El helio-3 ( 3 He [1] [2] ver también helio ) es un isótopo de helio ligero y estable con dos protones y un neutrón (por el contrario, el isótopo más común, el helio-4, tiene dos protones y dos neutrones). Aparte del protio ( hidrógeno ordinario ), el helio-3 es el único isótopo estable de cualquier elemento con más protones que neutrones. El helio-3 fue descubierto en 1939.
El helio-3 se presenta como un nucleido primordial , que escapa de la corteza terrestre a su atmósfera y al espacio exterior durante millones de años. También se cree que el helio-3 es un nucleido nucleogénico y cosmogénico natural , producido cuando el litio es bombardeado por neutrones naturales, que pueden liberarse mediante fisión espontánea y reacciones nucleares con rayos cósmicos . Parte del helio-3 que se encuentra en la atmósfera terrestre es también un artefacto de las pruebas de armas nucleares atmosféricas y submarinas .
Se ha especulado mucho sobre la posibilidad del helio-3 como fuente de energía futura . A diferencia de la mayoría de las reacciones de fusión nuclear , la fusión de átomos de helio-3 es aneutrónica y libera grandes cantidades de energía sin provocar que el material circundante se vuelva radiactivo . Sin embargo, las temperaturas necesarias para lograr reacciones de fusión de helio-3 son mucho más altas que en las reacciones de fusión tradicionales, [3] y el proceso puede crear inevitablemente otras reacciones que por sí mismas provocarían que el material circundante se volviera radiactivo. [4]
Se cree que la abundancia de helio-3 es mayor en la Luna que en la Tierra, ya que fue creado en la capa superior del regolito por el viento solar durante miles de millones de años, [5] aunque su abundancia aún es menor que en el gas del Sistema Solar. gigantes . [6] [7]
La existencia de helio-3 fue propuesta por primera vez en 1934 por el físico nuclear australiano Mark Oliphant mientras trabajaba en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge . Oliphant había realizado experimentos en los que deuterones rápidos chocaban con objetivos de deuterones (por cierto, la primera demostración de fusión nuclear ). [8] Luis Álvarez y Robert Cornog lograron por primera vez el aislamiento del helio-3 en 1939. [9] [10] Se pensaba que el helio-3 era un isótopo radiactivo hasta que también se encontró en muestras de helio natural, que es principalmente helio-4 , extraído tanto de la atmósfera terrestre como de pozos de gas natural . [11]
Debido a su baja masa atómica de 3,016 u , el helio-3 tiene algunas propiedades físicas diferentes a las del helio-4, con una masa de 4,0026 u. Debido a la débil interacción dipolo-dipolo inducida entre los átomos de helio, sus propiedades físicas microscópicas están determinadas principalmente por su energía de punto cero . Además, las propiedades microscópicas del helio-3 hacen que tenga una energía de punto cero más alta que el helio-4. Esto implica que el helio-3 puede superar las interacciones dipolo-dipolo con menos energía térmica que el helio-4.
Los efectos de la mecánica cuántica sobre el helio-3 y el helio-4 son significativamente diferentes porque con dos protones , dos neutrones y dos electrones , el helio-4 tiene un espín general de cero, lo que lo convierte en un bosón , pero con un neutrón menos, el helio-4. 3 tiene un giro total de la mitad, lo que lo convierte en un fermión .
El gas helio-3 puro hierve a 3,19 K en comparación con el helio-4 a 4,23 K, y su punto crítico también es menor a 3,35 K, en comparación con el helio-4 a 5,2 K. El helio-3 tiene menos de la mitad de la densidad del helio-3. 4 cuando está en su punto de ebullición: 59 g/L frente a los 125 g/L del helio-4 a una presión de una atmósfera. Su calor latente de vaporización también es considerablemente menor, 0,026 kJ/mol , en comparación con los 0,0829 kJ/mol del helio-4. [12] [13]
3 Él es una sustancia primordial en el manto de la Tierra , que se cree que quedó atrapada en la Tierra durante la formación planetaria. La proporción de 3 He a 4 He dentro de la corteza y el manto de la Tierra es menor que la de las estimaciones de la composición del disco solar obtenidas a partir de muestras de meteoritos y lunares, y los materiales terrestres generalmente contienen proporciones más bajas de 3 He/ 4 He debido a la producción de 4 He. de la desintegración radiactiva.
