Helium-3
| Allgemein | |
|---|---|
| Symbol | 3He |
| Bezeichnungen | Helium-3, He-3, Tralphium (veraltet) |
| Protonen (Z) | 2 |
| Neutronen (N) | 1 |
| Nuklid-Daten | |
| Natürliche Häufigkeit | 0,000137% (% He auf der Erde) 0,001% (% He im Sonnensystem) |
| Halbwertszeit (t1/2) | stabil |
| Masse des Isotops | 3,0160293 Da |
| Spin | 1⁄2 |
| Übergeordnete Isotope | 3H (Betazerfall von Tritium) |
| Isotope von Helium Vollständige Tabelle der Nuklide | |
Helium-3 (3He, siehe auch Helion) ist ein leichtes, stabiles Isotop des Heliums mit zwei Protonen und einem Neutron (das häufigste Isotop, Helium-4, hat dagegen zwei Protonen und zwei Neutronen). Abgesehen von Protium (gewöhnlichem Wasserstoff) ist Helium-3 das einzige stabile Isotop eines Elements mit mehr Protonen als Neutronen. Helium-3 wurde im Jahr 1939 entdeckt. ⓘ
Helium-3 kommt als primordiales Nuklid vor, das im Laufe der Jahrmillionen aus der Erdkruste in die Erdatmosphäre und in den Weltraum entweicht. Man nimmt an, dass Helium-3 auch ein natürliches nukleogenes und kosmogenes Nuklid ist, das entsteht, wenn Lithium mit natürlichen Neutronen beschossen wird, die durch spontane Spaltung und durch Kernreaktionen mit kosmischer Strahlung freigesetzt werden können. Ein Teil des in der Erdatmosphäre gefundenen Helium-3 ist auch ein Artefakt von Atomwaffentests in der Atmosphäre und unter Wasser. ⓘ
Über die Möglichkeit von Helium-3 als zukünftige Energiequelle ist viel spekuliert worden. Anders als bei den meisten Kernfusionsreaktionen werden bei der Fusion von Helium-3-Atomen große Mengen an Energie freigesetzt, ohne dass das umgebende Material radioaktiv wird. Allerdings sind die für Helium-3-Fusionsreaktionen erforderlichen Temperaturen viel höher als bei herkömmlichen Fusionsreaktionen, und der Prozess kann unvermeidlich andere Reaktionen auslösen, die ihrerseits das umgebende Material radioaktiv machen würden. ⓘ
Man geht davon aus, dass Helium-3 auf dem Mond häufiger vorkommt als auf der Erde, da es durch den Sonnenwind über Milliarden von Jahren in die oberste Schicht des Regoliths eingelagert wurde, auch wenn es immer noch seltener vorkommt als in den Gasriesen des Sonnensystems. ⓘ
| Strukturformel ⓘ | ||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 3He | ||||||||||||||||
| Allgemeines | ||||||||||||||||
| Name | Helium-3 | |||||||||||||||
| Summenformel | 3He | |||||||||||||||
| Kurzbeschreibung |
farb- und geruchloses Gas | |||||||||||||||
| Externe Identifikatoren/Datenbanken | ||||||||||||||||
| ||||||||||||||||
| Eigenschaften | ||||||||||||||||
| Molare Masse | 3,0160293191(26) g·mol−1 | |||||||||||||||
| Aggregatzustand |
gasförmig | |||||||||||||||
| Siedepunkt |
3,197 K | |||||||||||||||
| Sicherheitshinweise | ||||||||||||||||
| ||||||||||||||||
| Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen. | ||||||||||||||||
Hauptanwendungsgebiet von Helium-3 ist die Tieftemperaturforschung: In Mischungskryostaten werden durch Nutzung von Helium-3 und Helium-4 Temperaturen von nur wenigen tausendstel Kelvin über dem absoluten Nullpunkt erreicht. Helium-3 spielt auch in Neutronendetektoren eine Rolle (siehe Zählrohr). ⓘ
Helium-3 ist auf der Erde sehr selten. Die Erdatmosphäre besteht überhaupt nur zu 5,2 ppm aus Helium. Von diesem Helium ist wiederum nur ein kleiner Anteil (0,000138 % bzw. 1,38 ppm) 3He. Das entspricht insgesamt einem Anteil an der gesamten Atmosphäre von 7,2 · 10−12 oder 3000 bis 4000 t. In natürlichen Heliumquellen kann das Verhältnis von 3He/4He etwas höher oder niedriger als in der Erdatmosphäre sein. Ursache hierfür ist, dass das bei der Erdentstehung eingetragene kosmische Helium ursprünglich 0,01 % (100 ppm) Helium-3 enthielt, später aber ausgaste und durch beim radioaktiven Alphazerfall entstandenes Helium-4 mehr oder weniger verdünnt wurde. ⓘ
Die Hauptquelle für Helium-3 auf der Erde ist derzeit der Zerfall von Tritium. Tritium lässt sich in Kernreaktoren künstlich herstellen – in Schwerwasserreaktoren sammelt es sich in geringen Mengen im Moderator an. Helium-3 sammelt sich als Zerfallsprodukt in tritiumhaltigen, geboosteten Kernwaffen und muss aus diesen regelmäßig entfernt werden. ⓘ
Geschichte und Entdeckung
Das Helion, der Atomkern des Helium-3-Atoms, besteht aus zwei Protonen und, im Unterschied zum gewöhnlichen Helium mit zwei Neutronen, aus nur einem Neutron. Helium-3 und Tritium wurden 1934 von dem australischen Kernphysiker Mark Oliphant an der University of Cambridge im Cavendish Laboratory erstmals beobachtet, als er Deuterium mit beschleunigten Deuteronen bestrahlte. Dabei laufen Kernfusionsreaktionen ab, in denen Helium-3 und Tritium entstehen. ⓘ
