Гелій-3

Гелій-3
Гелій-3 Таблиця ізотопів
Загальні відомості
Назва, символ	He-3,3He
Нейтронів	1
Протонів	2
Властивості ізотопу
Атомна маса	3.0160293 а.о.м
Спін	1⁄2

Гелій-3 (³He)^[1][2] — легкий стабільний ізотоп гелію, який складається з двох протонів і одного нейтрона^[3] (на відміну від найпоширенішого ізотопу, гелію-4, який складається з двох протонів і двох нейтронів). Окрім протію (тобто звичайного водню), гелій-3 є єдиним стабільним ізотопом будь-якого елемента, у складі якого протонів більше, ніж нейтронів.

Гелій-3 був відкритий американськими фізиками Луїсом Волтером Альваресом та Робертом Корногом^[en] у 1939 році^[4].

Гелій-3 — рідкісна речовина^[5]. Він добувається в дуже невеликих кількостях — порядку кількох десятків грамів на рік^[6]. Гелій-3 зустрічається як первинний нуклід, який протягом мільйонів років виділявся із земної кори в атмосферу та космічний простір. Гелій-3 також вважається природним нуклеогенним і космогенним нуклідом, який утворюється під час бомбардування літію природними нейтронами, що вивільняються в процесі спонтанного поділу та ядерних реакцій із космічними променями. Деяка кількість гелію-3, яка перебуває в земній атмосфері, є артефактом атмосферних і підводних ядерних випробувань.

Існує багато спекуляцій щодо можливості використання гелію-3 як майбутнього джерела енергії^[en]. На відміну від більшості реакцій ядерного синтезу, синтез атомів гелію-3 є анейтронним^[en]: під час нього вивільняється велика кількість енергії і водночас не відбувається радіоактивного забруднення навколишнього середовища. З іншого боку, температури, досягнення яких необхідне для підтримування реакції синтезу гелію-3, набагато вищі, ніж потрібні для традиційних реакцій термоядерного синтезу^[7], через що цей процес здатен спричинити інші реакції, які, своєю чергою, самі по собі здатні призвести до радіоактивного забруднення навколишнього середовища^[8].

Вважається, що кількість гелію-3 на Місяці більша, ніж на Землі, оскільки він упродовж мільярдів років утворювався у верхньому шарі реголіту під дією сонячного вітру^[9], хоча його кількість у складі газових гігантів Сонячної системи ще більша^{[10][11][12][6]}.

Існування гелію-3 вперше припустив у 1934 році австралійський фізик-ядерщик Марк Оліфант, який тоді працював у Кавендіській лабораторії Кембриджського університету. Оліфант проводив експерименти, у яких швидкі дейтрони зіштовхувалися з дейтронними мішенями (до речі, це була перша демонстрація ядерного синтезу)^[13]. Виокремлення гелію-3 вперше здійснили Луїс Альварес і Роберт Корног^[en] у 1939 році^[14][15]. Тоді вважалося, що гелій-3 — це радіоактивний ізотоп, але згодом його знайшли в зразках природного гелію, який здебільшого є гелієм-4, взятим з атмосфери Землі або з газових свердловин^[16].

Через свою низьку атомну масу (3,016 а. о. м.) гелій-3 має деякі фізичні властивості, відмінні від властивостей гелію-4 (4,0026 а. о. м.). Через слабку індуковану диполь-дипольну взаємодію між атомами гелію їхні мікроскопічні фізичні властивості визначаються переважно їхньою нульовою енергією. Крім того, через свої мікроскопічні властивості гелій-3 має вищу нульову енергію, ніж гелій-4. Це означає, що гелій-3 здатен долати диполь-дипольну взаємодію з меншою тепловою енергією, ніж гелій-4.

Квантово-механічні ефекти у гелії-3 та гелії-4 суттєво відрізняються: загальний спін гелію-4, який складається з двох протонів, двох нейтронів і двох електронів, дорівнює нулю, а отже, він є бозоном, тоді як загальний спін гелію-3, у якому на один нейтрон менше, удвічі менший, а отже, він є ферміоном.