3 He tiene una proporción cosmológica de 300 átomos por millón de átomos de 4 He (aprox. ppm), [14] lo que lleva a suponer que la proporción original de estos gases primordiales en el manto era de alrededor de 200-300 ppm cuando se formó la Tierra. A lo largo de la historia de la Tierra, la desintegración de partículas alfa de uranio, torio y otros isótopos radiactivos ha generado cantidades significativas de 4 He, de modo que sólo alrededor del 7% del helio que ahora se encuentra en el manto es helio primordial, [14] reduciendo el total de 3 He/ 4. Su proporción es de alrededor de 20 ppm. Proporciones de 3 He/ 4 He en exceso de las atmosféricas son indicativas de un aporte de 3 He desde el manto. Las fuentes de la corteza terrestre están dominadas por el 4 He producido por desintegración radiactiva.
La proporción de helio-3 a helio-4 en fuentes naturales terrestres varía mucho. [15] [16] Se encontró que muestras de espodumeno de mineral de litio de la mina Edison, Dakota del Sur, contenían 12 partes de helio-3 por un millón de partes de helio-4. Las muestras de otras minas mostraron 2 partes por millón. [15]
El helio también está presente en hasta un 7% en algunas fuentes de gas natural, [17] y las fuentes grandes tienen más del 0,5% (más del 0,2% hace que su extracción sea viable). [18] Se encontró que la fracción de 3 He en helio separado del gas natural en los EE. UU. oscilaba entre 70 y 242 partes por mil millones. [19] [20] Por lo tanto, la reserva estadounidense de 2002 de mil millones de m 3 normales [18] habría contenido alrededor de 12 a 43 kilogramos (26 a 95 libras) de helio-3. Según el físico estadounidense Richard Garwin , alrededor de 26 metros cúbicos (920 pies cúbicos) o casi 5 kilogramos (11 libras) de 3 He están disponibles anualmente para su separación de la corriente de gas natural estadounidense. Si el proceso de separación del 3 He pudiera emplear como materia prima el helio licuado que normalmente se utiliza para transportar y almacenar cantidades a granel, las estimaciones del costo incremental de energía oscilan entre $34 y $300 por litro ($150 a $1360/imp gal) NTP, excluyendo el Costo de infraestructura y equipamiento. [19] Se supone que la producción anual de gas de Argelia contiene 100 millones de metros cúbicos normales [18] y esto contendría entre 7 y 24 metros cúbicos (250 y 850 pies cúbicos) de helio-3 (alrededor de 1 a 4 kilogramos (2,2 a 8,8 lb)) suponiendo una fracción similar de 3 He.
3 También está presente en la atmósfera terrestre . La abundancia natural de 3 He en el gas helio natural es 1,38 × 10−6 (1,38 partes por millón). La presión parcial del helio en la atmósfera terrestre es de aproximadamente 0,52 pascales (7,5 × 10 −5 psi) y, por lo tanto, el helio representa 5,2 partes por millón de la presión total (101325 Pa) en la atmósfera terrestre y, por lo tanto, 3 He representa 7,2 partes por billón de la atmósfera. Dado que la atmósfera de la Tierra tiene una masa de aproximadamente 5,14 × 10 18 kilogramos (1,133 × 10 19 lb), [21] la masa de 3 He en la atmósfera terrestre es el producto de estos números, o aproximadamente 37 000 toneladas (36 000 toneladas; 41.000 toneladas cortas) de 3 He. (De hecho, la cifra efectiva es diez veces menor, ya que las ppm anteriores son ppmv y no ppmw. Hay que multiplicar por 3 (la masa molecular del helio-3) y dividir por 29 (la masa molecular media de la atmósfera), lo que da como resultado en 3.828 toneladas (3.768 toneladas largas; 4.220 toneladas cortas) de helio-3 en la atmósfera terrestre).
3 Se produce en la Tierra a partir de tres fuentes: espalación del litio , rayos cósmicos y desintegración beta del tritio ( 3 H). La contribución de los rayos cósmicos es insignificante en todos los materiales excepto en los regolitos más antiguos, y las reacciones de espalación del litio contribuyen menos que la producción de 4 He por emisiones de partículas alfa .
