrededor de 2,17 K), el helio-4 sufre una transición de fase: una fracción del mismo entra en una fase superfluida que puede entenderse aproximadamente como un tipo de condensado de Bose-Einstein. Tal mecanismo no está disponible para los átomos de helio-3, que son fermiones. Sin embargo, se especuló ampliamente que el helio-3 también podría convertirse en un superfluido a temperaturas mucho más bajas, si los átomos se formaran en pares análogos a los pares de Cooper en la teoría de la superconductividad BCS. Cada par de Cooper, que tiene espín entero, puede considerarse como un bosón. Durante la década de 1970, David Lee, Douglas Osheroff y Robert Coleman Richardson descubrieron dos transiciones de fase a lo largo de la curva de fusión, que pronto se dieron cuenta de que eran las dos fases superfluidas del helio-3. La transición a un superfluido ocurre a 2.491 milikelvins en la curva de fusión. Fueron galardonados con el Premio Nobel de Física de 1996 por su descubrimiento. Alexei Abrikosov, Vitaly Ginzburg y Tony Leggett ganaron el Premio Nobel de Física en 2003 por su trabajo para perfeccionar la comprensión de la fase superfluida del helio-3.

En un campo magnético cero, hay dos fases superfluidas distintas de ³He, la fase A y la fase B. La fase B es la fase de baja temperatura y baja presión que tiene una brecha de energía isotrópica. La fase A es la fase de mayor temperatura y mayor presión que se estabiliza aún más mediante un campo magnético y tiene dos nodos de puntos en su espacio. La presencia de dos fases es un claro indicio de que ³He es un superfluido (superconductor) no convencional, ya que la presencia de dos fases requiere una simetría adicional, además de la simetría de calibre, para romperse. De hecho, es un superfluido de ondas p, con espín uno, S=1, y momento angular uno, L=1. El estado fundamental corresponde al momento angular total cero, J=S+L=0 (suma de vectores). Los estados excitados son posibles con un momento angular total distinto de cero, J>0, que son modos colectivos de pares excitados. Debido a la extrema pureza del superfluido ³He (dado que todos los materiales excepto ⁴He se han solidificado y hundido hasta el fondo del líquido ³He y cualquier ⁴He tiene fases separadas por completo, este es el estado más puro de materia condensada), estos modos colectivos se han estudiado con mucho mayor precisión que en cualquier otro sistema de emparejamiento no convencional.

Imágenes médicas

Los núcleos de helio-3 tienen un espín nuclear intrínseco de 1⁄2, y una relación magnetogira relativamente alta. El helio-3 se puede hiperpolarizar utilizando medios que no están en equilibrio, como el bombeo óptico de intercambio de espín. Durante este proceso, la luz láser infrarroja polarizada circularmente, ajustada a la longitud de onda adecuada, se utiliza para excitar electrones en un metal alcalino, como el cesio o el rubidio, dentro de un recipiente de vidrio sellado. El momento angular se transfiere de los electrones de metales alcalinos a los núcleos de gases nobles a través de colisiones. En esencia, este proceso alinea efectivamente los espines nucleares con el campo magnético para mejorar la señal de RMN. El gas hiperpolarizado puede entonces almacenarse a presiones de 10 atm, hasta 100 horas. Después de la inhalación, las mezclas de gases que contienen el gas helio-3 hiperpolarizado se pueden visualizar con un escáner de resonancia magnética para producir imágenes anatómicas y funcionales de la ventilación pulmonar. Esta técnica también es capaz de producir imágenes del árbol de la vía aérea, localizar defectos no ventilados, medir la presión parcial de oxígeno alveolar y medir la relación ventilación/perfusión. Esta técnica puede ser fundamental para el diagnóstico y manejo del tratamiento de enfermedades respiratorias crónicas como la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC), el enfisema, la fibrosis quística y el asma.

Absorbedor de energía de radio para experimentos con plasma tokamak

Tanto el tokamak Alcator C-Mod del MIT como el Joint European Torus (JET) han experimentado agregando un poco de He-3 a un plasma H-D para aumentar la absorción de energía de radiofrecuencia (RF) para calentar el H &amperio; Iones D, un "tres iones" efecto.

Combustible nuclear

³Él puede ser producido por la fusión a baja temperatura de (D-p)²H + ¹p → ³Él + γ + 4,98 MeV. Si la temperatura de fusión es inferior a la de los núcleos de helio, la reacción produce una partícula alfa de alta energía que adquiere rápidamente un electrón y produce un ion de helio ligero estable que puede utilizarse directamente como fuente de electricidad sin producir peligrosos neutrones.

La tasa de reacción de fusión aumenta rápidamente con temperatura hasta que maximiza y luego disminuye gradualmente. La tasa DT alcanza una temperatura más baja (unos 70 keV, o 800 millones de kelvins) y a un valor más alto que otras reacciones comúnmente consideradas para la energía de fusión.

