Helio-3
Isótopo de helio con dos protones y un neutrón.
Helio-3, 3Él
General
Símbolo3 Él
Nombreshelio-3, 3He, He-3,
tralfio (obsoleto)
Protones ( Z )2
Neutrones ( N )1
Datos de nucleidos
Abundancia natural0,000137% (% He en la Tierra)
0,001% (% He en el Sistema Solar)
Vida media ( t 1/2 )estable
Masa del isótopo3.0160293 Da
Girar1 ⁄ 2
Isótopos progenitores3H  ( decaimiento beta del tritio)
Isótopos del helio
Tabla completa de nucleidos

El helio-3 ( 3 He [1] [2] véase también helión ) es un isótopo ligero y estable del helio con dos protones y un neutrón . (En contraste, el isótopo más común, el helio-4 , tiene dos protones y dos neutrones). El helio-3 y el protio ( hidrógeno ordinario ) son los únicos nucleidos estables con más protones que neutrones. Fue descubierto en 1939.

El helio-3 se presenta como un nucleido primordial , que escapa de la corteza terrestre a su atmósfera y al espacio exterior a lo largo de millones de años. También se cree que es un nucleido cosmogénico y nucleogénico 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 . Algunos de los que se encuentran en la atmósfera terrestre son restos de pruebas de armas nucleares atmosféricas y submarinas .

La fusión nuclear con helio-3 se ha considerado durante mucho tiempo como una fuente de energía deseable para el futuro . La fusión de dos de sus átomos sería aneutrónica , no liberaría la radiación peligrosa de la fusión tradicional ni requeriría temperaturas mucho más altas. [3] El proceso puede crear inevitablemente otras reacciones que, por sí mismas, harían que el material circundante se volviera radiactivo. [4]

Se cree que el helio-3 es más abundante en la Luna que en la Tierra, habiendo sido depositado en la capa superior del regolito por el viento solar durante miles de millones de años, [5] aunque todavía en menor abundancia que en los gigantes gaseosos del Sistema Solar . [6] [7]

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 colisionaron con objetivos de deuterones (por cierto, la primera demostración de fusión nuclear ). [8] El aislamiento del helio-3 fue logrado por primera vez por Luis Álvarez y Robert Cornog en 1939. [9] [10] Se pensaba que el helio-3 era un isótopo radiactivo hasta que también se encontró en muestras de helio natural, que es principalmente helio-4 , tomadas tanto de la atmósfera terrestre como de pozos de gas natural . [11]

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 mecánicos cuánticos 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 espín general de cero, lo que lo convierte en un bosón , pero con un neutrón menos, el helio-3 tiene un espín general de la mitad, lo que lo convierte en un fermión .

El gas helio-3 puro 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 en comparación con los 125 g/L del helio-4 a una presión de una atmósfera. Su calor latente de vaporización también es considerablemente menor, 0,026 kJ/mol, en comparación con los 0,0829 kJ/mol del helio-4. [12] [13]

Superfluidez

Diagrama de fases del helio-3. Bcc: red cristalina cúbica centrada en el cuerpo.

Una propiedad importante del helio-3, que lo distingue del más común helio-4, es que su núcleo es un fermión, ya que contiene un número impar de partículas de espín 1 ⁄ 2. Los núcleos de helio-4 son bosones , que contienen un número par de partículas de espín 1 ⁄ 2. Esto es un resultado directo de las reglas de adición para el momento angular cuantizado. A bajas temperaturas (alrededor de 2,17 K), el helio-4 experimenta una transición de fase : una fracción de él 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. Muchos especularon 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 BCS de la superconductividad . Cada par de Cooper, que tiene espín entero, puede considerarse 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. [14] [15] La transición a un superfluido ocurre a 2,491 milikelvins en la curva de fusión. Recibieron el Premio Nobel de Física de 1996 por su descubrimiento. Alexei Abrikosov , Vitaly Ginzburg y Tony Leggett ganaron el Premio Nobel de Física de 2003 por su trabajo en el refinamiento de la comprensión de la fase superfluida del helio-3. [16]

