Elio-3

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Elio-3 oTralfio
Generalità
Simbolo3He
Protoni2
Neutroni1
Peso atomico3,0160293u
Abbondanza isotopica1,34(3)ppm
Proprietà fisiche
Spin½+
Emivitastabile
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L'elio-3(He-3o3He,talvolta anche "Tralfio"[1][2],per analogia coltrizio) è unisotopoleggero non radioattivo dell'eliocomposto da trenucleoni(dueprotonie unneutrone).

È un isotopo molto raro sullaTerra.Il3He è il solo isotopo stabile tra gli elementi che assieme al comuneidrogenoha più protoni che neutroni. Ha attualmente due principali utilizzi: rivelazione dei neutroni e criogenia.

Costituisce un potenziale candidato futuro come fonte di energia civile, perreattori a fusione nuclearedi seconda generazione. A differenza di altre reazioni di fusione nucleare, lafusione nuclearedegli atomi di elio-3 rilascia circa la stessa quantità di energia della fusione standard trizio-deuterio, ma non rilascia un neutrone (fusione aneutronica).[3]Potenzialmente farebbe quindi diventare menoradioattivoil materiale circostante rispetto alla fusione del trizio.

Tuttavia, le temperature richieste dalla fusione dell'elio-3 sono molto più alte rispetto alla reazione di fusione del trizio[4]e probabilmente il processo può provocare inevitabilmente altre reazioni nucleari che possono rendere radioattivo il materiale circostante.[5]

Si ritiene che l'elio-3 sia più diffuso sullaLuna,nello strato superiore delle rocceregolitichedove è stato incluso dalvento solarenel corso di miliardi di anni.[6]L'elio-3 si ritiene costituisca le rocce lunari in quantità di 0,01parti per milione,mentre 28 parti per milione sono di4He.[7]La massa dell'isotopo elio-3 è pari a3,0160293u.Si crede che la sua abbondanza sia maggiore neigiganti gassosidelsistema solare(residui dell'anticanebulosa solare).[8]

La sua esistenza è stata ipotizzata per la prima volta nel1934dal fisico australiano Mark Oliphant nelLaboratorio CavendishdellaCambridge University.È stato osservato per la prima volta alLawrence Berkeley National Laboratorynel1939daLuis Walter Álvareze daRobert Cornog.

Produzione dal decadimento del trizio

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Ilnuclide31He ha un'energia di legamepernucleonepari a 2,572681 MeV,[9]un valore minore di quella dell'isobaro32H, (2,827266MeV[10]), che quindi è un nuclide più fortemente legato di quello dell'elio-3. Tuttavia, avendo il trizio unamassa(3,01604927767u) leggermente superiore a quella del suo isobaro32He (3,01602931914 u), il suo decadimento per dare quest'ultimo (decadimentoβ−) risulta favorito e si completa con emissione di unelettroneveloce (radiazione beta) e unantineutrino elettronico.In tal modo l'atomo di trizio si trasforma quindi in unoionepositivo di elio-3, unelione:[11]

31H →32He++e−+νe

L'energia emessa in questo decadimento è pari a 18,591 keV[10]e viene ripartita comeenergia cineticatra il nucleo di elio-3 (in minima parte, trascurabile), l'elettrone e l'antineutrino emessi. L'energiamassima dell'elettrone emesso è quella del decadimento (Emax≈ 18,6 keV), mentre l'energia media è di ~5,7 keV.[12]L'emivita è pari a 12,32anni,che corrisponde ad unavita mediadi 17,77 anni.[10][13]

Dato che il decadimento trasforma un neutrone di3H in un protone in3He, e dato che entrambi i nuclei hanno lo stessospin(1/2+), questo decadimento è di tiposuper permesso,come quello del neutrone libero.[14]

Rivelazione di neutroni

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L'elio-3 è un isotopo importante anche per la costruzione di impianti per il rivelazione dineutroni.Possiede elevata sezione di assorbimento per i neutroni lenti (neutroni termici)[15]e viene usato come gas di conversione nei rilevatori. I neutroni sono convertiti secondo la reazione: n +3He →3H +1H +0,764MeVin nuclei di trizio (T,3H) eprotoni(p,1H+) che sono poi rivelati creando una nuvola di carica nel gas o di uncontatore proporzionaleo uncontatore Geiger.[16]

Inoltre, il processo di assorbimento dipende molto dallospin,cosa che permette ad un volume di elio-3 polarizzato di lasciar passare i neutroni con un dato spin e di assorbire gli altri. Questo effetto viene usato per l'analisi della polarizzazione dei neutroni, una tecnica di analisi delle proprietà magnetiche della materia.[17]

Criogenia

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Diagramma di fase dell'elio-3 a bassa temperatura.

