Numele de familie | Heliu 3 |
---|---|
Simbol |
3 2Hei |
Neutroni | 1 |
Protoni | 2 |
Prezență naturală | 0,000137% |
---|---|
Jumătate de viață | grajd |
Masă atomică | 3.0160293 u |
A învârti | 1/2 + |
Energie de legătură | 7.718,058 ± 0,002 keV |
Heliu 3 , notat 3 El , este izotop de heliu cu un număr de masă este de 3: ei nucleu atomic are doi protoni si un neutron , cu o rotire 1/2 + la o masa atomica de 3.016 029 3 g mol -1 . Acest izotop stabil - non- radioactiv - se caracterizează printr-o masă în exces de 14 931 204 ± 1 eV / c 2 și o energie de legare nucleară de 7 718 058 ± 2 eV .
Căutat pentru potențialele sale aplicații în fuziunea nucleară , heliul-3 este rar pe Pământ , unde este aproximativ 200 până la 300 ppm de heliu al mantalei ; în atmosfera Pământului , există 5,2 ppm de heliu, dintre care heliu 3 reprezintă numai 1,38 ppm , sau o fracțiune de doar 7,2 x 10 -12 din atmosferă în ansamblu. La fel ca hidrogenul , heliul 3 provine în esență din nucleosinteza primordială , în primele momente ale Universului , și nu provine din nucleosinteza stelară ; este consumat în stele precum litiu , beriliu și bor . Este prezent în straturile exterioare ale Soarelui , ale cărui elemente sunt izolate de reacțiile de fuziune ale centrului. Vântul solar îl trimite la restul sistemului solar. Respingut de câmpul magnetic al pământului , acumularea acestuia pe suprafața Lunii este facilitată de absența unei atmosfere pe satelitul nostru.
Heliul pur 3 este lichidul cu cel mai scăzut punct de fierbere care există, în jur de 3,2 K la presiunea atmosferică.
O stare a fost mult timp căutat superfluid , că heliu 4 are lambda dezvoltat 2.1768 K . 3 El devine superfluid sub 2,65 mK ; ar exista un al doilea tip de superfluiditate sub 1,8 mK . Aceste temperaturi nu pot fi atinse pur și simplu prin pomparea lichidului care fierbe (în echilibru cu vaporii săi) deoarece această tehnică nu face posibilă scăderea sub ~ 1 K pentru heliu (altfel ar fi necesare volume inițiale considerabile).
Cei doi izotopi ai heliului sunt utilizați și în frigiderele de diluare , permițând să treacă mult sub 1 K , deoarece diluarea de 3 He în 4 He (lichide) produce frig.
Heliul 3 are particularitatea de a fi un puternic absorbant de neutroni , în funcție de reacție :
Prin urmare, absorbția unui neutron de către un nucleu de heliu 3 duce la formarea de tritiu radioactiv, care este ușor de detectat.
Din acest motiv, heliul 3 este utilizat ca detector de neutroni în anumite reactoare de cercetare (în special Cabri ). Tuburile plasate în interiorul unui astfel de reactor sunt umplute cu heliu 3. Aceste tuburi sunt în comunicație cu un rezervor plasat sub vid prin intermediul unor supape. Deschiderea acestor valve declanșează o depresurizare rapidă a heliului 3 în reactor. Aceasta are ca rezultat o „dispariție” a absorbantului și, în consecință, o creștere a potenței. Această creștere bruscă a puterii este rapid limitată ( efect Doppler neutronic ).
Heliul 3 este, de asemenea, utilizat pentru detectarea neutronilor în instrumentele științifice, cum ar fi difractometrele HEiDi la FRM II și 5 C2 la LLB.
Fuziunea nucleară a heliu 3 nu produce nici deșeuri radioactive sau produs secundar , doar heliu 4 și protoni ( hidrogen ):
Heliul 3 ar putea deveni în viitorul mai mult sau mai puțin îndepărtat combustibilul ideal pentru centralele nucleare cu fuziune controlată , făcând posibilă producerea unor cantități considerabile de energie curată, adică fără poluare chimică sau radioactivă.
