헬륨-3

Helium-3
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헬륨-3, He
일반
기호.3그는
이름헬륨-3, He-3,
Tralphium(표준)
양성자 (Z)2
중성자 (N)1
핵종 데이터
자연 풍족도0.000137%(지구상 He 비율)
0.001% (태양계에서는 He 비율)
반감기 (t1/2)안정적인.
동위원소 질량3.0160293 Da
스핀1/2
부모 동위원소3H (삼중수소의 베타 붕괴)
헬륨 동위 원소
핵종 전체 표

헬륨-3(3헬리온도 참조)는[1][2] 양성자 2개와 중성자 1개를 가진 가볍고 안정적인 헬륨 동위원소이다(가장 일반적인 동위원소인 헬륨-4는 양성자 2개와 중성자 2개를 대조적으로 가진다).프로튬(일반 수소)을 제외하고 헬륨-3는 중성자보다 양성자가 더 많은 원소 중 유일하게 안정적인 동위원소이다.헬륨-3는 1939년에 발견되었다.

헬륨-3는 원시 핵종으로서 발생하며, 수백만 년 동안 지구의 지각에서 대기권과 우주로 빠져나갑니다.헬륨-3는 리튬이 자연 중성자에 의해 폭격될 때 생성되는 자연 핵종이며, 자연 핵분열과 우주선과의 핵반응에 의해 방출될 수 있다.지구 대기에서 발견되는 헬륨-3 중 일부는 또한 대기 및 수중 핵무기 실험의 인공물이다.

헬륨-3가 미래의 에너지원으로 사용될 가능성에 대해 많은 추측이 제기되어 왔다.대부분의 핵융합 반응과는 달리, 헬륨-3 원자의 융합은 주변 물질을 방사능으로 만들지 않고 많은 양의 에너지를 방출한다.그러나 헬륨-3 핵융합 반응에 필요한 온도는 기존 핵융합 [3]반응보다 훨씬 높기 때문에 이 과정에서 주변 물질 자체가 방사능을 [4]띠게 되는 다른 반응이 불가피할 수 있다.

헬륨-3의 풍부함은 태양풍에 의해 수십억 [5]년 동안 레골리스 상층에 박혀있었지만 태양계의 가스 거대 [6][7]기업들보다 훨씬 더 많은 것으로 생각됩니다.

역사

헬륨-3의 존재는 1934년 호주의 핵물리학자인 마크 올리펀트가 케임브리지 대학 캐번디시 연구소에서 일하던 중 처음 제안했다.올리펀트는 빠른 중수소가 중수소 표적과 충돌하는 실험을 수행했다(우연히 최초의 핵융합 [8]시연).헬륨 3의 분리는 1939년 [9][10]루이스 알바레즈와 로버트 코노그에 의해 처음 이루어졌다.헬륨-3는 지구 대기권과 천연 [11]가스정에서 채취한 천연 헬륨 샘플에서도 발견되기 전까지는 방사성 동위원소로 여겨졌다.

물리 속성

헬륨-3는 원자 질량이 3.016u로 낮기 때문에 질량이 4.0026u로 헬륨-4와는 다른 물리적 특성을 가지고 있다.헬륨 원자 사이의 약한 유도 쌍극자-쌍극자 상호작용 때문에, 그들의 미시적 물리적 특성은 주로 영점 에너지에 의해 결정된다.또한 헬륨-3의 미세한 특성으로 인해 헬륨-4보다 높은 영점 에너지를 갖게 됩니다.이것은 헬륨-3가 헬륨-4보다 적은 열 에너지로 쌍극자-쌍극자 상호작용을 극복할 수 있다는 것을 의미한다.

헬륨-3와 헬륨-4에 대한 양자역학적 효과가 크게 다른 이유는 양성자 2개, 중성자 2개, 전자 2개일 경우 헬륨-4의 전체 스핀이 0으로 보손이 되지만 중성자 1개가 줄어들면 헬륨-3의 전체 스핀이 1/2로 페르미온이 되기 때문이다.

헬륨-3는 4.19K에서 끓고 헬륨-4는 4.23K에서 끓으며 임계점도 5.2K에서 헬륨-4보다 3.35K로 낮다.헬륨-3는 비등점에 있을 때 헬륨-4의 밀도가 59g/L로 1기압일 때 125g/L에 비해 절반도 안 된다.헬륨-4의 [12][13]0.0829 kJ/mol에 비해 기화 잠열도 0.026 kJ/mol로 상당히 낮다.

자연 풍족도

육지의 풍부성

주요 기사:동위원소 지구 화학

3그는 지구 맨틀에 있는 원시 물질로, 행성 형성 과정에서 지구 안에 갇힌 것으로 여겨진다.지구 지각과 맨틀 내의 He 대 He 비율은 운석 및 달 시료에서 얻은 태양 원반 조성 추정치보다 낮으며, 방사성 붕괴에 의한 He의 침투로 인해 일반적으로 He/4He 비율이 낮다.