Irefrigeratori a diluizioneusano una miscela di elio-3 ed elio-4 per raggiungere temperature criogeniche nell'ordine del millesimo dikelvin.

Una proprietà importante dell'elio-3, che lo differenzia dal più comune elio-4, è che il suo nucleo è unfermione,poiché contiene un numero dispari di particelle conspinsemintero pari a1⁄2.I nuclei dell'elio-4 sonobosoni,poiché contengono un numero pari di particelle con spin1⁄2.Questa è una diretta conseguenza delle regole di somma delmomento angolaretotale. A bassa temperatura, circa 2.17 K, l'elio-4 ha unatransizione di fasediventando unsuperfluidoche è con buona approssimazione unCondensato di Bose-Einstein.Questo non accade per gli atomi di elio-3, che sono fermioni. Per molto tempo si è previsto che a temperatura sufficientemente bassa, anche gli atomi di elio-3 formassero delle coppia analoghe allecoppie di Cooperdellateoria BCSdellasuperconduttività.Ogni coppia di Cooper avendo spin intero, può essere considerato un bosone. Durante glianni settanta,David Morris Lee,Douglas OsheroffeRobert Coleman Richardsonhanno trovato due fasi superfluide dell'elio-3.[18]La transizione a superfluido avviene a 2.491 mK sulla curva di liquefazione. Per questa scoperta hanno ricevuto ilPremio Nobel per la fisicanel1996.Anthony James Leggettha vinto il medesimo premio nel2003per il suo lavoro nella comprensione dettagliata della fase superfluida dell'elio-3.[19]

In campo magnetico nullo, vi sono due distinte fase dell'elio-3, la fase A e la fase B, vedi figura. La fase B è la fase a più bassa temperatura e pressione che hagap di energiaisotropa. La fase A è a più alta temperatura e pressione, e in presenza di un campo magnetico viene stabilizzata: la gap non è simmetrica avendo due nodi. La presenza di due fasi è la chiara indicazione che l'elio-3 è un superfluido non convenzionale, infatti la presenza di due fasi richiede un'ulteriore rottura simmetria oltre alla rottura dellasimmetria di gauge.Infatti è un superfluido di onda-pcon spinS=1 e momento angolareL=1.

Effetto Pomerantschuk

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Nel 1950Isaak Pomerančuk[20]propose che l'elio-3 potesse essere raffreddato comprimendolo. Solo 15 anni dopo,[21]quando vi era abbastanza elio-3, fu dimostrato che il metodo era possibile. Un criostato più raffinato basato su tale principio fu utilizzato per trovare la superfluidità dell'elio-3.

La ragione di questo strano comportamento dell'elio-3 è che mentre l'elio-3 liquido si comporta come un liquido di Fermi, cioè è simile aglielettroni liberidi un metallo, e quindi ha un'entropia che diminuisce linearmente con la temperatura. Al contrario la fase solida ha un'entropia praticamente costante che è quella di un insieme disordinato di particelle di spin 1/2 poco interagenti. A temperatura maggiore i modifononicidiventano più importanti in quanto latemperatura di Debyeè circa 30 K, ma qui si sta parlando della regione al di sotto di 0,5 K. Per questa ragione a temperatura inferiore a 0,31 K la fase solida ha un'entropia maggiore di quella liquida e quindi nella trasformazione di fase da liquido a solido, viene assorbito calore. Il calore latente di solidificazione è circa 0,4 J per mole a 0,1 K: è una quantità notevole per le temperature in gioco.

Attualmente per raggiungere temperature così basse si preferisce usare la demagnetizzazione nucleare che è una tecnica più semplice e che permette di raggiungere temperature ancora più basse, ma per circa 30 anni l'effetto Pomerančuk è stato utilizzato in molti laboratori.

Reazioni di fusione

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Reazioni di fusione dell'elio-3[22][23][24][25][26]
Reagenti Prodotti Energia rilasciata
Combustibili di prima generazione
21H+21H → 32He +10n 3,268MeV
21H+21H → 31H+11p 4,032MeV
21H+31H → 42He+10n 17,571MeV
Combustibili di seconda generazione
21H+32He → 42He+11p 18,354MeV
Combustibili di terza generazione
32He +32He → 42He+ 211p 12,86MeV

Alcuni processi di fusione producono neutroni ad alta energia che rendono radioattivi i componenti che vengono colpiti dal loro bombardamento, per cui la creazione di energia deve avvenire tramite calore.