Später vertiefte Luis Walter Alvarez 1939 durch Experimente am Zyklotron im Lawrence Berkeley National Laboratory das Verständnis beider Stoffe. ⓘ
Von Helium-3 wurde aufgrund theoretischer Überlegungen erwartet, dass es ein Radionuklid sein müsse, bis Alvarez Spuren davon in Proben von natürlichem Helium nachweisen konnte. Da diese Proben geologischen Ursprungs und Jahrmillionen alt waren, musste es Tritium sein, welches sich mit der Halbwertszeit von einigen Jahren in Helium-3 umwandelt, und nicht umgekehrt, wie ursprünglich vermutet. Alvarez konnte auch die Halbwertszeit von Tritium bestimmen. Protium und Helium-3 sind die einzigen stabilen Nuklide, die mehr Protonen als Neutronen enthalten. ⓘ
Physikalische Eigenschaften
Aufgrund seiner geringen Atommasse von 3,016 u unterscheidet sich Helium-3 in einigen physikalischen Eigenschaften von Helium-4 mit einer Masse von 4,0026 u. Aufgrund der schwachen, induzierten Dipol-Dipol-Wechselwirkung zwischen den Heliumatomen werden ihre mikroskopischen physikalischen Eigenschaften hauptsächlich durch ihre Nullpunktenergie bestimmt. Die mikroskopischen Eigenschaften von Helium-3 führen auch dazu, dass es eine höhere Nullpunktenergie als Helium-4 hat. Dies bedeutet, dass Helium-3 Dipol-Dipol-Wechselwirkungen mit weniger thermischer Energie überwinden kann als Helium-4. ⓘ
Die quantenmechanischen Auswirkungen auf Helium-3 und Helium-4 sind sehr unterschiedlich, da Helium-4 mit zwei Protonen, zwei Neutronen und zwei Elektronen einen Gesamtspin von Null hat und damit ein Boson ist, während Helium-3 mit einem Neutron weniger einen Gesamtspin von einer Hälfte hat und damit ein Fermion ist. ⓘ
Helium-3 siedet bei 3,19 K im Vergleich zu Helium-4 bei 4,23 K, und sein kritischer Punkt ist mit 3,35 K ebenfalls niedriger als der von Helium-4 bei 5,2 K. Helium-3 hat weniger als die Hälfte der Dichte von Helium-4, wenn es sich an seinem Siedepunkt befindet: 59 g/L im Vergleich zu 125 g/L von Helium-4 bei einem Druck von einer Atmosphäre. Auch seine latente Verdampfungswärme ist mit 0,026 kJ/mol im Vergleich zu 0,0829 kJ/mol von Helium-4 deutlich geringer. ⓘ
Polarisation
Aufgrund des Spins ½ trägt das 3He-Atom ein magnetisches Moment. Im Magnetfeld stellen sich mehr dieser Momente parallel zum Magnetfeld als antiparallel dazu, dieser Effekt wird Spinpolarisation genannt. 3He-Gas wird unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfelds also selber leicht magnetisch. Bei Raumtemperatur ist aber der zahlenmäßige Unterschied zwischen den parallel und antiparallel ausgerichteten Magneten klein, da die durchschnittliche Energie pro Atom bei dieser Temperatur viel höher liegt als die Energieaufspaltung im Magnetfeld, dem hohen gyromagnetischen Verhältnis des Heliums zum Trotz. Mit der Technik der Hyperpolarisation gelingt es aber, Polarisationsgrade von bis zu 70 % zu erreichen. Aufgrund der geringen Wechselwirkung der Kernspins mit der Umgebung lässt sich einmal erzeugtes hyperpolarisiertes Helium-3 für bis zu 100 Stunden in Drucktanks aufbewahren. ⓘ
Natürliche Häufigkeit
Terrestrische Häufigkeit
3He ist eine Ursubstanz des Erdmantels, von der man annimmt, dass sie während der Planetenbildung in der Erde eingeschlossen wurde. Das Verhältnis von 3He zu 4He in der Erdkruste und im Erdmantel ist geringer als bei Annahmen über die Zusammensetzung der Sonnenscheibe, wie sie aus Meteoriten- und Mondproben gewonnen werden, wobei die terrestrischen Materialien im Allgemeinen ein geringeres 3He/4He-Verhältnis aufweisen, da 4He aus radioaktivem Zerfall eingewachsen ist. ⓘ
3He hat ein kosmologisches Verhältnis von 300 Atomen pro Million Atome von 4He (bei. ppm), was zu der Annahme führt, dass das ursprüngliche Verhältnis dieser primordialen Gase im Erdmantel etwa 200-300 ppm betrug, als die Erde entstand. Im Laufe der Erdgeschichte hat der Alphateilchen-Zerfall von Uran, Thorium und anderen radioaktiven Isotopen beträchtliche Mengen an 4He erzeugt, so dass nur noch etwa 7 % des Heliums im Erdmantel ursprüngliches Helium sind und das Gesamtverhältnis von 3He/4He auf etwa 20 ppm gesunken ist. Ein Verhältnis von 3He/4He, das über dem atmosphärischen Wert liegt, deutet auf einen Beitrag von 3He aus dem Erdmantel hin. Die Quellen in der Kruste werden von dem durch radioaktiven Zerfall erzeugten 4He dominiert. ⓘ
Das Verhältnis von Helium-3 zu Helium-4 in natürlichen erdgebundenen Quellen variiert stark. Proben des Lithiumerzes Spodumen aus der Edison Mine, South Dakota, enthielten 12 Teile Helium-3 auf eine Million Teile Helium-4. Proben aus anderen Minen wiesen 2 Teile pro Million auf. ⓘ
