Hélio-3 - Helium-3

Hélio-3,  3 He
Helium3.svg
Em geral
Símbolo 3 ele
Nomes hélio-3, He-3, triálfio (obsoleto)
Prótons 2
Nêutrons 1
Dados de nuclídeos
Abundância natural 0,000137% (% He na Terra)
0,001% (% He no Sistema Solar)
Meia-vida estábulo
Isótopos pais 3 H  ( decaimento beta de trítio)
Massa isotópica 3.0160293 u
Rodar 12
Isótopos de hélio
Tabela completa de nuclídeos

O hélio-3 ( 3 He ver também o hélio ) é um isótopo leve e estável do hélio com dois prótons e um nêutron (o isótopo mais comum, o hélio-4 , tendo dois prótons e dois nêutrons em contraste). 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 sideral ao longo de milhões de anos. O hélio-3 também é considerado 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 os raios cósmicos . Parte do hélio-3 encontrado na atmosfera terrestre também é um artefato de teste de armas nucleares atmosféricas e subaquáticas .

Muita especulação tem sido feita sobre a possibilidade do hélio-3 como uma futura fonte de energia . Ao contrário da maioria das reações de fissão 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 fariam com que o material circundante se tornasse radioativo.

Acredita-se que a abundância de hélio-3 seja maior na Lua do que na Terra, tendo sido embutida na camada superior do regolito pelo vento solar por bilhões de anos, embora ainda seja menor em abundância do que nos gigantes gasosos do Sistema Solar .

História

A existência do hélio-3 foi proposta pela primeira vez em 1934 pelo físico nuclear australiano Mark Oliphant, enquanto ele trabalhava no Laboratório Cavendish da Universidade de Cambridge . Oliphant havia realizado experimentos em que deuterons rápidos colidiram com alvos deuterons (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. O hélio-3 era considerado um isótopo radioativo até que também foi encontrado em amostras de hélio natural, que é principalmente hélio-4 , retirado tanto do solo terrestre atmosfera e de poços de gás natural .

Propriedades físicas

Por causa de sua baixa massa atômica de 3,02 unidades de massa atômica , o hélio-3 tem algumas propriedades físicas diferentes daquelas do hélio-4, com uma massa de 4,00 unidades de massa atômica. 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 maior 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 geral 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 em seu 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 0,0829 kJ / mol de hélio-4.

Abundância natural

Abundância terrestre

3 Ele é uma substância primordial do manto da Terra , considerada como tendo ficado presa na Terra durante a formação planetária. A proporção de 3 He para 4 He dentro da crosta e manto da Terra é menor do que para as suposições da composição do disco solar obtida a partir de amostras de meteoritos e lunares, com materiais terrestres geralmente contendo razões mais baixas de 3 He / 4 He devido ao crescimento interno de 4 He da decadência radioativa.

3 Ele tem uma proporção cosmológica de 300 átomos por milhão de átomos de 4 He (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. Muito 4 He foi gerado pela decomposição de partículas alfa de urânio e tório, e agora o manto tem apenas cerca de 7% de hélio primordial, baixando a razão 3 He / 4 He total para cerca de 20 ppm. Razões de 3 He / 4 He em excesso da atmosférica são indicativas de uma contribuição de 3 He do manto. As fontes crustais são dominadas pelo 4 He que é produzido pela decomposição de elementos radioativos na crosta e no manto.

A proporção de hélio-3 para hélio-4 em fontes naturais ligadas à Terra varia muito. Amostras de espodumênio de minério de lítio de Edison Mine, Dakota do Sul, foram encontradas contendo 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 as grandes fontes têm mais de 0,5% (acima de 0,2% torna a extração viável). A fração de 3 He no hélio separado do gás natural nos Estados Unidos foi encontrada na faixa de 70 a 242 partes por bilhão. Por isso, o arsenal de um bilião m normais US 2002 3 conteria cerca de 12 a 43 quilogramas de hélio-3. De acordo com o físico americano Richard Garwin , cerca de 26 m 3 ou quase 5 kg de 3 He está disponível anualmente para separação do fluxo de gás natural dos Estados Unidos. Se o processo de separação do 3 He pudesse empregar como matéria-prima o hélio liquefeito normalmente usado para transportar e armazenar grandes quantidades, as estimativas para o custo incremental de energia variam de US $ 34 a $ 300 por litro de NTP, excluindo o custo de infraestrutura e equipamento. Presume-se que a produção anual de gás da Argélia contenha 100 milhões de metros cúbicos normais e isso conteria entre 7 e 24 m 3 de hélio-3 (cerca de 1 a 4 quilogramas), assumindo uma fração semelhante de 3 He.