Il vantaggio della fusione dell'elio-3 col deuterio deriva dalla natura della sua reazione: di per sé non è radioattivo e l'unico protone ad alta energia creato nella reazione può facilmente essere controllato con campi magnetici ed elettrici.[27]

Tuttavia, dato che entrambi i reagenti devono essere mischiati insieme per raggiungere la fusione, potrebbero avvenire delle reazioni collaterali (21H+21He32He+32He), la prima delle quali non è aneutronica. Quindi ci sarebbe comunque unflusso neutronico,anche se molto inferiore a quello delle reazioni deuterio-trizio. L'utilizzo dei nuovi magnetisuperconduttoriad alta temperatura potrebbe fare rivalutare questa tecnologia, anche se rimangono i problemi di approvvigionamento dell'elio-3.

Inoltre, per via dell'altabarriera di Coulomb,le temperature necessarie per la fusione di21H+32He sono circa 3,3 volte più alte di quelle della fusione convenzionale21H+31H.

La quantità di elio-3 non è attualmente sufficiente per rimpiazzare icombustibili fossilitradizionali. La quantità totale di energia prodotta con la reazione3He +21H+ è di18,4MeV,che corrisponde a circa493MWh(4,93×108Wh) per ogni tre grammi di3He (unamole).

Se anche quella quantità dienergiapotesse essere convertita con un'efficienzadel 100%, impossibile dal punto di vista pratico, corrisponderebbe a solo 30 minuti di attività di una normale centrale elettrica da1GW;per sostituire la produzione annuale di una centrale simile servirebbero17,5kgdi isotopi; tuttavia ad oggi, l'efficienza di conversione tra la centrale elettrica e la rete elettrica commerciale è di circa il 30%, per cui sarebbero necessari oltre 50 kg di elio all'anno per rimpiazzare una sola centrale.

Poiché secondo laEnergy Information AdministrationdegliStati Uniti,l'energia consumata per il solo uso domestico negliStati Unitiammontava nel 2001 a 1 140 miliardi di chilowattora, (1,114×1015Wh), servirebbero6,7tdi elio-3 con un ipotetico 100% di efficienza, oppure 20 tonnellate all'anno con una conversione più realistica.

Produzione

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L'elio-3 è molto raro e non viene in genere trovato in depositi naturali. Per questo viene prodotto artificialmente. L'elio-3 è un sottoprodotto deldecadimento nuclearedeltrizioche può essere prodotto bombardando con neutronilitio,borooazoto.

Attualmente una parte delle scorte di elio-3 derivano dallo smantellamento dellearmi nucleari,in cui si è accumulato col tempo; circa 150 chilogrammi di elio-3 sono stati ottenuti dal decadimento della produzione statunitense di trizio a partire dal 1955, che veniva realizzato principalmente per le testate nucleari.[28]

La produzione e stoccaggio di grandi quantità di trizio è un processo antieconomico, poiché servono circa 18 tonnellate di trizio per produrre una tonnellata di elio-3 in un anno di tempo (N γ=N t½/ (ln2)).[29]

Unire trizio elitio-6consuma i neutroni, mentre unirlo con litio-7 produce un neutrone a bassa energia come rimpiazzo per il neutrone consumato. Questi processi per essere svolti sulla Terra richiedono però un flusso di neutroni ad alta energia.

Imaging dei polmoni

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L'elio-3 polarizzato può essere prodotto direttamente conlaserad alta potenza. Il gas magnetizzato può essere poi contenuto in cilindri di metallo dotati di una pellicola protettiva dicesioa pressioni di 10atmosfereper un tempo che può arrivare fino a 100 ore. Se il gas viene inalato, è possibile ottenere delle immagini tramiterisonanza magneticache danno un'analisi filmata in tempo reale del funzionamento dei polmoni. È una tecnica sperimentale ancora in via di sviluppo.[30]

La presenza sulla Terra

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3He è una sostanza primordiale delmantello terrestre,che si pensa sia stata intrappolata nel suolo durante la formazione del pianeta. il rapporto tra3He e4He nella crosta e nel mantello terrestri è in genere basso (inferiore ad esempio a quello dellacorona solare), per via dell'aumento di4He dovuto a decadimento.

L'elio-3 è presente nel mantello con un rapporto di 200-300 parti di3He per un milione di parti di4He.