³Él puede usarse en reacciones de fusión por cualquiera de las reacciones ²H + ³Él → ⁴He + ¹p + 18,3 MeV, o ³Él + ³Él → ⁴He + 2 ¹p + 12,86 MeV.

El proceso de fusión convencional de deuterio + tritio ("D-T") produce neutrones energéticos que vuelven radiactivos los componentes del reactor con productos de activación. El atractivo de la fusión de helio-3 se deriva de la naturaleza aneutrónica de sus productos de reacción. El helio-3 en sí mismo no es radiactivo. El único subproducto de alta energía, el protón, puede contenerse mediante campos eléctricos y magnéticos. La energía de impulso de este protón (creada en el proceso de fusión) interactuará con el campo electromagnético que lo contiene, lo que dará como resultado una generación de electricidad neta directa.

Debido a la barrera de Coulomb más alta, las temperaturas requeridas para ²H + ³He son mucho más altos que los de la fusión D-T convencional. Además, dado que ambos reactivos deben mezclarse para fusionarse, se producirán reacciones entre núcleos del mismo reactivo y la reacción D-D (² H + ²H) produce un neutrón. Las velocidades de reacción varían con la temperatura, pero la velocidad de reacción de D-³He nunca es superior a 3,56 veces la Velocidad de reacción D-D (ver gráfico). Por lo tanto, la fusión usando combustible D-³He a la temperatura adecuada y una mezcla de combustible pobre en D, puede producir un flujo de neutrones mucho más bajo que la fusión D-T, pero no es limpia, lo que anula parte de su atracción principal.

La segunda posibilidad, fusionar ³Él consigo mismo (³He + ³He), requiere temperaturas aún más altas (ya que ahora ambos reactivos tienen una carga de +2), y por lo tanto es aún más difícil que el D-³He reacción. Sin embargo, ofrece una posible reacción que no produce neutrones; los protones cargados producidos pueden contenerse utilizando campos eléctricos y magnéticos, lo que a su vez da como resultado la generación directa de electricidad. ³Él + ³Él la fusión es factible como se demostró en el laboratorio y tiene inmensas ventajas, pero la viabilidad comercial está a muchos años en el futuro.

Las cantidades de helio-3 necesarias como reemplazo de los combustibles convencionales son sustanciales en comparación con las cantidades disponibles actualmente. La cantidad total de energía producida en el ²D + ^3He es de 18,4 MeV, lo que corresponde a unos 493 megavatios-hora (4,93×10⁸ W·h) por tres gramos (un mol) de ³Él. Si la cantidad total de energía pudiera convertirse en energía eléctrica con una eficiencia del 100 % (una imposibilidad física), correspondería a unos 30 minutos de producción de una planta eléctrica de gigavatios por mol de ³Él. Por lo tanto, la producción de un año (a 6 gramos por cada hora de operación) requeriría 52,5 kilogramos de helio-3. La cantidad de combustible necesaria para aplicaciones a gran escala también se puede expresar en términos de consumo total: el consumo de electricidad de 107 millones de hogares estadounidenses en 2001 ascendió a 1140 mil millones de kW·h (1,14 × 10¹⁵ W·h). Suponiendo nuevamente una eficiencia de conversión del 100%, se requerirían 6,7 toneladas por año de helio-3 para ese segmento de la demanda de energía de los Estados Unidos, de 15 a 20 toneladas por año dada una eficiencia de conversión de extremo a extremo más realista.

Un enfoque de segunda generación para la energía de fusión controlada implica la combinación de helio-3 y deuterio, 2D. Esta reacción produce un ion helio-4 (⁴He) (como una partícula alfa, pero de diferente origen) y un protón de alta energía (ion de hidrógeno cargado positivamente). La ventaja potencial más importante de esta reacción de fusión para la producción de energía, así como para otras aplicaciones, radica en su compatibilidad con el uso de campos electrostáticos para controlar los iones de combustible y los protones de fusión. Los protones de alta velocidad, como partículas cargadas positivamente, pueden convertir su energía cinética directamente en electricidad, mediante el uso de materiales de conversión de estado sólido y otras técnicas. Pueden ser posibles eficiencias de conversión potenciales del 70%, ya que no es necesario convertir la energía de los protones en calor para impulsar un generador eléctrico accionado por turbina.

Ha habido muchas afirmaciones sobre las capacidades de las centrales eléctricas de helio-3. Según los proponentes, las plantas de energía de fusión que operan con deuterio y helio-3 ofrecerían costos operativos y de capital más bajos que sus competidores debido a la menor complejidad técnica, la mayor eficiencia de conversión, el tamaño más pequeño, la ausencia de combustible radiactivo, la contaminación del aire o del agua y únicamente los requisitos de eliminación de desechos radiactivos de nivel bajo. Estimaciones recientes sugieren que se requerirán alrededor de $ 6 mil millones en capital de inversión para desarrollar y construir la primera planta de energía de fusión de helio-3. El punto de equilibrio financiero con los precios mayoristas de electricidad de hoy (5 centavos de dólar estadounidense por kilovatio-hora) ocurriría después de que cinco plantas de 1 gigavatio estuvieran en línea, reemplazando las viejas plantas convencionales o satisfaciendo la nueva demanda.