En un campo magnético cero, hay dos fases superfluidas distintas de 3 He, 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 está estabilizada aún más por un campo magnético y tiene dos nodos puntuales en su brecha. La presencia de dos fases es una clara indicación de que 3 He es un superfluido no convencional (superconductor), ya que la presencia de dos fases requiere una simetría adicional, distinta de la simetría de calibre, para romperse. De hecho, es un superfluido de onda 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 vectorial). 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 el 4He se han solidificado y hundido hasta el fondo del 3He líquido y cualquier 4He se ha separado en fases por completo, este es el estado de materia condensada más puro), estos modos colectivos se han estudiado con mucha mayor precisión que en cualquier otro sistema de emparejamiento no convencional.

Abundancia natural

Abundancia terrestre

El 3He es una sustancia primordial del manto terrestre , que se cree que quedó atrapada en la Tierra durante la formación planetaria. La proporción de 3He a 4He en la corteza y el manto terrestres es menor que la de las estimaciones de la composición del disco solar obtenidas a partir de muestras lunares y de meteoritos, y los materiales terrestres generalmente contienen proporciones de 3He/4He más bajas debido a la producción de 4He a partir de la desintegración radiactiva.

El 3 He tiene una proporción cosmológica de 300 átomos por millón de átomos de 4 He (at. ppm), [17] 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 desintegración de partículas alfa de uranio, torio y otros isótopos radiactivos ha generado cantidades significativas de 4 He, de modo que solo alrededor del 7% del helio que ahora hay en el manto es helio primordial, [17] lo que reduce la proporción total de 3 He/ 4 He a alrededor de 20 ppm. Las proporciones de 3 He/ 4 He superiores a las atmosféricas son indicativas de una contribución de 3 He del manto. Las fuentes de la corteza están dominadas por el 4 He producido por desintegración radiactiva.

La proporción de helio-3 y helio-4 en fuentes naturales terrestres varía considerablemente. [18] [19] Se encontró que muestras de espodumena de mineral de litio de la mina Edison, Dakota del Sur, contenían 12 partes de helio-3 por un millón de partes de helio-4. Las muestras de otras minas mostraban 2 partes por millón. [18]

El helio también está presente en hasta un 7% de algunas fuentes de gas natural, [20] y las grandes fuentes tienen más del 0,5% (por encima del 0,2% es viable extraerlo). [21] Se encontró que la fracción de 3He en helio separado del gas natural en los EE. UU. oscilaba entre 70 y 242 partes por mil millones. [22] [23] Por lo tanto, las reservas estadounidenses de 2002 de 1 mil millones de m 3 normales [21] habrían contenido alrededor de 12 a 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 su separación de la corriente de gas natural de los EE. UU. Si el proceso de separación del 3He pudiera emplear como materia prima el helio licuado que se utiliza normalmente para transportar y almacenar grandes cantidades, las estimaciones del coste energético incremental oscilan entre 34 y 300 dólares por litro (150 a 1.360 dólares/gal imp) NTP, excluyendo el coste de la infraestructura y el equipo. [22] Se supone que la producción anual de gas de Argelia contiene 100 millones de metros cúbicos normales [21] y esto contendría entre 7 y 24 metros cúbicos (250 y 850 pies cúbicos) de helio-3 (aproximadamente 1 a 4 kilogramos (2,2 a 8,8 lb)) suponiendo una fracción de 3He similar .

3 He también está presente en la atmósfera de la Tierra . La abundancia natural de 3 He en el gas helio natural es de 1,38 × 10−6 (1,38 partes por millón). La presión parcial del helio en la atmósfera terrestre es de unos 0,52 pascales (7,5 × 10 −5  psi), por lo que el helio representa 5,2 partes por millón de la presión total (101325 Pa) en la atmósfera terrestre, y el 3He representa 7,2 partes por billón de la atmósfera. Puesto que la atmósfera de la Tierra tiene una masa de unos 5,14 × 10 18 kilogramos (1,133 × 10 19  lb), [24] la masa del 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. Hay que multiplicar por 3 (la masa molecular del helio-3) y dividir por 29 (la masa molecular media de la atmósfera), lo que da como resultado 3.828 toneladas (3.768 toneladas largas; 4.220 toneladas cortas) de helio-3 en la atmósfera terrestre.)