È presente anche nell'atmosfera,in misura minore. L'elio-3 costituisce lo 0,000138% dell'elio naturale, con 5,2 parti di elio-3 per milione di parti di elio. Si stima che vi siano 35 000 tonnellate di elio-3 nell'atmosfera.

L'elio-3 prodotto nella terra deriva da tre fonti: laspallazione nuclearedellitio,iraggi cosmicie il decadimento del trizio (3H). Il contributo dei raggi cosmici è insignificante, salvo che nelle regoliti più antiche, e la spallazione contribuisce in misura minima, inferiore alla produzione di4He tramite emissioni diparticelle alfa.

La quantità totale di elio-3 nel mantello è stimata tra 100 000 e un milione di tonnellate, ma non è direttamente accessibile. Filtra lentamente da vulcani sotterranei, come quelli delleHawaii,e solo 300 grammi di elio-3 entrano nell'atmosfera ogni anno dal fondale hawaiano. Altri 3 kg provengono dalledorsali oceaniche.Intorno allezone di subduzionevi sono depositi di elio-3 misti a gas naturale, dove si stima vi siano fino a 25 000 tonnellate di materiale.

Le fonti crostali di gas naturale potrebbero assommare a mezza tonnellata di elio-3 in totale e altre 4 tonnellate potrebbero trovarsi nelle particelle di polvere interplanetaria sui fondali oceanici. Estrarre elio-3 da queste fonti consuma più energia di quella fornita: anche dalle fonti più efficienti, l'energia consumata è dieci volte quella restituita dalla fusione.[29]

Fonti extraterrestri

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SullaLunale rocce regolitiche costituiscono una ricca fonte di elio-3.[31]All'inizio delXXI secolomolti stati hanno annunciato di aver rilanciato l'esplorazione lunare per sfruttare le risorse del satellite. La quantità esatta di elio-3 depositato dal vento solare nelle rocce non è nota e potrebbe non essere comunque redditizio estrarlo.

Nel gennaio 2006 la compagnia spaziale russaRKK Ėnergijaha annunciato di prevedere di poter estrarre elio-3 dalla Luna entro il 2020.[32]

Ouyang Ziyuan, capo delProgramma Chang'e(Chang'e 1,Chang'e 2eChang'e 3) per l'esplorazione della Luna, ha affermato in passato che uno dei principali obiettivi del programma è ottenere una fonte di elio-3 da cui trarre il combustibile per la generazione di energia, che verrà trasportato sulla terra da appositi shuttle ogni tre anni.[33]

È stato proposto anche di prelevare l'elio-3 da giganti gassosi. La British Interplanetary Society varò un ipoteticoProgetto Daedalusper una sonda interstellare, che dovrebbe utilizzare come combustibile una miscela di deuterio/elio-3, quest'ultimo raccolto dall'atmosfera diGiove.