In einigen Erdgasquellen ist Helium mit bis zu 7 % enthalten, in großen Quellen mit mehr als 0,5 % (bei mehr als 0,2 % ist die Förderung rentabel). Der Anteil von 3He in Helium, das in den USA aus Erdgas gewonnen wird, liegt zwischen 70 und 242 Teilen pro Milliarde. Somit hätte der US-Vorrat von 1 Milliarde normaler m3 im Jahr 2002 etwa 12 bis 43 Kilogramm (26 bis 95 lb) Helium-3 enthalten. Nach Angaben des amerikanischen Physikers Richard Garwin stehen jährlich etwa 26 Kubikmeter oder fast 5 Kilogramm 3He zur Abtrennung aus dem US-Erdgasstrom zur Verfügung. Wenn für die Abtrennung von 3He das verflüssigte Helium, das normalerweise für den Transport und die Lagerung großer Mengen verwendet wird, als Ausgangsmaterial verwendet werden könnte, reichen die Schätzungen für die zusätzlichen Energiekosten von 34 bis 300 $ pro Liter (150 bis 1.360 $/imp gal) NTP, ohne die Kosten für Infrastruktur und Ausrüstung. Man geht davon aus, dass die jährliche Gasproduktion Algeriens 100 Millionen Normalkubikmeter umfasst, die bei einem ähnlichen 3He-Anteil zwischen 7 und 24 Kubikmeter Helium-3 (etwa 1 bis 4 Kilogramm) enthalten würden. ⓘ
3He ist auch in der Erdatmosphäre vorhanden. Die natürliche Häufigkeit von 3He in natürlich vorkommendem Heliumgas beträgt 1,38×10-6 (1,38 Teile pro Million). Der Partialdruck von Helium in der Erdatmosphäre beträgt etwa 0,52 Pascal (7,5×10-5 psi), und somit macht Helium 5,2 Teile pro Million des Gesamtdrucks (101325 Pa) in der Erdatmosphäre aus, und 3He macht somit 7,2 Teile pro Billion der Atmosphäre aus. Da die Erdatmosphäre eine Masse von etwa 5,14×1018 Kilogramm (1,133×1019 lb) hat, ist die Masse von 3He in der Erdatmosphäre das Produkt dieser Zahlen oder etwa 37.000 Tonnen (36.000 lange Tonnen; 41.000 kurze Tonnen) 3He. (Tatsächlich ist die tatsächliche Zahl zehnmal kleiner, da die oben genannten ppm ppmv und nicht ppmw sind. Man muss mit 3 (der Molekülmasse von Helium-3) multiplizieren und durch 29 (die mittlere Molekülmasse der Atmosphäre) dividieren, was 3.828 Tonnen (3.768 lange Tonnen; 4.220 kurze Tonnen) Helium-3 in der Erdatmosphäre ergibt). ⓘ
3He wird auf der Erde aus drei Quellen erzeugt: Lithium-Spallation, kosmische Strahlung und Beta-Zerfall von Tritium (3H). Der Beitrag der kosmischen Strahlung ist mit Ausnahme der ältesten Regolith-Materialien vernachlässigbar, und die Lithium-Spallationsreaktionen tragen weniger dazu bei als die Produktion von 4He durch Alphateilchenemissionen. ⓘ
Die Gesamtmenge an Helium-3 im Erdmantel liegt möglicherweise im Bereich von 0,1-1 Megatonnen (98.000-984.000 lange Tonnen; 110.000-1.100.000 kurze Tonnen). Der größte Teil des Erdmantels ist jedoch nicht direkt zugänglich. Ein Teil des Helium-3 entweicht durch tief liegende Hotspot-Vulkane wie die der Hawaii-Inseln nach oben, aber nur 300 Gramm pro Jahr werden in die Atmosphäre emittiert. Mittelozeanische Bergrücken emittieren weitere 3 Kilogramm pro Jahr (8,2 g/d). In der Nähe von Subduktionszonen produzieren verschiedene Quellen Helium-3 in Erdgaslagerstätten, die möglicherweise tausend Tonnen Helium-3 enthalten (wenn alle alten Subduktionszonen über solche Lagerstätten verfügen, können es auch 25.000 Tonnen sein). Wittenberg schätzt, dass die Erdgasquellen in der Kruste der Vereinigten Staaten insgesamt nur eine halbe Tonne enthalten könnten. Wittenberg zitierte Andersons Schätzung von weiteren 1.200 Tonnen (1.200 lange Tonnen; 1.300 kurze Tonnen) in interplanetaren Staubpartikeln auf den Ozeanböden. In der Studie von 1994 wird festgestellt, dass die Gewinnung von Helium-3 aus diesen Quellen mehr Energie verbraucht, als bei der Fusion freigesetzt würde. ⓘ
Mondoberfläche
Siehe Extraterrestrischer Bergbau oder Mondressourcen ⓘ
Häufigkeit des (primordialen) Sonnennebels
Eine frühe Schätzung des primordialen Verhältnisses von 3He zu 4He im Sonnennebel ist die Messung des Verhältnisses in der Jupiteratmosphäre, die mit dem Massenspektrometer der Galileo-Atmosphäreneintrittssonde durchgeführt wurde. Dieses Verhältnis beträgt etwa 1:10.000, also 100 Teile 3He auf eine Million Teile 4He. Das ist ungefähr das gleiche Verhältnis der Isotope wie im Mondregolith, das 28 ppm Helium-4 und 2,8 ppb Helium-3 enthält (was am unteren Ende der tatsächlichen Probenmessungen liegt, die zwischen 1,4 und 15 ppb schwanken). Die irdischen Isotopenverhältnisse sind jedoch um den Faktor 100 niedriger, was vor allem auf die Anreicherung der Helium-4-Vorräte im Erdmantel durch den milliardenfachen Alphazerfall von Uran, Thorium sowie deren Zerfallsprodukten und ausgestorbenen Radionukliden zurückzuführen ist. ⓘ
Menschliche Produktion
Tritium-Zerfall
Praktisch das gesamte Helium-3, das heute in der Industrie verwendet wird, wird durch den radioaktiven Zerfall von Tritium hergestellt, da es in der Natur nur sehr selten vorkommt und sehr teuer ist. ⓘ