La cantidad total de helio-3 en el manto puede estar en el rango de 0,1 a 1 megatonelada (98.000 a 984.000 toneladas largas; 110.000 a 1.100.000 toneladas cortas). Sin embargo, no se puede acceder directamente a la mayor parte del manto. Parte del helio-3 se filtra a través de volcanes de fuentes profundas , como los de las islas hawaianas , pero sólo se emiten a la atmósfera 300 gramos (11 onzas) por año. Las dorsales en medio del océano emiten otros 3 kilogramos por año (8,2 g/d). Alrededor de las zonas de subducción , varias fuentes producen helio-3 en depósitos de gas natural que posiblemente contengan mil toneladas de helio-3 (aunque puede haber 25 mil toneladas si todas las zonas de subducción antiguas tienen tales depósitos). Wittenberg estimó que las fuentes de gas natural de la corteza terrestre de Estados Unidos pueden tener sólo media tonelada en total. [22] Wittenberg citó la estimación de Anderson de otras 1.200 toneladas (1.200 toneladas largas; 1.300 toneladas cortas) de partículas de polvo interplanetario en los fondos oceánicos. [23] En el estudio de 1994, la extracción de helio-3 de estas fuentes consume más energía de la que liberaría la fusión. [24]
Ver Minería extraterrestre o Recursos lunares
Una de las primeras estimaciones de la proporción primordial de 3 He a 4 He en la nebulosa solar ha sido la medición de su proporción en la atmósfera de Júpiter, medida por el espectrómetro de masas de la sonda de entrada atmosférica Galileo. Esta relación es aproximadamente 1:10.000, [25] o 100 partes de 3 He por millón de partes de 4 He. Esta es aproximadamente la misma proporción de isótopos que en el regolito lunar , que contiene 28 ppm de helio-4 y 2,8 ppb de helio-3 (que se encuentra en el extremo inferior de las mediciones de muestras reales, que varían de aproximadamente 1,4 a 15 ppb). Sin embargo, las proporciones terrestres de los isótopos son inferiores en un factor de 100, principalmente debido al enriquecimiento de las reservas de helio-4 en el manto por miles de millones de años de desintegración alfa del uranio , el torio , así como sus productos de desintegración y radionucleidos extintos .
Prácticamente todo el helio-3 utilizado hoy en día en la industria se produce a partir de la desintegración radiactiva del tritio , dada su bajísima abundancia natural y su altísimo coste.
La producción, las ventas y la distribución de helio-3 en los Estados Unidos están gestionadas por el Programa de Isótopos DOE del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE). [26]
Si bien el tritio tiene varios valores diferentes de su vida media determinados experimentalmente , el NIST enumera4.500 ± 8 días (12,32 ± 0,02 años ). [27] Se desintegra en helio-3 por desintegración beta como en esta ecuación nuclear:
Entre la energía total liberada de18,6 keV , la parte que corresponde a la energía cinética del electrón varía, con un promedio de5,7 keV , mientras que la energía restante es absorbida por el casi indetectable antineutrino electrónico . Las partículas beta del tritio pueden penetrar sólo unos 6,0 milímetros (0,24 pulgadas) de aire y son incapaces de atravesar la capa más externa muerta de la piel humana. [28] La energía inusualmente baja liberada en la desintegración beta del tritio hace que la desintegración (junto con la del renio-187 ) sea apropiada para mediciones de masa absoluta de neutrinos en el laboratorio (el experimento más reciente es KATRIN ).
La baja energía de la radiación del tritio dificulta la detección de compuestos marcados con tritio, excepto mediante el recuento de centelleo líquido .
El tritio es un isótopo radiactivo del hidrógeno y normalmente se produce bombardeando litio-6 con neutrones en un reactor nuclear. El núcleo de litio absorbe un neutrón y se divide en helio-4 y tritio. El tritio se desintegra en helio-3 con una vida media de12,3 años , por lo que se puede producir helio-3 simplemente almacenando el tritio hasta que sufra desintegración radiactiva. Como el tritio forma un compuesto estable con oxígeno ( agua tritiada ) mientras que el helio-3 no, el proceso de almacenamiento y recolección podría recolectar continuamente el material que se desgasifica del material almacenado.