3 Ele também está presente na atmosfera da Terra . A abundância natural de 3 He no gás hélio que ocorre naturalmente é de 1,38 × 10 - 6 (1,38 partes por milhão). A pressão parcial do hélio na atmosfera terrestre é de cerca de 0,52 Pa e, portanto, o hélio é responsável por 5,2 partes por milhão da pressão total (101325 Pa) na atmosfera terrestre e, portanto , 3 He é responsável por 7,2 partes por trilhão da atmosfera. Como a atmosfera da Terra tem uma massa de cerca de 5,14 × 10 15 toneladas, a massa de 3 He na atmosfera terrestre é o produto desses números, ou cerca de 37.000 toneladas de 3 He. (Na verdade, o número efetivo é dez vezes menor, uma vez que 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 de hélio-3 na atmosfera terrestre.)

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

A quantidade total de hélio-3 no manto pode estar na faixa de 0,1-1 milhão de toneladas . No entanto, a maior parte do manto não é diretamente acessível. Alguns hélio-3 vazamentos para cima através de profundas-sourced hotspot vulcões como os das ilhas havaianas , mas apenas 300 gramas por ano é emitido para a atmosfera. As dorsais meso-oceânicas emitem outros 3 quilos por ano. 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 terrestre dos Estados Unidos podem ter apenas meia tonelada total. Wittenberg citou a estimativa de Anderson de outras 1200 toneladas métricas de partículas de poeira interplanetária no fundo do oceano. No estudo de 1994, extrair hélio-3 dessas fontes consome mais energia do que a fusão liberaria.

Superfície lunar

Veja mineração extraterrestre

Abundância da nebulosa solar (primordial)

Uma estimativa inicial da proporção primordial de 3 He para 4 He na nebulosa solar tem sido a medição de sua proporção na atmosfera de Júpiter, medida pelo espectrômetro de massa da sonda Galileo de entrada atmosférica. Essa proporção é de cerca de 1: 10.000, ou 100 partes de 3 He por milhão de partes de 4 He. Esta é aproximadamente a mesma proporção dos isótopos do regolito lunar, que contém 28 ppm de hélio-4 e 2,8 ppb de hélio-3 (que está na extremidade inferior das medições reais da amostra, 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 e tório .

Produção humana

Decadência do trítio

Praticamente todo o hélio-3 usado na indústria hoje é produzido a partir da decomposição radioativa do trítio , dada sua baixíssima abundância natural e seu alto custo.

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

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

3
1
H
 
→  3
2
Ele1+
 

e-
 

ν
e

Dentre a energia total liberada de 18,6 keV, a parte tomada pela energia cinética do elétron varia, com média de 5,7 keV, enquanto a energia restante é transportada pelo quase indetectável antineutrino do elétron . As partículas beta do trítio podem penetrar apenas cerca de 6,0 mm de ar e são incapazes de passar pela camada externa morta da pele humana. A energia excepcionalmente baixa liberada no decaimento beta do trítio torna o decaimento (junto com o do rênio-187 ) apropriado para medições de massa absoluta de neutrino em laboratório (o experimento mais recente é o KATRIN ).

A baixa energia da radiação do trítio torna difícil detectar compostos marcados com trítio, exceto pelo uso da contagem de cintilação líquida .

O trítio é um isótopo radioativo de hidrogênio e é normalmente produzido pelo bombardeio 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 meia-vida de 12,3 anos; portanto, o hélio-3 pode ser produzido simplesmente armazenando o trítio até que ele sofra decomposição radioativa.