Produktion, Verkauf und Vertrieb von Helium-3 in den Vereinigten Staaten werden vom Isotopenprogramm des US-Energieministeriums (DOE) verwaltet. ⓘ
Für Tritium gibt es verschiedene experimentell ermittelte Werte für die Halbwertszeit, wobei das NIST eine Halbwertszeit von 4.500±8 d (12,32±0,02 Jahre) angibt. Es zerfällt durch Betazerfall in Helium-3, wie in dieser Kerngleichung dargestellt:
3
1H
→ 3
2He1+
+
e-
+
ν
e
Von der insgesamt freigesetzten Energie von 18,6 keV entfällt ein unterschiedlicher Anteil auf die kinetische Energie des Elektrons, im Durchschnitt 5,7 keV, während die restliche Energie von dem kaum nachweisbaren Elektronen-Antineutrino aufgenommen wird. Die Betateilchen von Tritium können nur etwa 6,0 Millimeter Luft durchdringen, und sie sind nicht in der Lage, die tote äußerste Schicht der menschlichen Haut zu durchdringen. Die ungewöhnlich geringe Energie, die beim Tritium-Betazerfall freigesetzt wird, macht diesen Zerfall (zusammen mit dem von Rhenium-187) für absolute Neutrinomassenmessungen im Labor geeignet (das jüngste Experiment ist KATRIN). ⓘ
Die niedrige Energie der Tritiumstrahlung erschwert den Nachweis von mit Tritium markierten Verbindungen, außer durch Flüssigszintillationszählung. ⓘ
Tritium ist ein radioaktives Isotop des Wasserstoffs und wird in der Regel durch den Beschuss von Lithium-6 mit Neutronen in einem Kernreaktor erzeugt. Der Lithiumkern absorbiert ein Neutron und zerfällt in Helium-4 und Tritium. Tritium zerfällt mit einer Halbwertszeit von 12,3 Jahren in Helium-3, so dass man Helium-3 herstellen kann, indem man das Tritium einfach lagert, bis es radioaktiv zerfällt. Da Tritium mit Sauerstoff eine stabile Verbindung (tritiertes Wasser) bildet, Helium-3 dagegen nicht, könnte das Lagerungs- und Sammelverfahren kontinuierlich das Material auffangen, das aus dem gelagerten Material ausgast. ⓘ
Tritium ist ein wichtiger Bestandteil von Kernwaffen und wurde in der Vergangenheit hauptsächlich für diesen Zweck hergestellt und gelagert. Der Zerfall von Tritium in Helium-3 verringert die Sprengkraft des Fusionssprengkopfes, so dass das angesammelte Helium-3 regelmäßig aus den Sprengkopfbehältern und dem gelagerten Tritium entfernt werden muss. Das bei diesem Prozess entnommene Helium-3 wird für andere Anwendungen vermarktet. ⓘ
Jahrzehntelang war und ist dies die Hauptquelle für das weltweit verfügbare Helium-3. Seit der Unterzeichnung des START-I-Vertrags im Jahr 1991 ist jedoch die Zahl der einsatzbereit gehaltenen nuklearen Sprengköpfe zurückgegangen, was die Menge des aus dieser Quelle verfügbaren Helium-3 verringert hat. Die Helium-3-Bestände sind durch die gestiegene Nachfrage, vor allem für die Verwendung in Neutronenstrahlungsdetektoren und medizinischen Diagnoseverfahren, weiter gesunken. Die industrielle Nachfrage nach Helium-3 in den USA erreichte 2008 einen Höchststand von 70.000 Litern (15.000 imp gal; 18.000 US gal) (etwa 8 Kilogramm) pro Jahr. Der Auktionspreis, der in der Vergangenheit bei etwa 100 $ pro Liter (450 $/imp gal) lag, erreichte bis zu 2.000 $ pro Liter (9.100 $/imp gal). Seitdem ist die Nachfrage nach Helium-3 aufgrund der hohen Kosten und der Bemühungen des DOE, es zu recyceln und Ersatzstoffe zu finden, auf etwa 6.000 Liter (1.300 Imp gal; 1.600 US gal) pro Jahr zurückgegangen. Bei einer Dichte von 114 Gramm pro Kubikmeter (0,192 lb/cu yd) wäre Helium-3 bei 100 $/l etwa ein Dreißigstel so teuer wie Tritium (etwa 880 $ pro Gramm (25.000 $/oz) gegenüber etwa 30.000 $ pro Gramm (850.000 $/oz)), während Helium-3 bei 2000 $/l etwa halb so teuer wäre wie Tritium (17.540 $ pro Gramm (497.000 $/oz) gegenüber 30.000 $ pro Gramm (850.000 $/oz)). ⓘ
Das DOE erkannte die sich abzeichnende Knappheit von Tritium und Helium-3 und begann 2010 mit der Herstellung von Tritium durch Lithiumbestrahlung im Kernkraftwerk Watts Bar der Tennessee Valley Authority. Bei diesem Verfahren werden tritiumproduzierende abbrennbare Absorberstäbe (TPBARs), die Lithium in keramischer Form enthalten, anstelle der normalen Bor-Steuerstäbe in den Reaktor eingesetzt. In regelmäßigen Abständen werden die TPBARs ausgetauscht und das Tritium entnommen. ⓘ
Gegenwärtig werden nur zwei kommerzielle Kernreaktoren (Watts Bar Nuclear Plant Units 1 und 2) für die Tritiumproduktion genutzt, aber das Verfahren könnte bei Bedarf erheblich ausgeweitet werden, um jeden denkbaren Bedarf zu decken, indem einfach mehr Leistungsreaktoren der Nation genutzt werden. Erhebliche Mengen an Tritium und Helium-3 könnten auch aus dem Schwerwasser-Moderator in CANDU-Kernreaktoren gewonnen werden. Indien und Kanada, die beiden Länder mit der größten Flotte von Schwerwasserreaktoren, sind beide dafür bekannt, Tritium aus schwerem Wasser als Moderator/Kühlmittel zu gewinnen, aber diese Mengen reichen nicht annähernd aus, um den weltweiten Bedarf an Tritium oder Helium-3 zu decken. ⓘ