La realidad no es tan clara. Los programas de fusión más avanzados del mundo son la fusión por confinamiento inercial (como la Instalación Nacional de Ignición) y la fusión por confinamiento magnético (como ITER y Wendelstein 7-X). En el caso del primero, no existe una hoja de ruta sólida para la generación de energía. En el caso de este último, la generación de energía comercial no se espera hasta alrededor de 2050. En ambos casos, el tipo de fusión que se analiza es el más simple: la fusión D-T. La razón de esto es la barrera de Coulomb muy baja para esta reacción; para D+³He, la barrera es mucho más alta, y es aún más alta para ³He–³He. El inmenso costo de los reactores como el ITER y la Instalación Nacional de Ignición se debe en gran parte a su inmenso tamaño, pero escalar a temperaturas de plasma más altas requeriría reactores mucho más grandes. El protón de 14,7 MeV y la partícula alfa de 3,6 MeV de la fusión D–³He, más la mayor eficiencia de conversión, significa que se obtiene más electricidad por kilogramo que con la fusión D-T (17,6 MeV), pero no tanta más. Como desventaja adicional, las velocidades de reacción para las reacciones de fusión de helio-3 no son particularmente altas, lo que requiere un reactor aún más grande o más reactores para producir la misma cantidad de electricidad.

Para intentar solucionar este problema de plantas de energía masivamente grandes que pueden no ser económicas con la fusión D-T, por no hablar de la fusión D–³He, que es mucho más desafiante, varios otros reactores han se han propuesto: Fusor, Polywell, Focus fusion y muchos más, aunque muchos de estos conceptos tienen problemas fundamentales para lograr una ganancia neta de energía y, en general, intentan lograr la fusión en desequilibrio térmico, algo que podría resultar imposible y, en consecuencia, estos programas a largo plazo tienden a tener problemas para obtener fondos a pesar de sus bajos presupuestos. A diferencia del "grande", "caliente" Los sistemas de fusión, sin embargo, si tales sistemas funcionaran, podrían escalar a la barrera más alta "aneutronic" combustibles y, por lo tanto, sus defensores tienden a promover la fusión p-B, que no requiere combustibles exóticos como el helio-3.

Extraterrestre

Luna

Los materiales en la superficie de la Luna contienen helio-3 en concentraciones de entre 1,4 y 15 ppb en áreas iluminadas por el sol, y pueden contener concentraciones de hasta 50 ppb en regiones permanentemente sombreadas. Varias personas, empezando por Gerald Kulcinski en 1986, han propuesto explorar la Luna, extraer regolito lunar y utilizar el helio-3 para la fusión. Debido a las bajas concentraciones de helio-3, cualquier equipo de minería tendría que procesar cantidades extremadamente grandes de regolito (más de 150 toneladas de regolito para obtener un gramo de helio-3).

Algunas fuentes informaron que el objetivo principal de la primera sonda lunar de la Organización de Investigación Espacial de la India, llamada Chandrayaan-1, lanzada el 22 de octubre de 2008, era cartografiar la superficie de la Luna en busca de helio-3- que contienen minerales. Sin embargo, tal objetivo no se menciona en la lista oficial de objetivos del proyecto, aunque muchas de sus cargas útiles científicas han señalado aplicaciones relacionadas con el helio-3.

El cosmoquímico y geoquímico Ouyang Ziyuan de la Academia de Ciencias de China, quien ahora está a cargo del Programa de Exploración Lunar de China, ya ha declarado en muchas ocasiones que uno de los objetivos principales del programa sería la extracción de helio-3, de cuya operación "cada año, tres misiones del transbordador espacial podrían traer suficiente combustible para todos los seres humanos en todo el mundo".

En enero de 2006, la compañía espacial rusa RKK Energiya anunció que considera que el helio-3 lunar es un recurso económico potencial que se extraerá para 2020, si se puede encontrar financiación.

No todos los escritores creen que la extracción de helio-3 lunar es factible, o incluso que habrá demanda para la fusión. Dwayne Day, escribiendo en The Space Review en 2015, caracteriza la extracción de helio-3 de la luna para su uso en fusión como un pensamiento mágico sobre una tecnología no probada y cuestiona la viabilidad de la extracción lunar, en comparación con la producción en la Tierra.

Gigantes gaseosos

También se ha propuesto la extracción de gigantes gaseosos para helio-3. El diseño hipotético de la sonda interestelar del Proyecto Daedalus de la Sociedad Interplanetaria Británica fue alimentado por minas de helio-3 en la atmósfera de Júpiter, por ejemplo.

Notas y referencias