Heliul 3 a fost prins în planetă în timpul formării sale. Dar heliul 3 este adăugat și rezervelor terestre de praf de meteorit, colectat în principal pe suprafața oceanelor. Cu toate acestea, 3 He este degazat din sedimentele oceanice în timpul subducției , astfel încât aportul cosmogen al 3 He nu afectează concentrațiile mantalei.
Heliul 3 este, de asemenea, produs de bombardarea razelor cosmice și de reacțiile de spalare a litiului care apar în scoarță. Spalarea litiului este procesul prin care un neutron de mare energie bombardează un nucleu de atomi de litiu, creând un 3 He și un 4 He. Dar acest lucru ar necesita cantități semnificative de litiu pentru a afecta raportul 3 He / 4 He. Astfel, dacă 3 He ar fi produs în cantitate de industria umană, separarea izotopică ar da cantități prea mici de produs în raport cu masa tratată.
Tot heliul degazat ajunge să se piardă în spațiu, deoarece în exosferă , atomii (și ionii) acestuia au viteze medii semnificative în comparație cu viteza de evacuare a Pământului. În consecință, presupunerea că volumele și raporturile de heliu din atmosfera Pământului au rămas stabile la nivel global este incorectă: heliul atmosferic este din ce în ce mai slab în 3 He, deoarece este epuizat treptat, în timp ce 4 He este produs constant de radioactivitate chiar dacă o rată de încetinire.
S-a observat că heliul 3 este prezent în emisiile vulcanice și în probele de roci de pe crestele oceanelor. Heliul 3 a fost prezent în scoarța terestră de la formarea sa. Este asociat cu mantaua și este considerat un marker de proveniență din surse profunde.
Datorită similitudinilor cu chimia magmatică a heliului și carbonului , degazarea heliului necesită pierderea componentelor volatile (apă, CO 2) manta, care apare la adâncimi mai mici de 60 km . Cu toate acestea, 3 He este transportat la suprafață, în principal prins în cristale de incluziune a fluidelor.
Heliul 4 este produs de degradarea elementelor radioactive precum uraniul (emisie alfa), se spune că este radiogen . Crusta continentală este îmbogățită în aceste elemente față de manta și, prin urmare, se produce mai mult heliu 4 în crustă decât în manta.
Raportul (R) de 3 He la 4 He este adesea folosit pentru a reprezenta conținutul de 3 He. Putem compara R cu raportul actual al atmosferei (Ra).
Se măsoară următoarele valori medii ale R / Ra:
Raportul 3 He / 4 He este utilizat în geochimia izotopică pentru a actualiza apele subterane , a estima fluxul acesteia, a urmări poluarea apei și a obține o perspectivă asupra proceselor hidrotermale din geologia rocilor magmatice și a depozitelor minerale. Este, de asemenea, utilizat pentru a oferi suport pentru teoria penelor .
Conform datelor înregistrate în 2009 de sonda orbitală chineză Chang'e 1 , rezervele de heliu 3 ale Lunii se ridică la 100.000 t . Este încorporat în regulit sau îngropat superficial la suprafață. Când știm că 200 de tone ar satisface nevoile energetice ale Statelor Unite și ale Uniunii Europene timp de un an, că această energie le-ar permite pământenilor să își satisfacă nevoile de energie timp de secole, îi face pe entuziaști să o vadă.un motor puternic pentru exploatarea sa. Într-adevăr, costul de funcționare al unei tone de heliu-3 ar fi de ordinul a 1,5 miliarde de dolari (2005), în timp ce aceeași cantitate de energie costă 10 miliarde de dolari în echivalent petrol, făcând această resursă un subiect de interes comercial pentru o reconquestare a satelitul nostru în viitorul apropiat ...
Tehnologia care permite exploatarea acestei resurse este încă la început.