Da Tritium auch unbeabsichtigt bei verschiedenen Prozessen in Leichtwasserreaktoren erzeugt wird (siehe den Artikel über Tritium), könnte die Extraktion aus diesen Quellen eine weitere Quelle für Helium-3 sein. Legt man jedoch die jährliche Tritiumabgabe der Wiederaufbereitungsanlage La Hague (Zahlen von 2018) zugrunde, so reichen die abgegebenen Mengen (31,2 Gramm in La Hague) nicht annähernd aus, um den Bedarf zu decken, selbst wenn eine 100-prozentige Rückgewinnung erreicht werden könnte. ⓘ
| Standort | Nukleare Einrichtung | Nächstgelegene Gewässer |
Flüssigkeit (TBq) |
Dampf (TBq) |
Gesamt (TBq) |
Gesamt (mg) |
Jahr ⓘ |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Vereinigtes Königreich |
Kernkraftwerk Heysham B | Irische See | 396 | 2.1 | 398 | 1,115 | 2019 |
| Vereinigtes Königreich |
Wiederaufbereitungsanlage Sellafield | Irische See | 423 | 56 | 479 | 1,342 | 2019 |
 Rumänien |
Kernkraftwerk Cernavodă Block 1 | Schwarzes Meer | 140 | 152 | 292 | 872 | 2018 |
 Frankreich |
Wiederaufbereitungsanlage La Hague | Englischer Kanal | 11,400 | 60 | 11,460 | 32,100 | 2018 |
 Südkorea |
Kernkraftwerk Wolseong und andere | Japanisches Meer | 211 | 154 | 365 | 1,022 | 2020 |
 Taiwan |
Kernkraftwerk Maanshan | Luzonstraße | 35 | 9.4 | 44 | 123 | 2015 |
 China |
Kernkraftwerk Fuqing | Meerenge von Taiwan | 52 | 0.8 | 52 | 146 | 2020 |
| China |
Kernkraftwerk Sanmen | Ostchinesisches Meer | 20 | 0.4 | 20 | 56 | 2020 |
 Kanada |
Bruce-Kernkraftwerk A, B | Große Seen | 756 | 994 | 1,750 | 4,901 | 2018 |
| Kanada |
Kernkraftwerk Darlington | Große Seen | 220 | 210 | 430 | 1,204 | 2018 |
| Kanada |
Kernkraftwerk Pickering Block 1-4 | Große Seen | 140 | 300 | 440 | 1,232 | 2015 |
 Vereinigte Staaten |
Kraftwerk Diablo Canyon Blöcke1, 2 | Pazifischer Ozean | 82 | 2.7 | 84 | 235 | 2019 |
Verwendet
Neutronennachweis
Helium-3 ist ein wichtiges Isotop in Instrumenten für den Neutronennachweis. Es hat einen hohen Absorptionsquerschnitt für thermische Neutronenstrahlen und wird als Konvertergas in Neutronendetektoren verwendet. Die Umwandlung des Neutrons erfolgt durch die Kernreaktion
- n + 3He → 3H + 1H + 0,764 MeV
in geladene Teilchen, Tritium-Ionen (T, 3H) und Wasserstoff-Ionen oder Protonen (p, 1H), die dann durch Erzeugung einer Ladungswolke im Sperrgas eines Proportionalzählers oder eines Geiger-Müller-Rohrs nachgewiesen werden. ⓘ
Außerdem ist der Absorptionsprozess stark spinabhängig, so dass ein spinpolarisiertes Helium-3-Volumen Neutronen mit einer Spin-Komponente durchlässt, während es die andere absorbiert. Dieser Effekt wird in der Neutronenpolarisationsanalyse genutzt, einer Technik, die nach magnetischen Eigenschaften von Materie sucht. ⓘ
Das US-Ministerium für Heimatschutz hatte gehofft, Detektoren einsetzen zu können, um geschmuggeltes Plutonium in Schiffscontainern anhand der Neutronenemissionen zu erkennen, aber die weltweite Verknappung von Helium-3 nach dem Abbau der Kernwaffenproduktion seit dem Kalten Krieg hat dies bis zu einem gewissen Grad verhindert. Im Jahr 2012 stellte das DHS fest, dass das kommerzielle Angebot an Bor-10 die Umstellung seiner Neutronendetektionsinfrastruktur auf diese Technologie unterstützen würde. ⓘ
Kryogenik
_0.002_K_region.png)
Ein Helium-3-Kühler verwendet Helium-3, um Temperaturen von 0,2 bis 0,3 Kelvin zu erreichen. Eine Verdünnungs-Kältemaschine verwendet eine Mischung aus Helium-3 und Helium-4, um kryogene Temperaturen bis zu einigen tausendstel Kelvin zu erreichen. ⓘ
Eine wichtige Eigenschaft von Helium-3, die es von dem häufiger vorkommenden Helium-4 unterscheidet, ist, dass sein Kern ein Fermion ist, da er eine ungerade Anzahl von 1⁄2 Spin-Teilchen enthält. Helium-4-Kerne sind Bosonen, die eine gerade Anzahl von 1⁄2-Spin-Teilchen enthalten. Dies ist eine direkte Folge der Additionsregeln für den quantisierten Drehimpuls. Bei niedrigen Temperaturen (etwa 2,17 K) durchläuft Helium-4 einen Phasenübergang: Ein Teil davon geht in eine superfluide Phase über, die grob als eine Art Bose-Einstein-Kondensat verstanden werden kann. Ein solcher Mechanismus ist für Helium-3-Atome, die Fermionen sind, nicht verfügbar. Es wurde jedoch weithin spekuliert, dass Helium-3 auch bei viel niedrigeren Temperaturen supraflüssig werden könnte, wenn sich die Atome zu Paaren zusammenschließen, die den Cooper-Paaren in der BCS-Theorie der Supraleitung entsprechen. Jedes Cooper-Paar, das einen ganzzahligen Spin hat, kann als Boson betrachtet werden. In den 1970er Jahren entdeckten David Lee, Douglas Osheroff und Robert Coleman Richardson zwei Phasenübergänge entlang der Schmelzkurve, die bald als die beiden supraflüssigen Phasen von Helium-3 erkannt wurden. Der Übergang zum Suprafluid findet bei 2,491 Millikelvins auf der Schmelzkurve statt. Für ihre Entdeckung wurde ihnen 1996 der Nobelpreis für Physik verliehen. Alexei Abrikosov, Vitaly Ginzburg und Tony Leggett erhielten 2003 den Nobelpreis für Physik für ihre Arbeit zur Verbesserung des Verständnisses der supraflüssigen Phase von Helium-3. ⓘ