El tritio es un componente crítico de las armas nucleares e históricamente se produjo y almacenó principalmente para esta aplicación. La desintegración del tritio en helio-3 reduce el poder explosivo de la ojiva de fusión, por lo que periódicamente el helio-3 acumulado debe retirarse de los depósitos de las ojivas y el tritio almacenado. El helio-3 eliminado durante este proceso se comercializa para otras aplicaciones.
Durante décadas ésta ha sido, y sigue siendo, la principal fuente de helio-3 del mundo. [29] Sin embargo, desde la firma del Tratado START I en 1991, el número de ojivas nucleares que se mantienen listas para su uso ha disminuido. [30] [31] Esto ha reducido la cantidad de helio-3 disponible de esta fuente. Las reservas de helio-3 se han visto aún más disminuidas por el aumento de la demanda, [19] principalmente para su uso en detectores de radiación de neutrones y procedimientos de diagnóstico médico. La demanda industrial estadounidense de helio-3 alcanzó un máximo de 70.000 litros (15.000 imp gal; 18.000 gal EE.UU.) (aproximadamente 8 kilogramos (18 lb)) por año en 2008. Precio en subasta, históricamente alrededor de 100 dólares por litro (450 dólares/gal imp) ), llegó a alcanzar los 2.000 dólares por litro (9.100 dólares/gal imp). [32] Desde entonces, la demanda de helio-3 ha disminuido a aproximadamente 6.000 litros (1.300 imp gal; 1.600 gal EE.UU.) por año debido al alto costo y los esfuerzos del DOE para reciclarlo y encontrar sustitutos. Suponiendo una densidad de 114 gramos por metro cúbico (0,192 lb/cu yd) a 100 dólares/l de helio-3 sería aproximadamente una trigésima parte más caro que el tritio (aproximadamente 880 dólares por gramo (25.000 dólares/oz) frente a aproximadamente 30.000 dólares por gramo (850.000 dólares/oz). oz)), mientras que a 2.000 dólares/l el helio-3 sería aproximadamente la mitad de caro que el tritio (17.540 dólares por gramo (497.000 dólares/oz) frente a 30.000 dólares por gramo (850.000 dólares/oz)).
El DOE reconoció la creciente escasez de tritio y helio-3 y comenzó a producir tritio mediante irradiación de litio en la estación de generación nuclear Watts Bar de la Autoridad del Valle de Tennessee en 2010. [19] En este proceso, se utilizan varillas absorbentes combustibles productoras de tritio (TPBAR). ) que contienen litio en forma cerámica se insertan en el reactor en lugar de las barras de control de boro normales [33] Periódicamente se reemplazan los TPBAR y se extrae el tritio.
Actualmente, solo se utilizan dos reactores nucleares comerciales (las unidades 1 y 2 de la planta nuclear Watts Bar) para la producción de tritio, pero el proceso podría, si fuera necesario, ampliarse enormemente para satisfacer cualquier demanda imaginable simplemente utilizando más reactores de potencia del país [ cita necesario ] . También se podrían extraer cantidades sustanciales de tritio y helio-3 del moderador de agua pesada de los reactores nucleares CANDU . [19] [34] Se sabe que India y Canadá, los dos países con la mayor flota de reactores de agua pesada , extraen tritio del agua pesada moderadora/refrigerante, pero esas cantidades no son suficientes para satisfacer la demanda mundial de tritio o helio. -3.
Como el tritio también se produce inadvertidamente en diversos procesos en reactores de agua ligera (consulte el artículo sobre tritio para obtener más detalles), la extracción de esas fuentes podría ser otra fuente de helio-3. Sin embargo, si se toma como base la descarga anual de tritio (según cifras de 2018) en la instalación de reprocesamiento de La Hague , las cantidades descargadas (31,2 gramos (1,10 oz) en La Hague) no son suficientes para satisfacer la demanda, incluso si el 100% se podría lograr la recuperación.
El helio-3 se puede utilizar para realizar experimentos de eco de espín sobre dinámica de superficies , que se están llevando a cabo en el Grupo de Física de Superficies del Laboratorio Cavendish de Cambridge y en el Departamento de Química de la Universidad de Swansea .