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

Por décadas, esta foi, e continua sendo, a principal fonte mundial de hélio-3. No entanto, desde a assinatura do Tratado START I em 1991, o número de ogivas nucleares que são mantidas prontas para uso diminuiu. Isso reduziu a quantidade de hélio-3 disponível dessa fonte. Os estoques de hélio-3 foram ainda mais reduzidos pelo aumento da demanda, principalmente para uso em detectores de radiação de nêutrons e procedimentos de diagnóstico médico. A demanda industrial americana por hélio-3 atingiu um pico de 70.000 litros (aproximadamente 8 kg) por ano em 2008. O preço no leilão, historicamente em torno de US $ 100 / litro, chegou a US $ 2.000 / litro. Desde então, a demanda por hélio-3 diminuiu para cerca de 6.000 litros por ano devido ao alto custo e aos esforços do DOE para reciclá-lo e encontrar substitutos.

O DOE reconheceu a falta de desenvolvimento de ambos trítio e hélio-3, e começou a produzir trítio por irradiação de lítio no Tennessee Valley Authority 's Watts estação geradora Bar nuclear em 2010. Neste processo, as hastes de absorção incinerável produtoras de trítio (TPBARs) contendo lítio em uma forma de cerâmica são inseridos no reator no lugar das hastes normais de controle de boro. Periodicamente, os TPBARs são substituídos e o trítio é extraído.

Atualmente, apenas dois reatores nucleares comerciais (unidades de usinas nucleares de Watts Bar 1 e 2) 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 reatores de energia do país. Quantidades substanciais de trítio e hélio-3 também podem ser extraídas do moderador de água pesada nos reatores nucleares CANDU .

Usos

Detecção de nêutrons

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

n + 3 He → 3 H + 1 H + 0,764 MeV

em partículas carregadas, íons de trítio (T, 3 H) e íons de hidrogênio , ou prótons (p, 1 H), que então são detectados pela criação de uma nuvem de carga no gás de parada de um contador proporcional ou tubo Geiger-Müller .

Além disso, o processo de absorção é fortemente dependente do spin , o que permite que um volume de hélio-3 com polarização de 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 , em certa medida, evitou isso. Em 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

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 partículas de spin 12 . Os núcleos de hélio-4 são bósons , contendo um número par de partículas de spin 12 . 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 sofre uma transição de fase : uma fração dele entra em uma fase de superfluido que pode ser aproximadamente entendida como um tipo de condensado de Bose-Einstein . Esse mecanismo não está disponível para átomos de hélio-3, que são férmions. No entanto, foi amplamente especulado 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 de supercondutividade . Cada par de Cooper, com spin inteiro, pode ser considerado 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 3 He, 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 fase de temperatura e pressão mais alta que é posteriormente estabilizada por um campo magnético e tem dois nós de ponto em sua lacuna. A presença de duas fases é uma indicação clara de que 3 He é um superfluido não convencional (supercondutor), uma vez que 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 (adição do vetor). 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 3 He (uma vez que todos os materiais, exceto 4 He, se solidificaram e afundaram no fundo do líquido 3 He e qualquer 4 He tem fase inteiramente separada, este é o estado de matéria condensada mais puro), esses modos coletivos foram estudados com uma precisão muito maior do que em qualquer outro sistema de emparelhamento não convencional.

Imagens médicas

Os núcleos de hélio-3 têm um spin nuclear intrínseco de 12 e uma razão magnetogírica relativamente alta . O hélio-3 pode ser hiperpolarizado usando meios de não equilíbrio, como bombeamento ótico de troca de spin. Durante este processo, luz laser infravermelha circularmente polarizada , 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 de metal alcalino para os núcleos de gás nobre por meio de colisões. Em essência, esse processo alinha efetivamente os spins nucleares com o campo magnético, a fim de 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 das vias aéreas, localizar defeitos não ventilados, medir a pressão parcial de oxigênio alveolar e medir a relação ventilação / perfusão . Essa 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 HD para aumentar a absorção de energia de radiofrequência (RF) para aquecer os íons H & D, um " efeito de três íons ".

Combustível nuclear

Comparação de neutronicidade para diferentes reações
Reagentes Produtos Q n / MeV
Combustíveis de fusão de primeira geração
2 D + 2 D 3 He +1
0
n
3,268 MeV 0,306
2 D + 2 D 3 T +1
1
p
4.032 MeV 0
2 D + 3 T 4 He +1
0
n
17.571 MeV 0,057
Combustível de fusão de segunda geração
2 D + 3 He 4 He +1
1
p
18,354 MeV 0
Combustíveis de fusão de terceira geração
3 He + 3 He 4 He + 21
1
p
12,86 MeV 0
11 B +1
1
p
3 4 He 8,68 MeV 0
Resultado líquido da queima D (soma das 4 primeiras linhas)
6 D 2 ( 4 He + n + p) 43,225 MeV 0,046
Combustível nuclear atual
235 U + n 2 FP + 2,5n ~ 200 MeV 0,0075

3 Ele pode ser produzido pela fusão a baixa temperatura de (Dp)2 H + 1 p3 He + γ + 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 e estável que pode ser utilizado diretamente como uma fonte de eletricidade sem produzir nêutrons perigosos.

A taxa de reação de fusão aumenta rapidamente com a temperatura até que se maximize e então diminua gradualmente. A taxa de DT atinge o pico em uma temperatura mais baixa (cerca de 70 keV, ou 800 milhões de kelvins) e em um valor mais alto do que outras reações comumente consideradas para energia de fusão.

3 He pode ser usado em reações de fusão por qualquer uma das reações 2 H + 3 He4 He + 1 p + 18,3 MeV , ou 3 He + 3 He4 He + 2 1 p + 12,86 MeV.

O processo convencional de fusão de deutério + trítio ("DT") produz nêutrons energéticos que tornam os componentes do reator radioativos com produtos de ativação . O apelo da fusão de 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 usando campos elétricos e magnéticos. A energia momentum deste próton (criado no processo de fusão) irá interagir com o campo eletromagnético que o contém, resultando na geração de eletricidade líquida direta.

Por causa da barreira de Coulomb mais alta , as temperaturas necessárias para a fusão 2 H + 3 He são muito mais altas do que aquelas da fusão DT convencional . Além disso, uma vez que os dois reagentes precisam ser misturados para se fundir, ocorrerão reações entre os núcleos do mesmo reagente e a reação DD ( 2 H + 2 H ) produzirá um nêutron . As taxas de reação variam com a temperatura, mas a taxa de reação D- 3 He nunca é maior do que 3,56 vezes a taxa de reação DD (ver gráfico). Portanto, a fusão usando combustível D- 3 He na temperatura certa e uma mistura de combustível D-pobre pode produzir um fluxo de nêutrons muito menor do que a fusão DT, mas não é limpa, anulando alguns de seus principais atrativos.

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

As quantidades de hélio-3 necessárias como substituto dos combustíveis convencionais são substanciais em comparação com as quantidades atualmente disponíveis. A quantidade total de energia produzida na reação 2 D  +  3 He é 18,4 M eV , o que corresponde a cerca de 493 megawatts-hora (4,93 × 10 8 W · h) por três gramas (um mol ) de 3 He . 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 3 He . Portanto, a produção de um ano (6 gramas para cada hora de operação) exigiria 52,5 kg de hélio-3. A quantidade de combustível necessária para aplicações em grande escala também pode ser colocada em termos de consumo total: o consumo de eletricidade de 107 milhões de residências nos Estados Unidos em 2001 totalizou 1.140 bilhões de kW · h (1,14 × 10 15 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 ponta a ponta mais realista.

Uma abordagem de segunda geração para energia de fusão controlada envolve a combinação de hélio-3 e deutério ( 2 D ). Esta reação produz um íon hélio-4 ( 4 He ) (como uma partícula alfa , mas de origem diferente) e um próton de alta energia (íon de hidrogênio carregado positivamente). A vantagem potencial mais importante desta reação de fusão para produção de energia, bem como outras aplicações, reside em sua compatibilidade com o uso de campos eletrostáticos para controlar íons de combustível e prótons de fusão. Os 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 no estado sólido, entre outras técnicas. Potenciais eficiências de conversão de 70% podem ser possíveis, pois não há necessidade de converter a energia de prótons em calor para acionar um gerador elétrico movido a turbina .

Tem havido muitas afirmações 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 da eletricidade no atacado (5 centavos de dólar por quilowatt-hora ) ocorreria depois que cinco usinas de 1 gigawatt estivessem em linha, 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 fusão por confinamento inercial (como National Ignition Facility ) e fusão por confinamento magnético (como ITER e Wendelstein 7-X ). No caso do primeiro, não há um roteiro sólido para a geração de energia. No caso deste último, a geração de energia comercial não é esperada até por volta de 2050. Em ambos os casos, o tipo de fusão discutido é o mais simples: fusão DT. A razão para isso é a barreira de Coulomb muito baixa para essa reação; para D + 3 He, a barreira é muito maior, e é ainda maior para 3 He– 3 He. O imenso custo de reatores como o ITER e a National Ignition Facility deve- se em grande parte ao seu imenso tamanho; no entanto, para aumentar as temperaturas de plasma mais altas seriam necessários reatores muito maiores. O próton de 14,7 MeV e a partícula alfa de 3,6 MeV da fusão D– 3 He, mais a maior eficiência de conversão, significa que mais eletricidade é obtida por quilograma do que com a fusão DT (17,6 MeV), mas não muito mais. Como outra desvantagem, as taxas de reação para reações de fusão de hélio-3 não são particularmente altas, exigindo um reator que é ainda maior ou mais reatores para produzir a mesma quantidade de eletricidade.

Para tentar contornar este problema de usinas de energia massivamente grandes que podem nem mesmo ser econômicas com a fusão DT, muito menos a fusão D– 3 He muito mais desafiadora , vários outros reatores foram propostos - o Fusor , Polywell , fusão Focus , e muitos mais, embora muitos desses conceitos tenham problemas fundamentais com a obtenção de um ganho líquido de energia e, geralmente, tentem atingir a fusão em desequilíbrio térmico, algo que poderia se provar potencialmente impossível e, conseqüentemente, esses programas de longo alcance tendem a ter problemas para obter financiamento, apesar de seus baixos orçamentos. Ao contrário dos sistemas de fusão "grandes" e "quentes", no entanto, se tais sistemas funcionassem, eles poderiam escalar para os combustíveis " aneutrônicos " de barreira mais alta e, portanto, seus proponentes tendem a promover a fusão pB , que não requer combustíveis exóticos como hélio-3.

Mineração extraterrestre

Superfície lunar

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 a fusão . Por causa das 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), e algumas propostas sugeriram que a extração de hélio-3 fosse adicionada às cavalitas para uma operação maior de mineração e desenvolvimento.

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

O cosmoquímico e geoquímico Ouyang Ziyuan, da Academia Chinesa de Ciências, agora responsável pelo Programa de Exploração Lunar Chinês , já afirmou em diversas 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 podem 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 recurso econômico potencial a ser explorado até 2020, se houver financiamento.

Nem todos os escritores acham que a extração do hélio lunar-3 é viável, ou mesmo que haverá uma demanda por ele para fusão. Dwayne Day , escrevendo na The Space Review em 2015, caracteriza a extração de hélio-3 da lua para uso na fusão, como pensamento mágico / religioso, e questiona a viabilidade da extração lunar quando comparada à produção na Terra.

Outros planetas

Gigantes de gás de mineração para hélio-3 também foram propostos. O hipotético projeto da sonda interestelar do Projeto Daedalus da Sociedade Interplanetária Britânica foi alimentado por minas de hélio-3 na atmosfera de Júpiter , por exemplo. A alta gravidade de Júpiter torna esta operação menos favorável do ponto de vista energético do que a extração do hélio-3 dos outros gigantes gasosos do Sistema Solar.

Veja também

Notas e referências

Bibliografia

links externos


Isqueiro:
diproton
Hélio-3 é um
isótopo de hélio
Mais pesado:
hélio-4
Produto de decomposição de:
lítio-4 ( p )
hidrogênio-3 ( β− )
Cadeia
de decaimento do hélio-3
Decai para:
Estável