Bei einem Magnetfeld von Null gibt es zwei verschiedene supraflüssige Phasen von 3He, die A-Phase und die B-Phase. Die B-Phase ist die Niedertemperatur- und Niederdruckphase, die eine isotrope Energielücke aufweist. Die A-Phase ist die Phase mit höherer Temperatur und höherem Druck, die durch ein Magnetfeld weiter stabilisiert wird und zwei Punktknoten in ihrer Lücke aufweist. Das Vorhandensein von zwei Phasen ist ein klarer Hinweis darauf, dass 3He ein unkonventionelles Suprafluid (Supraleiter) ist, da das Vorhandensein von zwei Phasen eine zusätzliche Symmetrie außer der Eichsymmetrie erfordert, die gebrochen werden muss. Tatsächlich handelt es sich um ein p-Wellen-Suprafluid, mit einem Spin, S=1, und einem Drehimpuls, L=1. Der Grundzustand entspricht dem Gesamtdrehimpuls Null, J=S+L=0 (Vektoraddition). Es sind angeregte Zustände mit einem Gesamtdrehimpuls ungleich Null, J>0, möglich, bei denen es sich um angeregte kollektive Paar-Moden handelt. Aufgrund der extremen Reinheit von supraflüssigem 3He (da alle Materialien außer 4He erstarrt sind und auf den Boden des flüssigen 3He gesunken sind und jegliches 4He vollständig phasengetrennt ist, ist dies der reinste Zustand kondensierter Materie), wurden diese kollektiven Moden mit viel größerer Präzision untersucht als in jedem anderen unkonventionellen Paarsystem. ⓘ
Medizinische Bildgebung
Helium-3-Kerne haben einen intrinsischen Kernspin von 1⁄2 und ein relativ hohes magnetogyrisches Verhältnis. Helium-3 kann mit Hilfe von Nicht-Gleichgewichtsmitteln wie dem optischen Pumpen durch Spin-Austausch hyperpolarisiert werden. Bei diesem Verfahren wird zirkular polarisiertes Infrarot-Laserlicht, das auf die entsprechende Wellenlänge abgestimmt ist, verwendet, um Elektronen in einem Alkalimetall wie Cäsium oder Rubidium in einem versiegelten Glasgefäß anzuregen. Der Drehimpuls wird von den Alkalimetallelektronen durch Kollisionen auf die Edelgaskerne übertragen. Im Wesentlichen richtet dieser Prozess die Kernspins effektiv auf das Magnetfeld aus, um das NMR-Signal zu verstärken. Das hyperpolarisierte Gas kann dann bei einem Druck von 10 atm bis zu 100 Stunden lang gelagert werden. Nach der Inhalation können Gasgemische, die das hyperpolarisierte Helium-3-Gas enthalten, mit einem MRT-Scanner abgebildet werden, um anatomische und funktionelle Bilder der Lungenbelüftung zu erstellen. Mit dieser Technik lassen sich auch Bilder des Atemwegsbaums erstellen, nicht belüftete Defekte lokalisieren, der alveoläre Sauerstoffpartialdruck messen und das Belüftungs-/Perfusionsverhältnis bestimmen. Diese Technik kann für die Diagnose und Behandlung von chronischen Atemwegserkrankungen wie chronisch obstruktiver Lungenerkrankung (COPD), Emphysem, Mukoviszidose und Asthma entscheidend sein. ⓘ
Radioenergieabsorber für Tokamak-Plasmaexperimente
Sowohl der Alcator C-Mod-Tokamak des MIT als auch der Joint European Torus (JET) haben mit der Zugabe von etwas He-3 zu einem H-D-Plasma experimentiert, um die Absorption von Hochfrequenzenergie zur Erwärmung der H- und D-Ionen zu erhöhen, ein "Drei-Ionen-Effekt". ⓘ
Kernbrennstoff
| Reaktanten | Produkte | Q | n/MeV | |
|---|---|---|---|---|
| Fusionsbrennstoffe der ersten Generation | ||||
| 2HE + 2HE | → | 3He + 1 0n |
3.268 MeV | 0.306 |
| 2HE + 2HE | → | 3T + 1 1p |
4,032 MeV | 0 |
| 2D + 3T | → | 4He + 1 0n |
17,571 MeV | 0.057 |
| Fusionsbrennstoff der zweiten Generation | ||||
| 2D + 3He | → | 4He + 1 1p |
18,354 MeV | 0 |
| Fusionsbrennstoffe der dritten Generation | ||||
| 3He + 3He | → | 4He + 2 1 1p |
12,86 MeV | 0 |
| 11B + 1 1p |
→ | 3 4He | 8,68 MeV | 0 |
| Nettoergebnis der 2D-Verbrennung (Summe der ersten 4 Zeilen) | ||||
| 6 2D | → | 2(4He + n + p) | 43,225 MeV | 0.046 |
| Aktueller Kernbrennstoff | ||||
| 235U + n | → | 2 FP+ 2,5n | ~200 MeV | 0.0075 |
3He kann durch die Tieftemperaturfusion von → 3He + γ + 4,98 MeV erzeugt werden. Wenn die Fusionstemperatur unter der für die Verschmelzung der Heliumkerne erforderlichen Temperatur liegt, erzeugt die Reaktion ein hochenergetisches Alphateilchen, das schnell ein Elektron aufnimmt und ein stabiles, leichtes Heliumion erzeugt, das direkt als Stromquelle genutzt werden kann, ohne gefährliche Neutronen zu erzeugen.