Note

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  1. ^D. Galli,The cosmic saga of3He,a cura di L. Pasquini e S. Randich,Chemical Abundances and Mi xing in Stars in the Milky Way and its Satellites,settembre 2004,arXiv:astro-ph/0412380v1.
  2. ^[1]
  3. ^Principles of fusion energy: an introduction to fusion energy for students of science and engineering,Reprint, World Scientific, 2008,ISBN978-981-238-033-3.
  4. ^John Matson,Is MOON's Sci-Fi Vision of Lunar Helium 3 Mining Based in Reality?,suScientific American – News Blog,12 giugno 2009.URL consultato il 29 agosto 2017.
  5. ^Frank Close,Fears Over Factoids(PDF), suCERN Document Server,Physicsworld, agosto 2007.
  6. ^Fa WenZhe e Jin YaQiu,Global inventory of Helium-3 in lunar regoliths estimated by a multi-channel microwave radiometer on the Chang-E 1 lunar satellite,dicembre 2010.URL consultato il 17 novembre 2019(archiviato dall'url originalel'11 ottobre 2017).
  7. ^E.N. Slyuta et al.,The estimation of helium-3 probable reserves in lunar regolith(PDF), inLunar and Planetary ScienceXXXVIII,vol. 38, 2007.
  8. ^E. N. Slyuta, A. M. Abdrakhimov, e E. M. Galimov,The Estimation of Helium-3 Probable Reserves in Lunar Regolith(PDF),38th Lunar and Planetary Science Conference,2007, p. 2175.
  9. ^Isotope data for helium-3 in the Periodic Table,superiodictable.URL consultato il 24 marzo 2023.
  10. ^abcIsotope data for tritium in the Periodic Table,superiodictable.URL consultato il 24 marzo 2023.
  11. ^Il quale è uno ioneidrogenoide,avendo un solo elettrone.
  12. ^Decay information,suatom.kaeri.re.kr.URL consultato il 24 marzo 2023.
  13. ^L.L. Lucas e M.P. Unterweger,Comprehensive review and critical evaluation of the half-life of tritium,inJournal of Research of the National Institute of Standards and Technology,vol. 105, n. 4, 2000-07, pp. 541,DOI:10.6028/jres.105.043.URL consultato il 18 febbraio 2024.
  14. ^(EN)Radioactivity - Applications of radioactivity | Britannica,subritannica.URL consultato il 24 marzo 2023.
  15. ^B. Haesner, W. Heeringa e H. O. Klages,Measurement of the $^{3}\mathrm{He}$ and $^{4}\mathrm{He}$ total neutron cross sections up to 40 MeV,inPhysical Review C,vol. 28, n. 3, 1º settembre 1983, pp. 995–999,DOI:10.1103/PhysRevC.28.995.URL consultato il 20 luglio 2024.
  16. ^A Modular Neutron Detector | Summer 2003| Los Alamos National Laboratory,sulanl.gov,3 maggio 2008.URL consultato il 20 luglio 2024(archiviato dall'url originaleil 3 maggio 2008).
  17. ^NCNR Neutron Spin Filters,suncnr.nist.gov,20 maggio 2007.URL consultato il 20 luglio 2024(archiviato dall'url originaleil 20 maggio 2007).
  18. ^D. D. Osheroff, R. C. Richardson e D. M Lee,Evidence for a New Phase of Solid He3,inPhysical Review Letters,vol. 28, 1972, pp. 885-888,Bibcode:1972PhRvL..28..885O,DOI:10.1103/PhysRevLett.28.885.
  19. ^A. J. Leggett,Interpretation of Recent Results on He3below 3 mK: A New Liquid Phase?,inPhysical Review Lett.,vol. 29, 1972, pp. 1227-1230,Bibcode:1972PhRvL..29.1227L,DOI:10.1103/PhysRevLett.29.1227.
  20. ^I. Pomerančuk, Ž. Eksp. I Teor. Fiz,20,p.919 (1950)
  21. ^Y. D. Anufriev, Sov. Phys. J. E. Lett.1,p.155 (1965)
  22. ^(EN)Inertial Electrostatic Confinement Fusion,sumembers.tm.net.
  23. ^(EN)Nuclear Fission and Fusion: Fusion,sulancs.ac.uk.
  24. ^(EN)The Fusion Reaction,sulibrary.thinkquest.org.URL consultato il 15 giugno 2007(archiviato dall'url originaleil 31 luglio 2013).
  25. ^J.F. Santarius et al.,A strategy for D3He fusion development(PDF), inFusion Technology Institute,2006.URL consultato il 15 giugno 2007(archiviato dall'url originaleil 3 luglio 2007).
  26. ^(EN)HyperPhysics: Nuclear Reactions,suhyperphysics.phy-astr.gsu.edu.
  27. ^John Santarius,Lunar3He and Fusion Power(PDF), sufti.neep.wisc.edu,28 settembre 2004.URL consultato il 15 giugno 2007(archiviato dall'url originaleil 3 luglio 2007).
  28. ^(EN) Hisham Zerriffi,Tritium Production: DOE Moves Ahead Where Nonproliferationists Fear to Tread,suieer.org.IEER, Science for Democratic Action Vol. 5 Nº 1 1996
  29. ^ab(EN) L.J. Wittenberg,Non-Lunar3He Resources(PDF), sufti.neep.wisc.edu,luglio 1994.URL consultato il 15 giugno 2007(archiviato dall'url originaleil 17 giugno 2016).
  30. ^(EN)Take a deep breath of nuclear spin,sucerncourier,2 ottobre 2001.
  31. ^(EN)Lunar Mining of Helium-3,sufti.neep.wisc.edu,Fusion Technology Institute.URL consultato il 15 giugno 2007(archiviato dall'url originaleil 4 settembre 2006).
  32. ^(EN)Russian Rocket Builder Aims for Moon Base by 2015, Reports Say,suSpace,26 gennaio 2006.
  33. ^(EN) Jia Hepeng,He asked for the moon-and got it,suchinadaily.cn,China Daily, 26 luglio 2007.

Collegamenti esterni

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