Чистий гелій-3 у вигляді газу кипить при температурі 3,19 К, а гелій-4 — при 4,23 К. Критична точка гелію-3 також нижча — 3,35 К, тоді як у гелію-4 — 5,19 К. Густина гелію-3 вдвічі менша за густину гелію-4 при температурі кипіння: 59 г/л порівняно зі 124,73 г/л гелію-4 за тиску в одну атмосферу. Його питома теплота пароутворення теж значно нижча — 0,026 кДж/моль порівняно з 0,0829 кДж/моль для гелію-4^[17][18].

Газоподібний гелій-3 за нормальних умов має густину 0,1346 г/л (гелій-4 — 0,1785 г/л). Відповідно, об'єм одного грама гелію-3 за нормальних умов дорівнює 7,43 л (у гелію-4 — 5,596 л).

Рідкий гелій-3 — квантова рідина^[en], яка істотно відрізняється за властивостями від рідкого гелію-4. Рідкий гелій-3 вдалося отримати лише в 1948 році. У 1972 році в рідкому гелії-3 було виявлено фазовий перехід у надплинний стан за температур, нижчих за 2,6 мК, і за тиску 34 атм (раніше вважалося, що надплинність, як і надпровідність, — явища, характерні для конденсату Бозе — Ейнштейна, тобто кооперативні явища в середовищі з цілочисельним спіном об'єктів). За відкриття надплинності гелію-3 Дугласу Ошерову, Роберту Річардсону і Девіду Лі було присуджено Нобелівську премію з фізики 1996 року.

У 2003 році Нобелівською премією з фізики відзначені Олексій Абрикосов, Віталій Гінзбург і Ентоні Легетт, зокрема й за створення теорії надплинності рідкого гелію-3^[19].

Ізотоп ³He є однією з первинних речовин у мантії Землі, яка, як вважається, потрапила в Землю ще на етапі її формування. Співвідношення ізотопів ³He і ⁴He в земній корі та мантії менше, ніж в отриманих зразках метеоритів і місячному ґрунті, оскільки ⁴He, на відміну від ³He, постійно утворюється в результаті радіоактивного розпаду.

Космологічне співвідношення ³He до ⁴He становить 300 атомів на мільйон (ppm)^[20]. Це дає змогу припустити, що в часи, коли формувалася Земля, початкове співвідношення цих первинних газів у мантії становило близько 200—300 ppm. Упродовж усієї історії Землі внаслідок альфа-розпаду атомів урану, торію та інших радіоактивних ізотопів утворилася значна кількість ⁴He; лише близько 7 % гелію, який зараз перебуває в земній мантії, є первинним^[20]. У такий спосіб загальне співвідношення ³He/⁴He знизилося приблизно до 20 ppm. Якщо співвідношення 3He/4He перевищує атмосферне, це вказує те, що спостерігається внесок ³He з мантії. У джерелах, розташованих у земній корі, переважає ⁴He, який утворюється шляхом радіоактивного розпаду.

Співвідношення ³He/⁴He у природних земних джерелах сильно варіюється^[21][22]. Зразки літієвої руди сподумену з шахти Едісон у Південній Дакоті містили 12 ppm ³He/⁴He; зразки з інших шахт показали 2 ppm^[22].