3He kann in Fusionsreaktionen durch eine der Reaktionen 2H + 3He → 4He + 1p + 18,3 MeV oder 3He + 3He → 4He + 2 1p + 12,86 MeV verwendet werden. ⓘ
Bei der herkömmlichen Deuterium + Tritium ("D-T")-Fusion werden energiereiche Neutronen erzeugt, die die Reaktorkomponenten mit Aktivierungsprodukten radioaktiv machen. Die Attraktivität der Helium-3-Fusion ergibt sich aus der aneutronischen Natur ihrer Reaktionsprodukte. Helium-3 selbst ist nicht radioaktiv. Das einzige hochenergetische Nebenprodukt, das Proton, kann mit Hilfe elektrischer und magnetischer Felder eingegrenzt werden. Die Impulsenergie dieses Protons (die beim Fusionsprozess entsteht) interagiert mit dem einschließenden elektromagnetischen Feld, was zu einer direkten Nettostromerzeugung führt. ⓘ
Aufgrund der höheren Coulomb-Barriere sind die für die 2H + 3He-Fusion erforderlichen Temperaturen wesentlich höher als bei der herkömmlichen D-T-Fusion. Da beide Reaktanten zur Fusion miteinander vermischt werden müssen, kommt es außerdem zu Reaktionen zwischen Kernen desselben Reaktanten, und bei der D-D-Reaktion (2H + 2H) wird ein Neutron erzeugt. Die Reaktionsgeschwindigkeit hängt von der Temperatur ab, aber die D-3He-Reaktionsgeschwindigkeit ist nie größer als das 3,56-fache der D-D-Reaktionsgeschwindigkeit (siehe Grafik). Daher kann die Fusion mit D-3He-Brennstoff bei der richtigen Temperatur und einer D-mageren Brennstoffmischung einen viel geringeren Neutronenfluss erzeugen als die D-T-Fusion, ist aber nicht sauber, was einen Teil ihrer Hauptattraktivität zunichte macht. ⓘ
Die zweite Möglichkeit, die Fusion von 3He mit sich selbst (3He + 3He), erfordert noch höhere Temperaturen (da nun beide Reaktanten eine +2-Ladung haben) und ist daher noch schwieriger als die D-3He-Reaktion. Sie bietet jedoch eine mögliche Reaktion, bei der keine Neutronen entstehen; die erzeugten geladenen Protonen können mit Hilfe elektrischer und magnetischer Felder eingedämmt werden, was wiederum zu einer direkten Stromerzeugung führt. Die 3He + 3He-Fusion ist, wie im Labor demonstriert, machbar und hat immense Vorteile, aber die kommerzielle Nutzbarkeit liegt noch viele Jahre in der Zukunft. ⓘ
Die Mengen an Helium-3, die als Ersatz für herkömmliche Brennstoffe benötigt werden, sind im Vergleich zu den derzeit verfügbaren Mengen erheblich. Die Gesamtenergiemenge, die bei der Reaktion 2D + 3He erzeugt wird, beträgt 18,4 MeV, was etwa 493 Megawattstunden (4,93×108 W-h) pro drei Gramm (ein Mol) 3He entspricht. Wenn die gesamte Energiemenge mit einem Wirkungsgrad von 100 % in elektrische Energie umgewandelt werden könnte (was physikalisch unmöglich ist), entspräche dies etwa 30 Minuten Leistung eines Gigawatt-Elektrokraftwerks pro Mol 3He. Für die Produktion eines Jahres (bei 6 Gramm pro Betriebsstunde) wären also 52,5 Kilogramm Helium-3 erforderlich. Die für großtechnische Anwendungen benötigte Brennstoffmenge lässt sich auch in Bezug auf den Gesamtverbrauch setzen: Der Stromverbrauch von 107 Millionen US-Haushalten belief sich im Jahr 2001 auf 1.140 Milliarden kW-h (1,14×1015 W-h). Geht man wiederum von einem Umwandlungswirkungsgrad von 100 % aus, so würden für dieses Segment des Energiebedarfs der Vereinigten Staaten 6,7 Tonnen Helium-3 pro Jahr benötigt, bei einem realistischeren End-to-End-Wandlungswirkungsgrad 15 bis 20 Tonnen pro Jahr. ⓘ
Ein Ansatz der zweiten Generation zur kontrollierten Fusionsenergie besteht in der Kombination von Helium-3 und Deuterium, 2D. Bei dieser Reaktion entstehen ein Helium-4-Ion (4He) (wie ein Alphateilchen, aber anderen Ursprungs) und ein hochenergetisches Proton (positiv geladenes Wasserstoffion). Der wichtigste potenzielle Vorteil dieser Fusionsreaktion für die Energieerzeugung und andere Anwendungen liegt in der Kompatibilität mit dem Einsatz elektrostatischer Felder zur Steuerung der Brennstoffionen und der Fusionsprotonen. Hochgeschwindigkeits-Protonen können als positiv geladene Teilchen ihre kinetische Energie direkt in Elektrizität umwandeln, u. a. durch den Einsatz von Festkörper-Konversionsmaterialien. Potenzielle Umwandlungswirkungsgrade von 70 % sind möglich, da die Protonenenergie nicht in Wärme umgewandelt werden muss, um einen turbinengetriebenen Stromgenerator anzutreiben. ⓘ
Es gibt viele Behauptungen über die Möglichkeiten von Helium-3-Kraftwerken. Befürwortern zufolge würden Fusionskraftwerke, die mit Deuterium und Helium-3 betrieben werden, aufgrund der geringeren technischen Komplexität, des höheren Umwandlungswirkungsgrads, der geringeren Größe, des Fehlens radioaktiver Brennstoffe, der fehlenden Luft- und Wasserverschmutzung und der nur geringen Anforderungen an die Entsorgung radioaktiver Abfälle niedrigere Kapital- und Betriebskosten aufweisen als ihre Konkurrenten. Jüngste Schätzungen gehen davon aus, dass für die Entwicklung und den Bau des ersten Helium-3-Fusionskraftwerks ein Investitionskapital von etwa 6 Milliarden Dollar erforderlich ist. Bei den heutigen Großhandelspreisen für Strom (5 US-Cent pro Kilowattstunde) wäre der finanzielle Break-even erreicht, wenn fünf 1-Gigawatt-Kraftwerke in Betrieb sind, die alte konventionelle Kraftwerke ersetzen oder die neue Nachfrage decken. ⓘ