El helio-3 es un isótopo importante en la instrumentación para la detección de neutrones . Tiene una sección transversal de alta absorción para haces de neutrones térmicos y se utiliza como gas convertidor en detectores de neutrones. El neutrón se convierte mediante la reacción nuclear.
en partículas cargadas, iones de tritio (T, 3 H) e iones de hidrógeno , o protones (p, 1 H) que luego se detectan creando una nube de carga en el gas de parada de un contador proporcional o un tubo Geiger-Müller . [37]
Además, el proceso de absorción depende fuertemente del espín , lo que permite que un volumen de helio-3 polarizado por espín transmita neutrones con un componente de espín mientras absorbe el otro. Este efecto se emplea en el análisis de polarización de neutrones, una técnica que investiga las propiedades magnéticas de la materia. [38] [39] [40] [41]
El Departamento de Seguridad Nacional de los Estados Unidos esperaba desplegar detectores para detectar plutonio de contrabando en contenedores de transporte por sus emisiones de neutrones, pero la escasez mundial de helio-3 tras la reducción de la producción de armas nucleares desde la Guerra Fría lo ha impedido hasta cierto punto. [42] A partir de 2012, el DHS determinó que el suministro comercial de boro-10 respaldaría la conversión de su infraestructura de detección de neutrones a esa tecnología. [43]
_0.002_K_region-en.svg/1280px-Phase_diagram_of_helium-3_(1975)_0.002_K_region-en.svg.png)
Un refrigerador de helio-3 utiliza helio-3 para alcanzar temperaturas de 0,2 a 0,3 kelvin . Un refrigerador de dilución utiliza una mezcla de helio-3 y helio-4 para alcanzar temperaturas criogénicas tan bajas como unas pocas milésimas de kelvin . [44]
Una propiedad importante del helio-3, que lo distingue del helio-4 más común, es que su núcleo es un fermión , ya que contiene un número impar de partículas de espín 1 ⁄ 2 . Los núcleos de helio-4 son bosones que contienen un número par de partículas de espín 1 ⁄ 2 . Este es un resultado directo de las reglas de suma para el momento angular cuantificado. A bajas temperaturas (alrededor de 2,17 K), el helio-4 sufre una transición de fase : una fracción del mismo entra en una fase superfluida que puede entenderse a grandes rasgos como un tipo de condensado de Bose-Einstein . Este mecanismo no está disponible para los átomos de helio-3, que son fermiones. Sin embargo, se especuló ampliamente que el helio-3 también podría convertirse en un superfluido a temperaturas mucho más bajas, si los átomos se formaran en pares análogos a los pares de Cooper en la teoría de superconductividad BCS . Cada par de Cooper, al tener espín entero, puede considerarse como un bosón. Durante la década de 1970, David Lee , Douglas Osheroff y Robert Coleman Richardson descubrieron dos transiciones de fase a lo largo de la curva de fusión, que pronto se supo que eran las dos fases superfluidas del helio-3. [45] [46] La transición a un superfluido se produce a 2,491 mikelvins en la curva de fusión. Por su descubrimiento recibieron el Premio Nobel de Física en 1996 . Alexei Abrikosov , Vitaly Ginzburg y Tony Leggett ganaron el Premio Nobel de Física en 2003 por su trabajo para perfeccionar la comprensión de la fase superfluida del helio-3. [47]
En un campo magnético cero, hay dos fases superfluidas distintas de 3 He, la fase A y la fase B. La fase B es la fase de baja temperatura y baja presión que tiene una brecha de energía isotrópica. La fase A es la fase de mayor temperatura y mayor presión que se estabiliza aún más mediante un campo magnético y tiene dos nodos puntuales en su espacio. La presencia de dos fases es una clara indicación de que el 3 He es un superfluido no convencional (superconductor), ya que la presencia de dos fases requiere que se rompa una simetría adicional, distinta a la simetría de calibre. De hecho, es un superfluido de onda p , con espín uno, S = 1, y momento angular uno, L = 1. El estado fundamental corresponde al momento angular total cero, J = S + L =0 (suma de vectores). Los estados excitados son posibles con momento angular total distinto de cero, J >0, que son modos colectivos de pares excitados. Debido a la extrema pureza del superfluido 3 He (dado que todos los materiales excepto 4 He se han solidificado y hundido en el fondo del líquido 3 He y cualquier 4 He tiene fases completamente separadas, este es el estado de materia condensada más pura), estos modos colectivos Se han estudiado con mucha mayor precisión que en cualquier otro sistema de emparejamiento no convencional.