У концентраціях до 7 % гелій присутній у деяких джерелах природного газу^[23], а у великих джерелах — у концентраціях понад 0,5 % (за концентрації понад 0,2 % його видобуток стає практично здійсненним)^[24]. Частка ³He у гелії, виділеному з природного газу в США, коливається від 70 до 242 частин на мільярд^[25][26]. Таким чином, американський запас 2002 року в 1 мільярд стандартних кубічних метрів містив би від 12 до 43 кілограмів гелію-3^[24]. За даними американського фізика Річарда Гарвіна^[en], з потоку природного газу в США можна щорічно виділяти близько 26 м³ або майже 5 кг гелію-3. Якщо в процесі виділення гелію-3 використовувати як сировину скраплений гелій (у такому вигляді його зазвичай транспортують і зберігають у великих обсягах), оцінки додаткових енергетичних витрат коливатимуться від 34 до 300 доларів за літр, не враховуючи вартості інфраструктури й обладнання^[25]. Вважається, що річний видобуток газу в Алжирі становить 100 млн стандартних кубічних метрів^[24], що містить від 7 до 24 м³ гелію-3 (від 1 до 4 кг), якщо припустити, що його концентрація в газі аналогічна.

Гелій-3 присутній також в атмосфері Землі. Природний вміст ізотопу ³He у природному гелії становить 1,38 × 10⁻⁶ (1,38 ppm). Парціальний тиск гелію в атмосфері Землі становить близько 0,52 Па і, таким чином, на гелій припадає 5,2 частини на мільйон від загального тиску (101,325 кПа) в атмосфері Землі, а ³He становить 7,2 частини на трильйон (ppt). Оскільки атмосфера Землі має масу близько 5,14 × 10¹⁸ кг^[27], маса ³He в атмосфері Землі має дорівнювати добутку цих чисел, тобто близько 37 000 тонн. Насправді ефективна цифра в 10 разів менша, оскільки наведені вище частки — це ppmv (об'ємна частка), а не ppmw (масова частка). Для отримання фактичної величини цю масу треба помножити на 3 (молекулярна маса гелію-3) і поділити на 29 (середня молекулярна маса атмосфери), у результаті чого отримаємо 3828 тонн гелію-3 в атмосфері Землі.

Гелій-3 утворюється на Землі з трьох джерел:

• сколювання літію;
• космічні промені;
• бета-розпад тритію (³H, або T).

Внесок космічного випромінювання є незначним у всіх матеріалах, окрім найдавніших реголітів, а внесок реакцій сколювання літію є меншим, ніж внесок утворення ⁴He за рахунок викидів альфа-частинок.

Загальна кількість гелію-3 в мантії може становити 0,1—1,0 мегатонни. Однак більша частина мантії недоступна безпосередньо. Деяка кількість гелію-3 просочується вгору через вулканічні гарячі точки, як-от вулкани Гавайських островів, але в атмосферу викидається лише 300 грамів гелію-3 на рік. Серединно-океанічні хребти викидають ще 3 кілограми на рік (8,2 г/добу). Навколо зон субдукції різні джерела виробляють гелій-3 у покладах природного газу, які, можливо, містять тисячу тонн гелію-3 (хоча ця кількість може досягати й 25 тисяч тонн, якщо такі поклади є в усіх давніх зонах субдукції). Віттенберг підрахував, що джерела природного газу в земній корі Сполучених Штатів можуть містити лише пів тонни^[20]. Лейтон Віттенберг (Leyton J. Wittenberg)^[28] процитував оцінку Дона Андерсона^[en][29], згідно з якою ще 1200 тонн гелію-3 містяться в частинках міжпланетного пилу, які, потрапивши в атмосферу Землі, згодом опустилися на дно океану^[20]. У дослідженні 1994 року видобуток гелію-3 з цих джерел потребує більше енергії, ніж виділяється при ядерному синтезі^[20].

За однією з оцінок, упродовж мільярдів років існування Місяця під дією сонячного вітру на його поверхню осіло понад 1 мільйон тонн гелію-3^[30]. Речовина на поверхні Місяця містить гелій-3 в концентраціях, які, за оцінками, становлять оцінюються від 1,4 до 15 частин на мільярд (ppb) на освітлених сонцем ділянках^[31][32][10] і може містити гелій-3 в концентраціях до 50 частин на мільярд у постійно затінених регіонах^[33]. Для порівняння, гелій-3 в атмосфері Землі концентрація гелію-3 становить 7,2 частини на трильйон (ppt).

Починаючи з 1986 року^[34] з'являються численні пропозиції розробляти місячний реголіт і використовувати гелій-3, який міститься в ньому, для ядерного синтезу^[35]. Хоча станом на 2020 рік діючі експериментальні реактори ядерного синтезу існують вже десятки років^[36][37], жоден із них ще не виробляв електроенергію на комерційній основі^[38][39]. Оскільки концентрація гелію-3 вкрай низька, будь-якому гірничодобувному обладнанню доведеться переробляти надзвичайно великі обсяги реголіту. За однією з оцінок, для отримання 1 грама гелію-3 необхідно переробити понад 150 тонн реголіту^[40].

Китай розпочав власну програму дослідження Місяця і досліджує перспективу видобутку корисних копалин на Місяці — зокрема, шукає ізотоп гелію-3 для використання як джерела енергії на Землі^[41]. Не всі погоджуються, що позаземний видобуток гелію-3 можливий^[38], і навіть якби було можливо видобути гелій-3 на Місяці, жодна існуюча на цей момент конструкція термоядерного реактора(інші мови) не дає змоги виробити більше енергії, ніж витрачається на підтримання його роботи^[38][39] — тобто домогтися, щоб коефіцієнт відтворення термоядерної енергії перевищив одиницю. Утім, 13 грудня 2022 року Міністерство енергетики США оголосило, що «…понеділок 5 грудня 2022 року став історичним днем у науці: завдяки неймовірним працівникам Ліверморської лабораторії та Національного комплексу лазерних термоядерних реакцій» (NIF), і що NIF «провів перший в історії експеримент з керованого термоядерного синтезу з метою досягти цієї віхи, також відомої як наукова енергетична беззбитковість (scientific energy breakeven^[42]). Це означає, що він виробив більше енергії від термоядерного синтезу, ніж лазерна енергія, яка використовувалася для його приведення в дію»^[43]. Недоліком залишається також те, що гелій-3 є обмеженим місячним ресурсом, який може вичерпатися в процесі видобутку^[44].

13 березня 2024 року Роб Меєрсон^[en], засновник приватної компанії Interlune, заявив, що компанія залучила 18 млн дол. і розробляє технологію збирання й доставки матеріалів, зокрема гелыю-3, з Місяця на Землю^[45]. Ба більше: Interlune вже знайшла клієнта, готового купувати місячні ресурси у великих кількостях. У 2026 році компанія планує відправити на комерційній ракеті пошукову місію на Місяць — на ділянку, яка, як вважають, містить величезні запаси гелію-3. Спускний зонд має виміряти за допомогою спектрометра кількість гелію-3 в місячному ґрунті й оцінити його концентрацію^[45].

Одна з перших оцінок співвідношення ізотопів ³He до ⁴He у первинній сонячній туманності була зроблена шляхом вимірювання їх співвідношення в атмосфері Юпітера за допомогою мас-спектрометра атмосферного зонда «Галілео». Це співвідношення становить приблизно 1 : 10 000^[46], тобто 100 частин ³He на мільйон частин ⁴He. Подібне співвідношення ізотопів спостерігається й у місячному реголіті, який містить 28 частин на мільйон гелію-4 і 2,8 частини на мільярд гелію-3 (це нижня межа фактичних вимірювань зразків, які варіюються від 1,4 до 15 частин на мільярд). Однак співвідношення ізотопів на Землі в 100 разів менше, здебільшого через збагачення запасів гелію-4 в мантії за мільярди років альфа-розпаду урану, торію, а також дочірніх продуктів їх розпаду і зниклих радіонуклідів^[en].

Практично весь гелій-3, що використовується сьогодні в промисловості, виробляється шляхом радіоактивного розпаду тритію, незважаючи на його дуже низьку поширеність у природі і дуже високу вартість.