Die Realität ist nicht so eindeutig. Die weltweit am weitesten fortgeschrittenen Fusionsprogramme sind die Trägheitsfusion (wie die National Ignition Facility) und die Fusion mit magnetischem Einschluss (wie ITER und Wendelstein 7-X). Im Falle der Trägheitsfusion gibt es keinen festen Fahrplan für die Energieerzeugung. Im zweiten Fall wird die kommerzielle Stromerzeugung nicht vor etwa 2050 erwartet. In beiden Fällen handelt es sich um die einfachste Art der Fusion: D-T-Fusion. Der Grund dafür ist die sehr niedrige Coulomb-Barriere für diese Reaktion; für D+3He ist die Barriere viel höher, und für 3He-3He ist sie noch höher. Die immensen Kosten von Reaktoren wie ITER und National Ignition Facility sind größtenteils auf ihre enorme Größe zurückzuführen, doch um höhere Plasmatemperaturen zu erreichen, wären noch viel größere Reaktoren erforderlich. Die 14,7 MeV Protonen und 3,6 MeV Alphateilchen der D-3He-Fusion sowie der höhere Umwandlungswirkungsgrad bedeuten, dass pro Kilogramm mehr Strom gewonnen wird als bei der D-T-Fusion (17,6 MeV), aber nicht so viel mehr. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Reaktionsgeschwindigkeiten der Helium-3-Fusionsreaktionen nicht besonders hoch sind, so dass ein noch größerer Reaktor oder mehrere Reaktoren erforderlich sind, um die gleiche Menge Strom zu erzeugen. ⓘ
Um dieses Problem der riesigen Kraftwerke zu umgehen, die nicht einmal bei der D-T-Fusion wirtschaftlich sind, geschweige denn bei der weitaus schwierigeren D-3He-Fusion, wurden eine Reihe anderer Reaktoren vorgeschlagen - der Fusor, Polywell, Focus-Fusion und viele andere, obwohl viele dieser Konzepte grundlegende Probleme mit der Erzielung eines Netto-Energiegewinns haben und im Allgemeinen versuchen, die Fusion im thermischen Ungleichgewicht zu erreichen, was sich möglicherweise als unmöglich erweisen könnte, und daher haben diese Langzeitprogramme trotz ihrer geringen Budgets oft Schwierigkeiten, Finanzmittel zu erhalten. Im Gegensatz zu den "großen", "heißen" Fusionssystemen könnten solche Systeme, sollten sie funktionieren, auf die "aneutronischen" Brennstoffe mit höheren Barrieren skaliert werden, weshalb ihre Befürworter eher die p-B-Fusion fördern, die keine exotischen Brennstoffe wie Helium-3 benötigt. ⓘ
Es wurde vorgeschlagen, 3He als Treibstoff in einer hypothetischen zweiten oder dritten Generation von Fusionsreaktoren zu verwenden. Solche Fusionsreaktoren hätten große Vorteile hinsichtlich der Verminderung von Radioaktivität. Ein weiterer möglicher Vorteil wäre, dass die emittierten Protonen, die den Energiegewinn der Helium-3-Fusionsreaktion tragen, durch elektrische und magnetische Felder eingefangen und ihre Energie direkt in Strom gewandelt werden könnte. ⓘ
Helium-3 bietet energieliefernde Kernreaktionen mit Deuterium oder auch – wenngleich technisch noch schwieriger zu realisieren – mit sich selbst (siehe Deuterium/Helium-3 und Helium-3/Helium-3). Beide Reaktionen sind durch Beschleunigerexperimente gut bekannt. Die Realisierbarkeit als Energiequelle liegt aber mindestens noch sehr viele Jahrzehnte in der Zukunft. ⓘ
Extraterrestrischer Bergbau
Mondoberfläche
Die Materialien auf der Mondoberfläche enthalten Helium-3 in Konzentrationen zwischen 1,4 und 15 ppb in sonnenbeschienenen Bereichen und können in ständig beschatteten Regionen Konzentrationen von bis zu 50 ppb aufweisen. Mehrere Personen, angefangen mit Gerald Kulcinski im Jahr 1986, haben vorgeschlagen, den Mond zu erforschen, das Mondregolith abzubauen und das Helium-3 für die Kernfusion zu verwenden. Aufgrund der geringen Helium-3-Konzentration müsste jede Bergbauanlage extrem große Mengen an Regolith verarbeiten (über 150 Tonnen Regolith, um ein Gramm Helium-3 zu gewinnen), und einige Vorschläge sehen vor, dass die Helium-3-Extraktion huckepack mit einem größeren Bergbau- und Entwicklungsvorhaben verbunden wird. ⓘ
Das Hauptziel der ersten Mondsonde der indischen Weltraumforschungsorganisation (Indian Space Research Organisation) namens Chandrayaan-1, die am 22. Oktober 2008 gestartet wurde, soll laut einigen Quellen darin bestehen, die Mondoberfläche auf helium-3-haltige Mineralien zu untersuchen. In der offiziellen Liste der Ziele des Projekts wird ein solches Ziel jedoch nicht erwähnt, obwohl viele der wissenschaftlichen Nutzlasten Anwendungen im Zusammenhang mit Helium-3 aufweisen. ⓘ
Der Kosmochemiker und Geochemiker Ouyang Ziyuan von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, der jetzt für das chinesische Monderkundungsprogramm verantwortlich ist, hat bereits mehrfach erklärt, dass eines der Hauptziele des Programms die Gewinnung von Helium-3 sei, aus dem "jedes Jahr drei Space-Shuttle-Missionen genügend Treibstoff für die gesamte Menschheit auf der ganzen Welt" liefern könnten. ⓘ
Im Januar 2006 gab das russische Raumfahrtunternehmen RKK Energiya bekannt, dass es Helium-3 auf dem Mond als potenzielle wirtschaftliche Ressource ansieht, die bis zum Jahr 2020 abgebaut werden könnte, sofern eine Finanzierung gefunden werden kann. ⓘ
Nicht alle Autoren sind der Meinung, dass die Gewinnung von Helium-3 auf dem Mond durchführbar ist oder dass es sogar eine Nachfrage nach Helium für die Kernfusion gibt. Dwayne Day, der 2015 in der Zeitschrift The Space Review schrieb, bezeichnet die Helium-3-Gewinnung auf dem Mond (zur Verwendung in der Kernfusion) als magisches/religiöses Denken und stellt die Machbarkeit der Gewinnung auf dem Mond im Vergleich zur Produktion auf der Erde in Frage. ⓘ
Andere Planeten
Der Abbau von Helium-3 auf Gasriesen wurde ebenfalls vorgeschlagen. Das hypothetische Projekt Daedalus der British Interplanetary Society für eine interstellare Sonde wurde beispielsweise durch Helium-3-Minen in der Jupiteratmosphäre angetrieben. Aufgrund der hohen Schwerkraft des Jupiters ist dies jedoch energetisch ungünstiger als die Gewinnung von Helium-3 aus den anderen Gasriesen des Sonnensystems. ⓘ
Verwendung
Polarisator für Neutronen
Da die Absorption von Neutronen durch Helium-3 stark spin-abhängig ist, kann das zuvor erwähnte hyperpolarisierte Helium-3 verwendet werden, um spinpolarisierte thermische Neutronenstrahlung zu erzeugen. Die Neutronen mit dem für die Absorption passenden Spin werden dabei vom Helium-3 abgefangen, die mit dem unpassenden Spin hingegen nicht. ⓘ