Los núcleos de helio-3 tienen un espín nuclear intrínseco de 1 ⁄ 2 y una relación magnetogírica relativamente alta . El helio-3 se puede hiperpolarizar utilizando medios fuera del equilibrio, como el bombeo óptico de intercambio de espín. [48] Durante este proceso, se utiliza luz láser infrarroja polarizada circularmente , sintonizada a la longitud de onda adecuada, para excitar electrones en un metal alcalino , como cesio o rubidio , dentro de un recipiente de vidrio sellado. El momento angular se transfiere de los electrones de los metales alcalinos a los núcleos de los gases nobles mediante colisiones. En esencia, este proceso alinea eficazmente los espines nucleares con el campo magnético para mejorar la señal de RMN . Luego, el gas hiperpolarizado puede almacenarse a presiones de 10 atm durante un máximo de 100 horas. Después de la inhalación, se pueden obtener imágenes de mezclas de gases que contienen helio-3 hiperpolarizado con un escáner de resonancia magnética para producir imágenes anatómicas y funcionales de la ventilación pulmonar. Esta técnica también es capaz de producir imágenes del árbol de las vías respiratorias, localizar defectos no ventilados, medir la presión parcial de oxígeno alveolar y medir la relación ventilación/perfusión . Esta técnica puede ser fundamental para el diagnóstico y tratamiento de enfermedades respiratorias crónicas como la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) , el enfisema , la fibrosis quística y el asma . [49]
Tanto el tokamak Alcator C-Mod del MIT como el Joint European Torus (JET) han experimentado añadiendo un poco de helio-3 a un plasma H-D para aumentar la absorción de energía de radiofrecuencia (RF) para calentar los iones de hidrógeno y deuterio. un efecto de "tres iones". [50] [51]
3 He puede producirse mediante la fusión a baja temperatura de → 3 He + γ + 4,98 MeV. Si la temperatura de fusión es inferior a la necesaria para que se fusionen los núcleos de helio, la reacción produce una partícula alfa de alta energía que rápidamente adquiere un electrón produciendo un ion de helio ligero y estable que puede utilizarse directamente como fuente de electricidad sin producir neutrones peligrosos.
3 He puede usarse en reacciones de fusión mediante cualquiera de las reacciones 2 H + 3 He → 4 He + 1 p + 18,3 MeV , o 3 He + 3 He → 4 He + 2 1 p + 12,86 MeV.
El proceso convencional de fusión deuterio + tritio ("DT") produce neutrones energéticos que hacen que los componentes del reactor sean radiactivos con productos de activación . El atractivo de la fusión de helio-3 surge de la naturaleza aneutrónica de sus productos de reacción. El helio-3 en sí no es radiactivo. El único subproducto de alta energía, el protón , puede contenerse mediante campos eléctricos y magnéticos. La energía de impulso de este protón (creada en el proceso de fusión) interactuará con el campo electromagnético que lo contiene, lo que dará como resultado la generación neta directa de electricidad. [57]
Debido a la barrera de Coulomb más alta , las temperaturas requeridas para la fusión 2 H + 3 He son mucho más altas que las de la fusión DT convencional . Además, dado que ambos reactivos deben mezclarse para fusionarse, se producirán reacciones entre núcleos del mismo reactivo y la reacción DD ( 2 H + 2 H ) produce un neutrón . Las velocidades de reacción varían con la temperatura, pero la velocidad de reacción del D- 3 He nunca es mayor que 3,56 veces la velocidad de reacción del DD (ver gráfico). Por lo tanto, la fusión utilizando combustible D- 3 He a la temperatura adecuada y una mezcla de combustible pobre en D puede producir un flujo de neutrones mucho menor que la fusión DT, pero no es limpia, lo que anula parte de su principal atractivo.