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

La cantidad total de helio-3 en el manto puede estar en el rango de 0,1-1 megatonelada (98.000-984.000 toneladas largas; 110.000-1.100.000 toneladas cortas). La mayor parte del manto no es directamente accesible. Algo de helio-3 se filtra a través de volcanes de fuentes profundas como los de las islas hawaianas , pero solo se emiten 300 gramos (11 oz) por año a la atmósfera. 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 de los Estados Unidos pueden tener solo media tonelada en total. [25] Wittenberg citó la estimación de Anderson de otras 1.200 toneladas (1.200 toneladas largas; 1.300 toneladas cortas) de partículas de polvo interplanetario en los fondos oceánicos. [26] En el estudio de 1994, extraer helio-3 de estas fuentes consume más energía de la que liberaría la fusión. [27]

Superficie lunar

Ver Minería extraterrestre o Recursos lunares

Abundancia de la nebulosa solar (primordial)

Una estimación temprana de la proporción primordial de 3 He a 4 He 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, [28] o 100 partes de 3 He por millón de partes de 4 He. Esta es aproximadamente la misma proporción de los isótopos que en el regolito lunar , que contiene 28 ppm de helio-4 y 2,8 ppb de helio-3 (que está en el extremo inferior de las mediciones de muestra reales, que varían de aproximadamente 1,4 a 15 ppb). Las proporciones terrestres de los isótopos son inferiores en un factor de 100, principalmente debido al enriquecimiento de las reservas de helio-4 en el manto por miles de millones de años de desintegración alfa del uranio , el torio , así como sus productos de desintegración y radionucleidos extintos .

Producción humana

Desintegración del tritio

Prácticamente todo el helio-3 que se utiliza hoy en día en la industria se produce a partir de la desintegración radiactiva del tritio , dada su muy baja abundancia natural y su altísimo coste.

La producción, venta y distribución de helio-3 en los Estados Unidos están gestionadas por el Programa de Isótopos del Departamento de Energía (DOE) de ese país. [29]

Si bien el tritio tiene varios valores diferentes determinados experimentalmente de su vida media , el NIST enumera4.500 ± 8 días (12,32 ± 0,02 años ). [30] Se desintegra en helio-3 por desintegración beta como en esta ecuación nuclear:

3
1yo
 		→ 3
2Él1+
 		+ 
mi−
 		+ 
no
mi

Entre la energía total liberada de18,6 keV , la parte ocupada por la energía cinética del electrón varía, con un promedio de5,7 keV , mientras que la energía restante es transportada por el antineutrino electrónico casi 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 externa muerta de la piel humana. [31] 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 hace que sea difícil detectar compuestos marcados con tritio excepto mediante el recuento de centelleo líquido .

El tritio es un isótopo radiactivo del hidrógeno y normalmente se produce bombardeando 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 desintegra en helio-3 con una vida media de12,3 años , por lo que el helio-3 se puede producir simplemente almacenando el tritio hasta que sufra una desintegración radiactiva. Como el tritio forma un compuesto estable con el oxígeno ( agua tritiada ), mientras que el helio-3 no, el proceso de almacenamiento y recolección podría recolectar continuamente el material que se desprende del material almacenado.

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

Durante décadas, esta ha sido, y sigue siendo, la principal fuente de helio-3 del mundo. [32] Desde la firma del Tratado START I en 1991, el número de ojivas nucleares que se mantienen listas para su uso ha disminuido. [33] [34] Esto ha reducido la cantidad de helio-3 disponible de esta fuente. Las reservas de helio-3 se han reducido aún más por el aumento de la demanda, [22] 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 galones imperiales; 18.000 galones estadounidenses) (aproximadamente 8 kilogramos (18 libras)) por año en 2008. El precio en subasta, históricamente alrededor de $100 por litro ($450/gal imp), llegó a alcanzar los $2.000 por litro ($9.100/gal imp). [35] Desde entonces, la demanda de helio-3 ha disminuido a unos 6.000 litros (1.300 galones imperiales; 1.600 galones estadounidenses) por año debido al alto costo y a los esfuerzos del DOE por reciclarlo y encontrar sustitutos. Suponiendo una densidad de 114 gramos por metro cúbico (0,192 lb/cu yd) a 100 dólares el litro, el helio-3 sería aproximadamente una trigésima parte de lo caro que es el tritio (aproximadamente 880 dólares por gramo (25.000 dólares la onza) frente a aproximadamente 30.000 dólares por gramo (850.000 dólares la onza)), mientras que a 2.000 dólares el litro el helio-3 sería aproximadamente la mitad de caro que el tritio (17.540 dólares por gramo (497.000 dólares la onza) frente a 30.000 dólares por gramo (850.000 dólares la onza)).

El DOE reconoció la creciente escasez tanto de tritio como de helio-3, y comenzó a producir tritio mediante irradiación de litio en la Central Nuclear Watts Bar de la Autoridad del Valle de Tennessee en 2010. [22] En este proceso, las barras absorbentes combustibles productoras de tritio (TPBAR) que contienen litio en forma de cerámica se insertan en el reactor en lugar de las barras de control de boro normales. [36] Periódicamente, las TPBAR se reemplazan y se extrae el tritio.

En la actualidad, sólo se utilizan dos reactores nucleares comerciales (las unidades 1 y 2 de la planta nuclear de Watts Bar) para la producción de tritio, pero, si fuera necesario, el proceso podría ampliarse enormemente para satisfacer cualquier demanda concebible simplemente utilizando más reactores de potencia del país [ cita requerida ] . También se podrían extraer cantidades sustanciales de tritio y helio-3 del moderador de agua pesada en los reactores nucleares CANDU . [22] [37] Se sabe que India y Canadá, los dos países con la mayor flota de reactores de agua pesada , extraen tritio del agua pesada del moderador/refrigerante, pero esas cantidades no son suficientes para satisfacer la demanda mundial de tritio o helio-3.

Como el tritio también se produce de forma inadvertida en varios procesos en los reactores de agua ligera (consulte el artículo sobre el tritio para obtener más detalles), la extracción de esas fuentes podría ser otra fuente de helio-3. Si se toma como base la descarga anual de tritio (según las 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 se logra una recuperación del 100%.

Descarga anual de tritio de instalaciones nucleares [38]
UbicaciónInstalación nuclear
Aguas más cercanas		Líquido
( TBq )		Vapor
(TBq)		Total
(TBq)		Total
( mg )		año
 Reino UnidoCentral nuclear B de HeyshamMar de Irlanda3962.13981.1152019
 Reino UnidoPlanta de reprocesamiento de SellafieldMar de Irlanda423564791.3422019
 RumaniaUnidad 1 de la central nuclear de CernavodăMar Negro1401522928722018
 FranciaPlanta de reprocesamiento de La HagueCanal de la Mancha11.4006011.46032.1002018
 Corea del SurPlanta de energía nuclear de WolseongMar de Japón10780.91886712020 [39]
 TaiwánCentral nuclear de MaanshanEstrecho de Luzón359.4441232015
 PorcelanaPlanta de energía nuclear de FuqingEstrecho de Taiwán520,8521462020
 PorcelanaCentral nuclear de SanmenMar de China Oriental200,420562020
 CanadáCentral nuclear Bruce A, BGrandes Lagos7569941.7504.9012018
 CanadáCentral nuclear de DarlingtonGrandes Lagos2202104301.2042018
 CanadáCentral nuclear de Pickering, unidades 1 a 4Grandes Lagos1403004401.2322015
 Estados UnidosCentral eléctrica Diablo Canyon Unidades 1 y 2Océano Pacífico822.7842352019

Usos

Eco de espín de helio-3

El helio-3 se puede utilizar para realizar experimentos de eco de espín sobre dinámica de superficies , que se están llevando a cabo en el Grupo de Física de Superficies del Laboratorio Cavendish en 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 absorción alta 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 + 3 He → 3 H + 1 H + 0,764 MeV

en partículas cargadas, iones de tritio (T, 3 H) e iones de hidrógeno , o protones (p, 1 H), que luego se detectan creando una nube de carga en el gas de detención de un contador proporcional o un tubo Geiger-Müller . [40]