3그는 He 원자 100만 개당 300개의 우주론적 비율을 가지고 있으며,[14] 지구가 형성되었을 때 맨틀에 있는 이 원시 가스들의 원래 비율은 약 200-300ppm이었다고 추정하게 되었다.지구 역사상 우라늄, 토륨 및 기타 방사성 동위원소의 알파 입자 붕괴는 상당한 양의 He를 발생시켜 현재 맨틀에 있는 헬륨의 약 7%만이 원시 [14]헬륨이며, 총 He/4He 비율을 약 20ppm으로 낮췄다.대기를 초과하는 He/4He의 비율은 맨틀로부터의 He의 기여도를 나타낸다.지각의 근원은 방사성 붕괴에 의해 생성된 He에 의해 지배된다.

자연 지구 결합 선원에서 헬륨-3 대 헬륨-4의 비율은 [15][16]매우 다양합니다.사우스다코타 에디슨 광산의 리튬 광석 스포두멘 샘플은 헬륨-3의 12개에서 100만 개의 헬륨-4를 함유하고 있는 것으로 밝혀졌다.다른 광산에서 채취한 샘플에서는 [15]2ppm이 나왔다.

헬륨은 또한 일부 천연 가스 [17]공급원의 최대 7%로 존재하며, 대규모 공급원은 0.5%를 초과합니다(0.2%를 [18]초과하면 추출이 가능합니다).미국에서 천연가스와 분리된 헬륨 중 He의 [19][20]비율은 70242ppm으로 나타났다.따라서 미국의 2002년 비축량3[18] 10억 m에는 약 12~43kg(26~95lb)의 헬륨-3이 포함되어 있을 것이다.미국의 물리학자 리처드 가윈에 따르면 He는 연간 약 26입방미터(920cuft) 또는 거의 5kg(11lb)의 양이 미국 천연가스 흐름에서 분리될 수 있다.He가 대량 수송 및 저장에 일반적으로 사용되는 액화 헬륨을 공급 원료로 사용할 수 있는 경우, 증분 에너지 비용은 인프라 및 [19]장비 비용을 제외하고 리터당 34달러에서 300달러(임팩트 갤당 150달러에서 1,360달러) NTP에 이른다.알제리의 연간 가스 생산량은 1억 입방미터로[18] 가정되며, 비슷한 He 분율을 가정할 때 헬륨-3(7~24입방미터(250~850cuft)가 함유된다.

3그는 또한 지구의 대기에도 존재한다.자연발생 헬륨가스에서 He의 자연함유량은 1.38×10−6(1.38ppm)이다.지구 대기 중 헬륨의 분압은 약 0.52 파스칼(7.5−5×10psi)로 지구 대기 중 헬륨이 전체 압력(101325Pa)의 5.2ppm을 차지해 대기의 조당 7.2ppm를 차지한다.지구 대기의 질량은 약 5.14×10kg18(1.133×10lb19)[21]이므로 지구 대기 중 He의 질량은 이 수치들의 곱이거나 He의 약 37,000톤(길이 36,000톤, 짧은 41,000톤)이다(실제로 위의 ppmw는 10배이고 ppmv는 아니기 때문에).3(헬륨-3의 분자량)을 곱하고 29(대기 중 평균 분자량)로 나누면 3,828톤(길이 3,768톤, 짧은 4,220톤)의 헬륨-3이 지구 대기 중에 생성된다.

3그는 리튬 파쇄, 우주선, 3삼중수소의 베타 붕괴의 세 가지 원천으로부터 지구에서 생산된다.우주선의 기여는 가장 오래된 레골리스 물질을 제외하고 모두 무시할 수 있으며 리튬 파쇄 반응은 알파 입자 방출에 의한 He 생성보다 덜 기여합니다.

맨틀에 있는 헬륨-3의 총량은 0.1~1메가톤(98,000~984,000톤, 110,000~1,100,000톤 쇼트톤) 범위일 수 있다.그러나 대부분의 맨틀은 직접 접근할 수 없다.일부 헬륨-3는 하와이 군도와 같은 깊은 원천의 핫스팟 화산을 통해 누출되지만, 대기 중으로 방출되는 양은 연간 300그램(11온스)에 불과하다.미드오션 능선은 1년에 3킬로그램(8.2g/d)을 더 배출한다.섭입대 주변에서는 다양한 자원이 천연가스 퇴적물에서 헬륨-3를 생성하는데, 여기에는 1000톤의 헬륨-3가 포함되어 있을 수 있다(모든 고대 섭입대가 그러한 퇴적물을 가지고 있다면 25,000톤의 헬륨-3이 있을 수 있다).비텐버그는 미국의 지각 천연가스 공급원이 [22]총 0.5톤 밖에 되지 않을 것이라고 추정했다.그는 또 해저의 [23]행성간 먼지 입자가 1200t(길이 1200t, 쇼트 1300t)에 달할 것으로 예상했다.1994년 연구에서, 이러한 소스에서 헬륨-3을 추출하는 것은 핵융합이 [24]방출하는 것보다 더 많은 에너지를 소비합니다.