La segunda posibilidad, fusionar 3 He consigo mismo ( 3 He + 3 He ), requiere temperaturas aún más altas (ya que ahora ambos reactivos tienen una carga +2) y, por lo tanto, es incluso más difícil que la reacción de D- 3 He . Sin embargo, ofrece una posible reacción que no produce neutrones; Los protones cargados producidos pueden contenerse mediante campos eléctricos y magnéticos, lo que a su vez da como resultado la generación directa de electricidad. La fusión 3 He + 3 He es factible como se ha demostrado en el laboratorio y tiene inmensas ventajas, pero la viabilidad comercial está a muchos años de distancia. [58]
Las cantidades de helio-3 necesarias como sustituto de los combustibles convencionales son sustanciales en comparación con las cantidades disponibles actualmente. La cantidad total de energía producida en la reacción 2 D + 3 He es de 18,4 M eV , lo que corresponde a unos 493 megavatios-hora (4,93×10 8 W·h) por tres gramos (un mol ) de 3 He . Si la cantidad total de energía pudiera convertirse en energía eléctrica con un 100% de eficiencia (una imposibilidad física), correspondería a unos 30 minutos de producción de una planta eléctrica de gigavatios por mol de 3 He . Por tanto, la producción anual (a razón de 6 gramos por cada hora de funcionamiento) requeriría 52,5 kilogramos de helio-3. La cantidad de combustible necesaria para aplicaciones a gran escala también puede expresarse en términos de consumo total: el consumo de electricidad de 107 millones de hogares estadounidenses en 2001 [59] ascendió a 1.140 mil millones de kW·h (1,14×10 15 W·h). Suponiendo nuevamente una eficiencia de conversión del 100%, se necesitarían 6,7 toneladas por año de helio-3 para ese segmento de la demanda de energía de los Estados Unidos, de 15 a 20 toneladas por año dada una eficiencia de conversión de extremo a extremo más realista. [ cita necesaria ]
Un enfoque de segunda generación para la energía de fusión controlada implica combinar helio-3 y deuterio, 2 D. Esta reacción produce una partícula alfa y un protón de alta energía . La ventaja potencial más importante de esta reacción de fusión para la producción de energía, así como para otras aplicaciones, radica en su compatibilidad con el uso de campos electrostáticos para controlar los iones del combustible y los protones de fusión. Los protones de alta velocidad, como partículas cargadas positivamente, pueden convertir su energía cinética directamente en electricidad , mediante el uso de materiales de conversión de estado sólido y otras técnicas. Pueden ser posibles eficiencias de conversión potenciales del 70%, ya que no es necesario convertir la energía de los protones en calor para impulsar un generador eléctrico impulsado por turbina . [ cita necesaria ]
Ha habido muchas afirmaciones sobre las capacidades de las centrales eléctricas de helio-3. Según sus defensores, las plantas de energía de fusión que funcionan con deuterio y helio-3 ofrecerían menores costos de capital y operación que sus competidores debido a una menor complejidad técnica, una mayor eficiencia de conversión, un tamaño más pequeño, la ausencia de combustible radiactivo, la ausencia de contaminación del aire o del agua , y sólo requisitos de eliminación de desechos radiactivos de baja actividad . Estimaciones recientes sugieren que se necesitarán alrededor de 6 mil millones de dólares en capital de inversión para desarrollar y construir la primera planta de energía de fusión de helio-3 . El punto de equilibrio financiero con los precios mayoristas actuales de la electricidad (5 centavos de dólar por kilovatio-hora ) se produciría después de que cinco plantas de 1 gigavatio estuvieran en funcionamiento, reemplazando a las antiguas plantas convencionales o satisfaciendo la nueva demanda. [60]
La realidad no es tan clara. Los programas de fusión más avanzados del mundo son la fusión por confinamiento inercial (como el National Ignition Facility ) y la fusión por confinamiento magnético (como ITER y Wendelstein 7-X ). En el caso del primero, no existe una hoja de ruta sólida para la generación de energía. En el caso de este último, no se espera que se genere energía comercial hasta alrededor de 2050. [61] En ambos casos, el tipo de fusión discutido es el más simple: la fusión DT. La razón de esto es la barrera de Coulomb muy baja para esta reacción; para D+ 3 He, la barrera es mucho más alta, y es aún más alta para 3 He- 3 He. El inmenso coste de reactores como el ITER y el National Ignition Facility se debe en gran medida a su inmenso tamaño, pero para alcanzar temperaturas de plasma más altas se necesitarían reactores mucho más grandes. El protón de 14,7 MeV y la partícula alfa de 3,6 MeV de la fusión D- 3 He, más la mayor eficiencia de conversión, significa que se obtiene más electricidad por kilogramo que con la fusión DT (17,6 MeV), pero no mucha más. Como desventaja adicional, las velocidades de reacción para las reacciones de fusión de helio-3 no son particularmente altas, lo que requiere un reactor aún más grande o más reactores para producir la misma cantidad de electricidad.