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. [41] [42] [43] [44]

El Departamento de Seguridad Nacional de los Estados Unidos esperaba desplegar detectores para detectar el 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 impedido esto hasta cierto punto. [45] 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. [46]

Criogénesis

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 pocas milésimas de kelvin . [47]

Imágenes médicas

Los núcleos de helio-3 tienen un espín nuclear intrínseco de 1 ⁄ 2 y una relación magnetogírica relativamente alta . El helio-3 se puede hiperpolarizar utilizando medios que no están en equilibrio, como el bombeo óptico por intercambio de espín. [48] Durante este proceso, se utiliza luz láser infrarroja polarizada circularmente , sintonizada con la longitud de onda adecuada, 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 del metal alcalino a los núcleos de los gases nobles a través de colisiones. En esencia, este proceso alinea eficazmente los espines nucleares con el campo magnético para mejorar la señal de RMN . El gas hiperpolarizado puede luego almacenarse a presiones de 10 atm, durante 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 permite producir imágenes del árbol de las vías respiratorias, 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 el tratamiento de enfermedades respiratorias crónicas, como la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) , el enfisema , la fibrosis quística y el asma . [49]

Absorbedor de energía de radio para experimentos de plasma tokamak

Tanto el tokamak Alcator C-Mod del MIT como el Joint European Torus (JET) han experimentado con la adición de un poco de helio-3 a un plasma H–D para aumentar la absorción de energía de radiofrecuencia (RF) para calentar los iones de hidrógeno y deuterio, un efecto de "tres iones". [50] [51]

Combustible nuclear

Comparación de la neutronicidad para diferentes reacciones [52] [53] [54] [55] [56]
ReactivosProductosQn/MeV
Combustibles de fusión de primera generación2D + 2D​​3 Él +1
0norte
3,268 MeV0,306
2D + 2D​3T +​1
1pag
4.032 MeV0
2D + 3T​4 Él +1
0norte
17,571 MeV0,057
Combustible de fusión de segunda generación2 D + 3 Él4 Él +1
1pag
18,354 MeV0
Resultado neto de la quema de 2 D (suma de las primeras 4 filas)6 2 D2( 4He + n + p )43,225 MeV0,046
Combustibles de fusión de tercera generación3 Él + 3 Él4 Él + 21
1pag
12,86 MeV0
11 B +1
1pag
3 4 Él8,68 MeV0
Combustible nuclear actual235 U + n2FP + 2,5n~200 MeV0,0075

3 Puede producirse por fusión a baja temperatura de (Dp.)2 H + 1 P → 3 He + γ + 4,98 MeV. Si la temperatura de fusión es inferior a la necesaria para que se fusionen 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 y estable que puede utilizarse directamente como fuente de electricidad sin producir neutrones peligrosos.

La velocidad de la reacción de fusión aumenta rápidamente con la temperatura hasta alcanzar su máximo y luego disminuye gradualmente. La velocidad de DT alcanza su punto máximo a una temperatura más baja (alrededor de 70 keV u 800 millones de kelvin) y a un valor más alto que el de otras reacciones que se consideran comúnmente como energía de fusión.

El 3 He se puede utilizar en reacciones de fusión mediante cualquiera de las reacciones 2 H + 3 He → 4 He + 1 p + 18,3 MeV o 3 He + 3 He → 4 He + 2 1 p + 12,86 MeV.

El proceso convencional de fusión 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 debe a la naturaleza aneutrónica de sus productos de reacción. El helio-3 en sí no es radiactivo. El único subproducto de alta energía, el protón , puede contenerse mediante campos eléctricos y magnéticos. La energía del momento de este protón (creado en el proceso de fusión) interactuará con el campo electromagnético que lo contiene, lo que dará como resultado la generación directa de electricidad neta. [57]

Debido a la mayor barrera de Coulomb , las temperaturas requeridas para la fusión 2 H + 3 He son mucho más altas que las 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 + 2 H ) produce un neutrón . Las velocidades de reacción varían con la temperatura, pero la velocidad de reacción D– 3 He nunca es mayor que 3,56 veces la velocidad de reacción D–D (ver gráfico). Por lo tanto, la fusión que utiliza combustible D– 3 He a la temperatura adecuada y una mezcla de combustible pobre en D puede producir un flujo de neutrones mucho menor que la fusión D–T, pero no es limpia, lo que anula parte de su atractivo principal.

La segunda posibilidad, fusionar 3 He consigo mismo ( 3 He + 3 He ), requiere temperaturas aún más altas (ya que ahora ambos reactivos tienen una carga de +2), y por lo tanto es incluso más difícil que la reacción D- 3 He . Ofrece una reacción teórica que no produce neutrones; los protones cargados producidos pueden estar contenidos en campos eléctricos y magnéticos, que a su vez generan directamente electricidad. La fusión 3 He + 3 He es factible como se ha demostrado en el laboratorio y tiene inmensas ventajas, pero la viabilidad comercial está a muchos años en el futuro. [58]

Las cantidades de helio-3 necesarias para sustituir a los combustibles convencionales son sustanciales en comparación con las cantidades disponibles actualmente. La cantidad total de energía producida en la reacción 2 D + 3 He es de 18,4 M eV , lo que corresponde a unos 493 megavatios-hora (4,93×10 8 W·h) por cada tres gramos (un mol ) de 3 He . 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 un gigavatio por mol de 3 He . Por lo tanto, la producción de un año (a razón de 6 gramos por cada hora de funcionamiento) requeriría 52,5 kilogramos de helio-3. La cantidad de combustible necesaria para aplicaciones a gran escala también puede expresarse en términos de consumo total: el consumo de electricidad de 107 millones de hogares estadounidenses en 2001 [59] ascendió a 1.140 billones de kW·h (1,14×10 15 W·h). Suponiendo de nuevo una eficiencia de conversión del 100%, se necesitarían 6,7 toneladas de helio-3 al año para ese segmento de la demanda energética de los Estados Unidos, es decir, entre 15 y 20 toneladas al año si se considerase una eficiencia de conversión de extremo a extremo más realista. [ cita requerida ]

Un enfoque de segunda generación para la energía de fusión controlada implica la combinación de helio-3 y deuterio, 2 D . Esta reacción produce una partícula alfa y un protón de alta energía . La ventaja potencial más importante de esta reacción de fusión para la producción de energía, así como 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, así como otras técnicas. Es posible que se puedan alcanzar eficiencias de conversión potenciales del 70%, ya que no es necesario convertir la energía de los protones en calor para impulsar un generador eléctrico alimentado por turbina . [ cita requerida ]

Plantas de energía He-3

Se han hecho muchas afirmaciones sobre las capacidades de las plantas de energía de helio-3. Según los defensores, las plantas de energía de fusión que operan con deuterio y helio-3 ofrecerían menores costos de capital y operativos que sus competidoras debido a una menor complejidad técnica, una mayor eficiencia de conversión, un tamaño más pequeño, la ausencia de combustible radiactivo, ninguna contaminación del aire o del agua y solo requisitos de eliminación de desechos radiactivos de bajo nivel . 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 con helio-3 . El punto de equilibrio financiero a los precios de electricidad al por mayor actuales (5 centavos de dólar estadounidense por kilovatio-hora ) se produciría después de que cinco plantas de 1 gigavatio estuvieran en línea, reemplazando a las antiguas plantas convencionales o satisfaciendo la nueva demanda. [60]

La realidad no es tan clara. Los programas de fusión más avanzados del mundo son la fusión por confinamiento inercial (como la National Ignition Facility ) y la fusión por confinamiento magnético (como el ITER y el Wendelstein 7-X ). En el caso del primero, no hay una hoja de ruta sólida para la generación de energía. En el caso del segundo, no se espera la generación de energía comercial hasta alrededor de 2050. [61] En ambos casos, el tipo de fusión discutido es el más simple: la fusión D–T. La razón de esto es la barrera de Coulomb muy baja para esta reacción; para D+ 3 He, la barrera es mucho más alta, y es aún más alta para 3 He– 3 He. El inmenso costo de reactores como el ITER y la National Ignition Facility se debe en gran medida a su inmenso tamaño, pero para escalar a temperaturas de plasma más altas se requerirían reactores mucho más grandes todavía. 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 mucho más. Como otra desventaja, las velocidades de reacción para las reacciones de fusión de helio-3 no son particularmente altas, requiriendo un reactor aún más grande o más reactores para producir la misma cantidad de electricidad.

En 2022, Helion Energy afirmó que su séptimo prototipo de fusión (Polaris; totalmente financiado y en construcción a septiembre de 2022) demostrará "electricidad neta a partir de la fusión" y demostrará "la producción de helio-3 a través de la fusión deuterio-deuterio" mediante un "ciclo de combustible cerrado de alta eficiencia patentado". [62]

Alternativas al He-3

Para intentar solucionar este problema de las plantas de energía de gran tamaño que pueden no ser rentables ni siquiera con la fusión D–T, y mucho menos con la mucho más desafiante fusión D– 3He , se han propuesto varios otros reactores: el Fusor , Polywell , Focus y muchos más, aunque muchos de estos conceptos tienen problemas fundamentales para lograr una ganancia neta de energía y generalmente intentan lograr la fusión en desequilibrio térmico, algo que potencialmente podría resultar imposible [63] y, en consecuencia, estos programas de largo plazo tienden a tener problemas para obtener fondos a pesar de sus bajos presupuestos. A diferencia de los sistemas de fusión "grandes" y "calientes", si tales sistemas funcionaran, podrían escalarse a los combustibles aneutrónicos de barrera más alta , y por eso sus defensores tienden a promover la fusión pB , que no requiere combustible exótico como el helio-3.

Extraterrestre

Luna

Los materiales en la superficie de la Luna contienen helio-3 en concentraciones entre 1,4 y 15 ppb en áreas iluminadas por el sol, [64] [65] y pueden contener concentraciones de hasta 50 ppb en regiones permanentemente sombreadas. [7] Varias personas, comenzando por Gerald Kulcinski en 1986, [66] 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 necesitaría procesar cantidades extremadamente grandes de regolito (más de 150 toneladas de regolito para obtener un gramo de helio-3). [67]

Según algunas fuentes, 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 mapear la superficie de la Luna en busca de minerales que contuvieran helio-3. [68] No se menciona tal objetivo en la lista oficial de objetivos del proyecto, aunque muchas de sus cargas útiles científicas han tenido aplicaciones relacionadas con el helio-3. [69] [70]

El cosmoquímico y geoquímico Ouyang Ziyuan, de la Academia China de Ciencias y actual responsable del Programa de Exploración Lunar chino, ya ha declarado en numerosas ocasiones que uno de los principales objetivos del programa sería la extracción de helio-3, operación a partir de la cual "cada año, tres misiones del transbordador espacial podrían traer suficiente combustible para todos los seres humanos del mundo". [71]

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 podría extraer en 2020, [72] si se puede encontrar financiación. [73] [74]

No todos los autores creen que la extracción de helio-3 lunar sea factible, o incluso que exista demanda de este gas para la fusión. Dwayne Day , que escribió en The Space Review en 2015, caracteriza la extracción de helio-3 de la Luna para su uso en la fusión como una forma de pensar mágica sobre una tecnología no probada, y cuestiona la viabilidad de la extracción lunar, en comparación con la producción en la Tierra. [75]

Gigantes gaseosos

También se ha propuesto la extracción de helio-3 de gigantes gaseosos . [76] El diseño hipotético de la sonda interestelar Proyecto Daedalus de la Sociedad Interplanetaria Británica fue alimentado por minas de helio-3 en la atmósfera de Júpiter , por ejemplo.

Véase también

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  • Discurso de presentación del Premio Nobel de Física 2003 Archivado el 23 de julio de 2008 en Wayback Machine
  • La Luna en venta: un documental de BBC Horizon sobre la posibilidad de extraer helio-3 de la Luna Archivado el 15 de junio de 2023 en Wayback Machine


Encendedor:
diprotón		El helio-3 es un
isótopo del helio.		Más pesado:
helio-4
Producto de desintegración de:
litio-4 ( p )
hidrógeno-3 ( β− )		Cadena
de desintegración del helio-3		Se desintegra en:
estable
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