달 표면

외계 광산 또는 달 자원 참조

태양 성운(원초)의 풍부함

태양 성운에서 He 대 He의 초기 추정치는 갈릴레오 대기권 진입 탐사선의 질량 분석계에 의해 측정된 목성 대기에서의 He 대 He의 비율을 측정한 것입니다.이 비율은 약 1:10,000,[25] 즉 He의 100만분의 1이다.이는 28ppm의 헬륨-4와 2.8ppb의 헬륨-3을 포함하는 달 레골리스와 거의 같은 비율이다(실제 표본 측정값의 하단에 있으며 약 1.4ppb에서 15ppb까지 변동).그러나 동위원소의 지상 비율은 100배 더 낮다. 이는 주로 우라늄, 토륨 및 이들의 붕괴 생성물 및 소멸된 방사성핵종에서 수십억 년 동안 알파 붕괴로 맨틀의 헬륨-4 저장소가 농축되었기 때문이다.

인적 생산

삼중수소 붕괴

참고 항목: 삼중수소

오늘날 산업에서 사용되는 거의 모든 헬륨-3은 매우 낮은 자연 풍부성과 매우 높은 비용을 감안할 때 삼중수소의 방사능 붕괴에서 생산된다.

미국 내 헬륨-3의 생산, 판매 및 유통은 미국 에너지부(DOE) 동위원소 [26]프로그램에 의해 관리된다.

삼중수소는 반감기의 여러 가지 다른 값을 실험적으로 결정하는 반면, NIST는 4,500±8 d(12.32±0.02년)[27]를 열거한다.다음과 같은 핵 방정식처럼 베타 붕괴에 의해 헬륨-3으로 붕괴된다.

3
1H
 		→ 3
2그는1+
 		+
이−
 		+
ν
e

총 방출 에너지 18.6 keV 중 전자의 운동 에너지가 취하는 부분은 평균 5.7 keV로 다양하며, 나머지 에너지는 거의 검출할 수 없는 전자 반중성미자에 의해 이동된다.삼중수소의 베타 입자는 약 6.0mm(0.24인치)의 공기만 침투할 수 있고, 인간 [28]피부의 죽은 최외층을 통과할 수 없다.삼중수소 베타 붕괴에서 방출되는 비정상적으로 낮은 에너지는 (레늄-187과 함께) 붕괴를 실험실의 절대 중성미자 질량 측정에 적합하게 만든다. (가장 최근의 실험은 KATRIN이다.)

삼중수소 방사선의 낮은 에너지는 액체 섬광 계수를 사용하는 경우를 제외하고 삼중수소 표지 화합물을 검출하기 어렵게 한다.

삼중수소는 수소의 방사성 동위원소이며, 일반적으로 원자로에서 리튬-6에 중성자를 충돌시켜 생성된다.리튬 핵은 중성자를 흡수하고 헬륨-4와 삼중수소로 나뉜다.삼중수소는 12.3년의 반감기로 헬륨-3으로 분해되므로, 방사성 붕괴를 겪을 때까지 삼중수소를 저장하기만 하면 헬륨-3이 생성될 수 있다.삼중수소는 산소와 안정적인 화합물(삼중수)을 형성하지만 헬륨-3은 그렇지 않기 때문에, 저장과 수집 과정은 저장된 물질에서 배출되는 물질을 지속적으로 수집할 수 있다.

삼중수소는 핵무기의 중요한 구성요소이며, 역사적으로 삼중수소는 주로 이 애플리케이션을 위해 생산되고 비축되었다.삼중수소가 헬륨-3으로 붕괴되면 핵융합 탄두의 폭발력이 감소하므로, 축적된 헬륨-3은 탄두 저장소와 저장 중인 삼중수소에서 주기적으로 제거되어야 한다.이 과정에서 제거된 헬륨-3은 다른 용도로 시판됩니다.

수십 년 동안 이곳은 세계 헬륨 [29]3의 주요 공급원이었고 지금도 그렇습니다.그러나 1991년 START I 조약이 체결된 이후 사용할 수 있는 핵탄두의 수가 감소하여[30][31] 이 선원에서 사용 가능한 헬륨-3의 양이 감소하였다.헬륨-3 비축량은 수요 [19]증가로 인해 주로 중성자 방사선 검출기와 의료 진단 절차에 사용하기 위해 더욱 감소하였다.2008년에 헬륨-3에 대한 미국의 산업 수요는 70,000 리터(15,000 imp gal, 18,000 amp gal)에 도달했다(약 8 kg (18 lb)).경매에서 가격은 역사적으로 리터당 약 100달러(임팩트 갤당 450달러)였으며, 리터당 2,000달러(임팩트 [32]갤당 9,100달러)에 달했다.그 이후 헬륨-3의 수요는 높은 비용과 재활용 및 대체품을 찾기 위한 DOE의 노력으로 인해 연간 약 6,000리터 (1,300 imp gal, 1,600 us gal)로 감소하였다.100$/l에서 입방미터당 밀도가 114그램(0.192lb/cu yd)이라고 가정하면 헬륨-3은 삼중수소 (g당 약 880달러(25,000/oz) 대 약 30,000달러(850,000/oz) 대 2000$/l 헬륨-3은 삼중수소 ($497/oz)의 약 절반에 달한다.).

DOE는 삼중수소와 헬륨-3의 개발 부족을 인식하고 2010년 [19]테네시 밸리 당국의 왓츠 바 원자력 발전소에서 리튬 조사에 의해 삼중수소를 생산하기 시작했다.이 과정에서 세라믹 형태로 리튬을 함유하는 삼중수소 생산 연소성 흡수봉(TPBAR)이 일반 붕소 제어봉[33] 대신 원자로에 삽입된다. TPBAR는 주기적으로 치환되고 삼중수소는 추출된다.

현재 삼중수소 생산에 두 개의 상업용 원자로(와트 막대 원자력 발전소 1호기와 2호기)만 사용되고 있지만, 필요한 경우, 이 프로세스는 단순히 국가의 더 많은 발전용 원자로를 사용함으로써 상상할 수 있는 수요를 충족하기 위해 크게 확대될 수 있다.CANDU 원자로의 [19][34]중수 감속재에서도 상당한 양의 삼중수소와 헬륨-3을 추출할 수 있다.가장 큰 중수로 비행대를 보유한 두 나라인 인도와 캐나다는 모두 감속재/냉각재 중수에서 삼중수소를 추출하는 것으로 알려져 있지만, 그러한 양은 삼중수소나 헬륨-3의 전지구적 수요를 충족시키기에 충분하지 않다.

삼중수소는 경수로의 다양한 과정에서도 우발적으로 생성되기 때문에(자세한 내용은 삼중수소에 대한 기사 참조), 그러한 선원에서 추출한 것이 헬륨-3의 또 다른 선원이 될 수 있다.그러나, 라 헤이그 재처리 시설의 연간 삼중수소 배출량(2018년 수치 기준)을 기준으로 삼는다면, 100% 회수가 달성되더라도 배출량(31.2그램 (1.10온스))은 수요를 충족시키기에 거의 충분하지 않다.

핵[35] 시설에서 삼중수소의 연간 배출량
위치 원자력 시설 가장 가까운
물		 액체.
(TBq)		 스팀
(TBq)		 총
(TBq)		 총
(mg)		 연도
영국 하이샴 원자력 발전소 B 아일랜드 해 396 2.1 398 1,115 2019
영국 셀라필드 재처리 시설 아일랜드 해 423 56 479 1,342 2019
루마니아 서나보더 원자력 발전소 1호기 흑해 140 152 292 872 2018
프랑스. 라 헤이그 재처리 공장 영어 채널 11,400 60 11,460 32,100 2018
대한민국. 월성원전 등 Sea of Japan 211 154 365 1,022 2020년[36]
대만 마안산 원자력 발전소 루손 해협 35 9.4 44 123 2015
중국 푸칭 원자력 발전소 타이완 해협 52 0.8 52 146 2020
중국 산먼 원자력 발전소 East China Sea 20 0.4 20 56 2020
캐나다 브루스 원자력발전소 A, B 오대호 756 994 1,750 4,901 2018
캐나다 달링턴 원자력 발전소 오대호 220 210 430 1,204 2018
캐나다 피커링 원자력 발전소 1-4호기 오대호 140 300 440 1,232 2015
미국 디아블로 캐니언 발전소 1, 2호기 태평양 82 2.7 84 235 2019

사용하다

중성자 검출

헬륨-3은 중성자 검출을 위한 계측기의 중요한 동위원소이다.열 중성자 빔의 흡수 단면이 높고 중성자 검출기의 변환 가스로 사용된다.중성자는 핵반응을 통해 변환된다.

n + He → H + H + 0.764 MeV

하전 입자 삼중수소 이온(T, H)과 수소 이온, 또는 양성자(p, H)로 변환되며, 비례 계수기 또는 가이거-뮐러 [37]튜브의 정지 가스에 전하 구름을 만들어 검출된다.

또한 흡수 과정은 스핀 의존성이 강하기 때문에 스핀 편광 헬륨-3 부피가 한쪽 스핀 성분으로 중성자를 전달하면서 다른 한쪽 스핀 성분을 흡수할 수 있다.이 효과는 물질의 [38][39][40][41]자기 특성을 조사하는 기술인 중성자 편파 분석에 사용된다.

미 국토안보부는 수송용 컨테이너에서 밀반입된 플루토늄을 중성자 방출로 탐지하기 위해 검출기를 배치하기를 희망했지만 냉전 이후 핵무기 생산 감소에 따른 전 세계적인 헬륨-3 부족이 [42]이를 어느 정도 막았다.2012년 현재 DHS는 붕소-10의 상용 공급이 중성자 검출 인프라를 해당 [43]기술로 전환하는 것을 지원할 것이라고 결정했다.

저온학

헬륨-3의 위상도

헬륨-3 냉장고는 헬륨-3를 사용하여 0.2~0.3 켈빈의 온도를 달성합니다.희석냉장고는 헬륨-3와 헬륨-4의 혼합물을 사용하여 수천분의 1 켈빈의 [44]저온에 도달한다.

일반적인 헬륨-4와 구별되는 헬륨-3의 중요한 특성은 핵이 홀수 수의 스핀 1⁄2 입자를 포함하고 있기 때문에 페르미온이라는 것이다.헬륨-4 핵은 1⁄2의 짝수 스핀 입자를 포함하는 보손입니다.이것은 양자화된 각 운동량에 대한 추가 규칙의 직접적인 결과입니다.낮은 온도(약 2.17 K)에서 헬륨-4는 상전이를 겪습니다: 헬륨-4의 일부는 Bose-Ainstein 응축수의 한 종류로 대략 이해할 수 있는 초유체 단계로 들어갑니다.이러한 메커니즘은 페르미온인 헬륨-3 원자에는 사용할 수 없습니다.하지만, 만약 원자들이 BCS 초전도 이론에서 쿠퍼 쌍과 유사한 쌍으로 형성된다면 헬륨-3도 훨씬 낮은 온도에서 초유체가 될 수 있다는 추측이 널리 제기되었다.정수 스핀을 갖는 각 쿠퍼 쌍은 보손이라고 생각할 수 있습니다.1970년대에 데이비드 리, 더글라스 오쉐로프, 로버트 콜먼 리처드슨은 용해 곡선을 따라 두 개의 상전이를 발견했는데, 이는 곧 헬륨-3의 [45][46]두 개의 초유체상으로 밝혀졌다.초유체로의 이행은 용융곡선의 2.491밀리켈빈에서 발생합니다.그들은 그들의 발견으로 1996년 노벨 물리학상을 받았다.Alexei Abrikosov, Vitaly Ginzburg, 그리고 Tony Legett은 [47]헬륨-3의 초유체상에 대한 이해를 정교하게 한 연구로 2003년 노벨 물리학상을 수상했다.

제로 자기장에서는 He의 두 가지 뚜렷한 초유체상, A상과 B상이 있습니다.B상은 등방성 에너지 갭이 있는 저온 저압상입니다.A상은 자기장에 의해 더욱 안정화되고 갭에 두 개의 점 노드가 있는 고온, 고압 위상입니다.2상의 존재는 2상의 존재는 게이지 대칭이 아닌 추가적인 대칭을 깨야 하기 때문에 그가 기존의 초유체(슈퍼컨덕터)임을 분명히 나타낸다.실제로 스핀 1 S=1, 각운동량 1 L=1의 p파 초유체이다.접지 상태는 총 각운동량 0, J=S+L=0(최소 가산)에 해당합니다.들뜸 상태는 들뜸 쌍 집합 모드인 0이 아닌 총각 운동량 J>0으로 가능하다.초유체 He(He를 제외한 모든 물질이 응고되어 액체의 바닥으로 가라앉았기 때문에, 그리고 He가 완전히 분리된 모든 상은 가장 순수한 응집 물질 상태)의 극한 순도 때문에, 이러한 집합적 모드는 다른 어떤 비전통적인 쌍체 시스템보다 훨씬 더 정밀하게 연구되어 왔다.

의료 영상

헬륨-3 핵은 1⁄2의 고유 핵 스핀과 상대적으로 높은 자기장 비율을 가지고 있다.헬륨-3은 스핀 교환 [48]광펌핑과 같은 비평형 수단을 사용하여 과분극될 수 있습니다.이 과정에서 적절한 파장으로 조정된 원편광 적외선 레이저광을 이용해 밀폐된 유리용기 내의 세슘이나 루비듐 등의 알칼리 금속 내의 전자를 들뜨게 한다.각 운동량은 충돌을 통해 알칼리 금속 전자에서 귀금속 핵으로 전달됩니다.본질적으로 이 과정은 NMR 신호를 강화하기 위해 핵 스핀과 자기장을 효과적으로 정렬시킨다.과분극 가스는 최대 100시간 동안 10atm의 압력으로 저장될 수 있다.흡입 후 MRI 스캐너로 과분극 헬륨-3 가스를 포함한 가스 혼합물을 촬영하여 폐환기의 해부학적 및 기능적 이미지를 생성할 수 있습니다.또한 이 기술은 기도 나무의 이미지를 생성하고, 통풍이 되지 않는 결함을 찾아내고, 폐포 산소 부분 압력을 측정하고, 환기/유출 비율을 측정할 수 있습니다.이 기술은 만성폐쇄성폐질환(COPD), 폐기종, 낭포성섬유증, [49]천식과 같은 만성호흡기질환의 진단 및 치료관리에 매우 중요할 수 있습니다.

토카막 플라즈마 실험용 무선 에너지 흡수체

MIT의 Alcator C-Mod Tokamak과 공동 유럽 토러스(JET)는 모두 H-D 플라즈마에 약간의 He-3를 첨가하여 H&D 이온을 가열하는 "3이온"[50][51] 효과인 무선 주파수(RF) 에너지 흡수를 증가시키는 실험을 했습니다.

핵연료

다음 항목도 참조하십시오.아뉴트로닉 융합
반응별[52][53][54][55][56] 중성자율 비교
반응물 상품들 Q n/MeV
제1세대 핵융합 연료
2D + 2D → 3He + 1
0n
 3.268 MeV 0.306
2D + 2D → 3T + 1
1p
 4.032 MeV 0
2D + 3T → 4He + 1
0n
 17.571 MeV 0.057
2세대 핵융합 연료
2D + 3He → 4He + 1
1p
 18.354 MeV 0
제3세대 핵융합 연료
3He + 3He → 4그 + 오후 2시
 12.86 MeV 0
11B + 1
1p
 → 3 4He 8.68 MeV 0
D 연소 순 결과
(처음 4행의 합계)
6D → 2(4He + n + p) 43.225 MeV 0.046
현재 핵연료
235U + n → 2 FP + 2.5n 최대 200MeV 0.0075

그는 (D-p)2H + p → He + δ + 4.98 MeV의 저온 융접에 의해 생성될 수 3있다.핵융합 온도가 헬륨핵이 융합할 수 있는 온도보다 낮으면 반응으로 고에너지 알파 입자가 생성되고, 이 입자는 위험한 중성자를 생성하지 않고 전기로서 직접 이용할 수 있는 안정적인 가벼운 헬륨 이온을 생성하는 전자를 빠르게 획득한다.

융접반응속도는 온도에 따라 최대가 될 때까지 빠르게 증가하다가 점차 감소한다.DT 속도는 낮은 온도(약 70 keV 또는 8억 켈빈)에서, 그리고 핵융합 에너지에 대해 일반적으로 고려되는 다른 반응보다 높은 값으로 피크를 이룬다.

3H + He → He4 + p + 18.3 반응 중 하나로 핵융합 반응에 사용할 수 있다.MeV 또는 He + He → He4 + 2 p + 12.86 MeV.

기존의 중수소 + 삼중수소("D-T") 융합 프로세스는 활성화 생성물로 원자로 구성 요소를 방사능으로 만드는 에너지 중성자를 생성한다.헬륨-3 융합의 매력은 반응 생성물의 아뉴트로닉 특성에서 비롯됩니다.헬륨-3 자체는 비방사성이다.유일한 고에너지 부산물인 양성자는 전기장과 자기장에 의해 억제될 수 있다.(융합 과정에서 생성된) 이 양성자의 운동량 에너지는 포함된 전자기장과 상호작용하여 직접 [57]순 전기를 발생시킵니다.

쿨롱 장벽이 높기 때문에 H + He 융접에 필요한 온도는 기존 D-T 융접에 비해 훨씬 높습니다.또한 융합을 위해서는 두 반응물이 혼합되어야 하므로 동일한 반응물의 핵간 반응이 일어나며 D-D 반응(2H + H)은 중성자를 생성한다.반응속도는 온도에 따라 다르지만 D-He3 반응속도는 D-D 반응속도의 3.56배를 넘지 않는다(그래프 참조).따라서 적절한 온도에서 D-He3 연료를 사용하고 D-lean 연료 혼합물을 사용하는 융접은 D-T 융접보다 훨씬 낮은 중성자속을 생성할 수 있지만 깨끗하지 않아 주요 흡인력을 일부 상쇄한다.

He와 He를 융합하는 3두 번째 가능성은 (He + He) 더 높은 온도를 요구하기 때문에 (현재 두 반응물 모두 +2 전하를 가지고 있기 때문에) D-He3 반응보다 더 어렵다.하지만, 중성자를 생성하지 않는 가능한 반응을 제공합니다; 생성된 하전 양성자는 전기장과 자기장을 사용하여 억제될 수 있으며, 이는 결국 직접 전기를 발생시킵니다.3He + He 핵융합은 실험실에서 입증되었듯이 실현 가능하고 엄청난 이점을 가지고 있지만,[58] 상업적인 생존 가능성은 앞으로 몇 년 동안 지속될 것입니다.

기존 연료를 대체하기 위해 필요한 헬륨-3의 양은 현재 사용 가능한 양에 비해 상당히 많습니다.D + He 반응에서 생성되는 에너지의 총량은 18.4MeV이며, 이는 He 3그램(1몰)당 약 493메가와트시(4.93×10W8·h)에 해당한다.에너지 총량을 100% 효율(물리적 불가능)으로 전력으로 변환할 수 있다면 He 몰당 기가와트 발전소의 출력 약 30분에 해당한다.따라서 1년 생산량(작업시간당 6g)은 52.5kg의 헬륨-3을 필요로 한다.대규모 애플리케이션에 필요한 연료의 양은 총 소비량으로도 나타낼 수 있습니다. 2001년 미국의[59] 1억 7백만 가구가 소비한 전력은 총 11억 4천만 kW/h(1.14×1015 W/h)입니다.다시 100% 변환 효율성을 가정할 때, 보다 현실적인 종단 간 변환 [citation needed]효율성을 고려할 때, 미국 에너지 수요의 해당 부분에 연간 6.7톤의 헬륨-3이 필요합니다.

제어된 핵융합 전력에 대한 2세대 접근법은 헬륨-3와 중수소 D를 결합하는 것이다.이 반응은 헬륨-4 이온(4He)과 고에너지 양성자(양전하 수소 이온)를 생성한다.전력 생산 및 기타 응용 분야에서 이 핵융합 반응의 가장 중요한 잠재적 이점은 연료 이온 및 핵융합 양성자를 제어하기 위한 정전장 사용과의 호환성에 있습니다.양전하를 띤 입자인 고속 양성자는 고체 변환 물질 및 다른 기술을 사용하여 운동 에너지를 전기로 직접 변환할 수 있습니다.터빈 전기 [citation needed]발전기를 구동하기 위해 양성자 에너지를 열로 변환할 필요가 없기 때문에 70%의 잠재적 변환 효율이 가능할 수 있습니다.

헬륨-3 발전소의 능력에 대해서는 많은 주장이 있어 왔다.찬성론자에 따르면 중수소와 헬륨-3로 가동되는 핵융합 발전소는 기술적 복잡성이 적고, 변환 효율이 높으며, 크기가 작으며, 방사성 연료의 부재, 대기 또는 수질 오염이 없으며, 저준위 방사성 폐기물 처리 요건만 있기 때문에 경쟁사보다 자본 및 운영 비용이 낮아질 수 있다.최근의 추정에 따르면 최초의 헬륨-3 핵융합 발전소를 개발하고 건설하기 위해서는 약 60억 달러의 투자 자본이 필요할 것으로 보인다.현재의 도매 전기 가격(킬로와트시당 5달러)에서도 5기의 1기가와트 발전소가 가동되어 오래된 재래식 발전소를 교체하거나 새로운 [60]수요를 충족시킨 후 재정적 손실이 발생할 수 있다.

현실은 그렇게 명확하지 않다.세계에서 가장 진보된 핵융합 프로그램은 관성 핵융합(예: 국립 점화 시설)과 자기 핵융합(예: ITER 및 Wendelstein 7-X)입니다.전자의 경우 확실한 발전 로드맵이 없다.후자의 경우 [61]2050년경에나 상용발전이 가능할 것으로 예상된다.두 경우 모두, 논의된 핵융합 유형은 가장 단순합니다. 바로 D-T 핵융합입니다.그 이유는 이 반응에 대한 쿨롱 장벽이 매우 낮기 때문이다; D+3He의 경우 장벽이 훨씬 높고 3He-He의 경우 더 높다.ITER와 국립 점화 시설과 같은 원자로의 엄청난 비용은 그 엄청난 크기 때문이다. 그러나 플라즈마 온도를 높이려면 훨씬 더 큰 원자로가 필요할 것이다.D-He 3융합의 14.7MeV 양성자와 3.6MeV 알파 입자에 변환 효율이 더 높기 때문에 D-T 융합(17.6MeV)보다 kg당 더 많은 전기를 얻을 수 있지만 그 이상은 아니다.또 다른 단점으로, 헬륨-3 핵융합 반응의 반응 속도가 특별히 높지 않기 때문에 동일한 양의 전기를 생산하기 위해서는 더 큰 원자로가 필요하다.

훨씬 더 어려운 D-He 핵융합은 말할 것도 없고,3 D-T 핵융합으로도 경제적이지 않을 수 있는 대규모 발전소의 문제를 해결하기 위해, 퓨소, 폴리웰, 포커스 핵융합 등 많은 다른 원자로가 제안되었다. 그러나 이러한 개념의 대부분은 순 에너지 달성에 근본적인 문제가 있다.일반적으로 열적 불균형에서 핵융합이 [62]불가능할 가능성이 있는 것을 획득하고 이를 달성하려고 시도하며, 결과적으로 이러한 장기간의 프로그램은 적은 예산에도 불구하고 자금을 모으는 데 어려움을 겪는 경향이 있습니다.그러나 "큰" "뜨거운" 핵융합 시스템과 달리, 그러한 시스템이 작동한다면, 더 높은 장벽인 "아뉴트로닉" 연료로 확장될 수 있기 때문에, 그 지지자들은 헬륨-3과 같은 이국적인 연료가 필요하지 않은 p-B 핵융합을 촉진하는 경향이 있다.

외계 채굴

달 표면

상세 정보:달 자원 helium 헬륨-3

달 표면의 물질들은 [63][64]햇빛이 비치는 영역의 1.4에서 15ppb 사이의 농도로 헬륨-3를 함유하고 있으며, 영구 그늘진 영역의 [7]농도는 50ppb까지 포함할 수 있다.1986년 [65]제럴드 쿨신스키를 시작으로 많은 사람들이 달을 탐사하고 달의 레골리스를 채굴하며 헬륨-3를 핵융합에 사용할 것을 제안했다.헬륨-3의 농도가 낮기 때문에 어떤 채굴 장비라도 엄청난 양의 레골리스(헬륨-3 [66]1g을 얻기 위해 150톤 이상의 레골리스)를 처리해야 하며, 일부 제안에서는 헬륨-3 추출을 대규모 채굴 및 개발 작업에 [citation needed]지원해야 한다고 제안했습니다.

2008년 10월 22일 발사된 인도우주연구기구의 첫 달 탐사선 찬드라얀 1호의 주요 목표는 헬륨 3이 함유된 [67]광물을 달 표면에 매핑하는 것으로 보고되었다.그러나, 이 프로젝트의 공식 목표 목록에는 그러한 목표가 언급되어 있지 않지만, 그것의 과학적 탑재물 중 많은 부분이 헬륨-3 관련 [68][69]응용에 주목하고 있다.

현재 중국 달 탐사 프로그램을 책임지고 있는 중국 과학원의 우주 화학자이자 지구 화학자인 오우양쯔위안은 이미 여러 차례 이 프로그램의 주요 목표 중 하나는 헬륨-3의 채굴이 될 것이라고 말했다. 헬륨-3은 "매년 세 번의 우주 왕복선 임무로 모든 웅성거림에 충분한 연료를 공급할 수 있다.전 [70]세계에 존재하는 존재"라고 말했다.

2006년 1월, 러시아 우주 회사인 RKK Energiya는 만약 자금이 [72][73]발견될 수 있다면,[71] 달 헬륨-3를 2020년까지 채굴할 수 있는 잠재적 경제 자원으로 간주한다고 발표했다.

모든 작가들이 달 헬륨-3의 추출이 가능하다고 느끼거나 심지어 핵융합에 대한 수요가 있을 것이라고 생각하는 것은 아니다.2015년 The Space Review에 기고한 Dwayne Day는 달에서 헬륨 3 추출(융합에 사용)을 마법/종교적 사고라고 특징짓고 [74]지구에서의 생산과 비교하여 달 추출의 실현 가능성에 의문을 제기합니다.

다른 행성들

헬륨-3를 위한 거대 광산 가스도 [75]제안되었다.예를 들어, 영국 행성간 협회의 가설적인 프로젝트 다이달로스 성간 탐사선 디자인은 목성 대기 중의 헬륨-3 광산에 의해 추진되었다.그러나 목성의 높은 중력은 태양계의 다른 가스 행성에서 헬륨-3를 추출하는 것보다 에너지적으로 덜 유리한 작업이다.

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참고 문헌

외부 링크


경량화:
다이프로톤 		헬륨-3은
헬륨 동위원소 		중량:
헬륨-4
붕괴 생성물:
리튬-4(p)
수소-3(β-) 		붕괴사슬
헬륨-3의		 데코:
안정적인.