Para intentar solucionar este problema de plantas de energía enormemente grandes que pueden ni siquiera ser económicas con la fusión DT, y mucho menos con la mucho más desafiante fusión D- 3 He, se han propuesto varios otros reactores: la fusión Fusor , Polywell , Focus. , y muchos más, aunque muchos de estos conceptos tienen problemas fundamentales para lograr una ganancia neta de energía y, en general, intentan lograr la fusión en desequilibrio térmico, algo que podría resultar potencialmente imposible, [62] y, en consecuencia, estos programas de largo alcance tienden a tienen problemas para conseguir financiación a pesar de sus bajos presupuestos. Sin embargo, a diferencia de los sistemas de fusión "grandes" y "calientes", si tales sistemas funcionaran, podrían escalar a los combustibles " aneutrónicos " de barrera más alta y, por lo tanto, sus defensores tienden a promover la fusión pB , que no requiere combustibles exóticos como el helio-3.
Los materiales en la superficie de la Luna contienen helio-3 en concentraciones entre 1,4 y 15 ppb en áreas iluminadas por el sol, [63] [64] y pueden contener concentraciones de hasta 50 ppb en regiones permanentemente sombreadas. [7] Varias personas, empezando por Gerald Kulcinski en 1986, [65] han propuesto explorar la Luna , extraer el regolito lunar y utilizar helio-3 para la fusión . Debido a las bajas concentraciones de helio-3, cualquier equipo minero necesitaría procesar cantidades extremadamente grandes de regolito (más de 150 toneladas de regolito para obtener un gramo de helio-3). [66]
Algunas fuentes informaron que el objetivo principal de la primera sonda lunar de la Organización de Investigación Espacial de la India, llamada Chandrayaan-1 , lanzada el 22 de octubre de 2008, era mapear la superficie de la Luna en busca de minerales que contienen helio-3. [67] Sin embargo, no se menciona ningún objetivo de este tipo en la lista oficial de objetivos del proyecto, aunque muchas de sus cargas útiles científicas han observado aplicaciones relacionadas con el helio-3. [68] [69]
El cosmoquímico y geoquímico Ouyang Ziyuan de la Academia de Ciencias de China, que ahora está a cargo del Programa de Exploración Lunar de China, ya ha afirmado en numerosas ocasiones que uno de los principales objetivos del programa sería la extracción de helio-3, a partir de cuya operación " Cada año, tres misiones del transbordador espacial podrían traer suficiente combustible para todos los seres humanos del mundo." [70]
En enero de 2006, la empresa espacial rusa RKK Energiya anunció que consideraba que el helio-3 lunar era un recurso económico potencial que podría extraerse en 2020, [71] si se podía encontrar financiación. [72] [73]
No todos los autores creen que la extracción de helio-3 lunar sea factible, ni siquiera que haya demanda para su fusión. Dwayne Day , escribiendo en The Space Review en 2015, caracteriza la extracción de helio-3 de la Luna para su uso en fusión como un pensamiento mágico sobre una tecnología no probada, y cuestiona la viabilidad de la extracción lunar, en comparación con la producción en la Tierra. [74]
También se ha propuesto extraer helio-3 en gigantes gaseosos . [75] El diseño hipotético de la sonda interestelar Proyecto Daedalus de la Sociedad Interplanetaria Británica fue impulsado por minas de helio-3 en la atmósfera de Júpiter , por ejemplo.
La creencia en la extracción de helio-3 es un gran ejemplo de un mito que se ha incorporado al entusiasmo general por los vuelos espaciales tripulados, un encantamiento mágico que se murmura, pero que rara vez se discute.
{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace ){{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda )