Гелий-3

Гелий-3 — это стабильный изотоп гелия, ядро которого состоит из двух протонов и одного нейтрона. В природе встречается крайне редко, его содержание в атмосферном гелии составляет около 0,000137 %. Отличается от более распространённого гелия-4 (2 протона, 2 нейтрона) отсутствием одного нейтрона, что придаёт ему уникальные физические свойства, особенно в области сверхнизких температур и ядерных реакций.

История открытия

Впервые гелий-3 был обнаружен в 1939 году австралийским физиком Марком Олифантом в ходе экспериментов с ускорителем частиц в Кавендишской лаборатории (Кембридж). Олифант бомбардировал дейтериевую мишень ядрами дейтерия и зафиксировал образование лёгкого изотопа гелия. Позднее, в 1940-х годах, американские учёные Луис Альварес и Роберт Корног подтвердили существование стабильного гелия-3 в образцах атмосферного гелия. Долгое время изотоп оставался лабораторной редкостью, пока в 1950-х годах не были разработаны методы его выделения из продуктов распада трития в ядерных реакторах.

Физические свойства

Ядерные и атомные характеристики

• Атомная масса: 3,016 а. е. м.
• Спин ядра: 1/2 (фермион), в отличие от гелия-4 (бозон со спином 0).
• Период полураспада: стабилен, не радиоактивен.
• Сечение захвата тепловых нейтронов: 0,00005 барн (для гелия-4 — 0,0 барн), что делает его практически прозрачным для нейтронов.

Низкотемпературные свойства

При температурах ниже 3,19 К гелий-3 переходит в сверхтекучее состояние. В отличие от гелия-4, где сверхтекучесть возникает при 2,17 К (переход Бозе-Эйнштейна), для гелия-3 этот процесс обусловлен образованием куперовских пар (аналогично сверхпроводимости в металлах). Сверхтекучесть гелия-3 была открыта в 1972 году Дугласом Ошероффом, Робертом Ричардсоном и Дэвидом Ли (Нобелевская премия 1996 года). Существует три фазы сверхтекучего гелия-3: A, B и A1, каждая из которых обладает уникальными магнитными и гидродинамическими свойствами.

Происхождение и распространение

Естественные источники

• Атмосфера Земли: содержание гелия-3 в воздухе составляет около 7,2 × 10⁻¹² % по объёму. Общий запас в атмосфере оценивается в 3 500 тонн.
• Земная кора: выделяется из мантии через вулканическую деятельность и гидротермальные источники. Концентрация в мантийном гелии может достигать 1–2 %.
• Лунный реголит: по оценкам, верхний слой Луны содержит от 0,01 до 0,05 г/т гелия-3, принесённого солнечным ветром. Общие запасы на Луне оцениваются в 1–5 млн тонн.
• Солнечный ветер: является основным источником гелия-3 на небесных телах без атмосферы (Луна, астероиды).

Искусственное получение

Основной промышленный способ получения гелия-3 — распад трития (³H → ³He + β⁻ + ν̄ₑ, период полураспада 12,32 года). Тритий нарабатывается в ядерных реакторах при облучении лития-6 нейтронами: ⁶Li + n → ³H + ⁴He. Гелий-3 накапливается в хранилищах трития и извлекается при его распаде. В России производство гелия-3 осуществляется на предприятиях Росатома (в частности, на комбинате «Маяк» в Челябинской области). Мировое производство оценивается в 15–20 кг в год.

Применение

Криогеника и физика низких температур

Гелий-3 используется в рефрижераторах растворения (dilution refrigerators) для достижения температур ниже 0,3 К. В смеси ³He-⁴He при охлаждении происходит фазовое разделение, и растворение ³He в ⁴He сопровождается поглощением тепла, что позволяет достигать 0,002 К. Такие системы применяются в:

• Исследованиях сверхпроводимости и сверхтекучести.
• Квантовых вычислениях (охлаждение кубитов).
• Космических телескопах (охлаждение детекторов, например, в обсерватории «Планк»).

Ядерная физика и детекторы нейтронов

Благодаря высокому сечению реакции ³He + n → ³H + p (5330 барн для тепловых нейтронов), гелий-3 используется в газонаполненных детекторах нейтронов. Трубки с ³He под давлением (до 10 атм) регистрируют нейтроны по образованию протонов и трития. С 2000-х годов наблюдается дефицит гелия-3 из-за сокращения производства трития, что стимулирует разработку альтернативных детекторов (на основе бора-10 или лития-6).

Медицина

Гелий-3 применяется в гиперполяризованной магнитно-резонансной томографии (МРТ) лёгких. Изотоп поляризуется с помощью лазерной накачки (оптическая накачка щелочных металлов), после чего пациент вдыхает газ. Из-за низкой растворимости в крови и высокой диффузии ³He позволяет получать изображения лёгочных альвеол с разрешением до 1 мм. Метод используется для диагностики эмфиземы, муковисцидоза и астмы. Однако из-за высокой стоимости и дефицита гелия-3 в клинической практике всё чаще заменяется ксеноном-129.

Термоядерная энергетика

Гелий-3 рассматривается как потенциальное топливо для термоядерных реакторов. Реакция ³He + d → ⁴He + p (энерговыделение 18,3 МэВ) имеет ряд преимуществ перед дейтерий-тритиевой (D-T):

• Отсутствие нейтронного излучения (основная энергия уносится протонами).
• Снижение активации материалов реактора.
• Возможность прямого преобразования энергии заряженных частиц в электричество.

Однако для зажигания реакции требуется температура около 10⁹ К, что в 10 раз выше, чем для D-T. На Земле запасы гелия-3 ничтожны, поэтому обсуждается его добыча на Луне. В России проекты по лунному гелию-3 разрабатывались в РКК «Энергия» и Институте космических исследований РАН, но практическая реализация остаётся на стадии концепций.

Экономика и ресурсы

Стоимость

Цена гелия-3 на мировом рынке в 2020-х годах составляет от 1 000 до 3 000 долларов США за литр газа (при нормальных условиях) или около 15–20 млн долларов за килограмм. Высокая стоимость обусловлена сложностью производства и ограниченностью предложения. Основные поставщики — США (Лос-Аламосская национальная лаборатория) и Россия (Росатом).

Запасы

• Земные: общие разведанные запасы не превышают 500 кг. Ежегодное потребление — около 15–20 кг.
• Лунные: по оценкам NASA, в реголите Луны содержится до 1 млн тонн гелия-3. При текущем уровне энергопотребления США 1 тонна могла бы обеспечить страну электроэнергией на год (при условии термоядерного синтеза).

Критика и проблемы

Дефицит и альтернативы

С 2008 года наблюдается острый дефицит гелия-3, вызванный сокращением производства трития в США (закрытие реакторов в Саванна-Ривер). Это привело к росту цен и поиску альтернатив:

• В детекторах нейтронов — замена на BF₃ (трифторид бора) или сцинтилляторы с ⁶Li.
• В криогенике — использование адиабатического размагничивания (ADR) вместо рефрижераторов растворения.
• В МРТ лёгких — переход на ¹²⁹Xe.

Экологические аспекты

Добыча гелия-3 на Луне потребует масштабных горных работ и переработки реголита, что может привести к загрязнению лунной поверхности и изменению её альбедо. Кроме того, транспортировка гелия-3 с Луны на Землю энергетически затратна (по оценкам, 1 кг требует 10–20 МДж на доставку).

Интересные факты

• Гелий-3 является единственным стабильным изотопом с числом протонов, превышающим число нейтронов (кроме водорода-1).
• В 2019 году китайская миссия «Чанъэ-4» провела первые измерения содержания гелия-3 в лунном реголите на обратной стороне Луны.
• В сверхтекучем состоянии гелий-3 демонстрирует анизотропную сверхтекучесть, аналогичную жидким кристаллам.

Источники

• Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. — Т. 1.
• «Helium-3: A Review of Its Properties and Applications» // Journal of Low Temperature Physics, 2020.
• «Лунный гелий-3: проблемы и перспективы» // Вестник РАН, 2015, № 6.
• «Production and Use of Helium-3» // IAEA Technical Reports Series, 2012.
• «Гелий-3 в детекторах нейтронов: состояние и альтернативы» // Атомная энергия, 2018, т. 124, вып. 3.