У США виробництвом, продажем і розподілом гелію-3 керує Ізотопна програма Міністерства енергетики США (DOE Isotope Program)^[47].

Тритій має кілька різних експериментально визначених значень періоду напіврозпаду; Національний інститут стандартів і технології (NIST) називає величину 4500 ± 8 діб (12,32 ± 0,02 року)^[48]. Тритій розпадається, перетворюючись на гелій-3, шляхом бета-розпаду:

${\displaystyle {\ce {^{3}_{1}H\to _{2}^{3}{He^{+}}+{e^{-}}+{\bar {\nu }}_{e}}}}$

Під час такого розпаду виділяється 18,6 кеВ. Із загальної вивільненої енергії частина, що припадає на кінетичну енергію електрона, варіюється, у середньому становлячи 5,7 кеВ; решту енергії уносить електронне антинейтрино, яке майже не детектується. У повітрі бета-частинки тритію здатні пролетіти лише приблизно 6,0 мм: пройти крізь мертвий зовнішній шар людської шкіри вони неспроможні^[49]. Завдяки неочікувано низькій енергії, яка виділяється під час бета-розпаду тритію, цей тип розпаду (а також розпад ренію-187) придатний для лабораторних вимірювань абсолютної маси нейтрино (найновіший експеримент — KATRIN^[en]).

Низька енергія випромінювання тритію ускладнює виявлення мічених тритієм сполук, окрім як за допомогою рідинно-сцинтиляційного вимірювання активності^[en].

Тритій є радіоактивним ізотопом водню і зазвичай утворюється шляхом бомбардування літію-6 нейтронами в ядерному реакторі. Ядро літію поглинає нейтрон і розщеплюється на гелій-4 і тритій. Оскільки тритій розпадається на гелій-3 з періодом напіврозпаду 12,3 року, гелій-3 можна виробляти, просто зберігаючи тритій, поки він не зазнає радіоактивного розпаду. Оскільки тритій, на відміну від гелію-3, утворює стабільну сполуку з киснем (тритієву воду), процес зберігання і збору міг би безперервно збирати речовину, яка виділяється зі збережуваного матеріалу.

Тритій є критично важливим компонентом ядерної зброї, і історично його виробляли й накопичували насамперед задля неї. Розпад тритію на гелій-3 зменшує вибухову потужність термоядерної боєголовки, тому періодично гелій-3, що накопичився, необхідно видаляти. Гелій-3, вилучений під час цього процесу, продають для застосування в інших сферах.

Протягом десятиліть цей процес — отримання гелію-3 шляхом радіоактивного розпаду тритію — був (і залишається сьогодні) основним джерелом його отримання^[50]. Однак після підписання Договору СНО-1 у 1991 році кількість ядерних боєголовок, що перебувають у стані готовності до використання, зменшилася^[51][52], і через це зменшилася кількість гелію-3, отримуваного цим шляхом. Запаси гелію-3 додатково зменшилися через збільшення попиту на нього^[25], насамперед через використання в детекторах нейтронного випромінювання і медичних діагностичних процедурах.

Промисловий попит на гелій-3 у США досяг піку в 70 000 л (прибл. 8 кг) на рік у 2008 році. Ціна гелію-3 на аукціонах, яка історично становила близько 100 доларів за літр, підскочила аж до 2000 доларів за літр^[53]. Відтоді через високу вартість, а також зусилля Міністерства енергетики США з його утилізації та пошуку замінників, попит на гелій-3 знизився до приблизно 6000 літрів на рік. Якщо виходити з того, що густина гелію-3 становить 114 г/м³, то при ціні 100 дол./л він буде у понад 30 разів дешевшим за тритій (приблизно 880 дол./г проти приблизно 30 000 дол./г), а при ціні 2000 дол./л гелій-3 — приблизно вдвічі дешевшим за тритій (17 540 дол./г проти 30 000 дол./г).

Міністерство енергетики США усвідомлювало, що бракує як тритію, так і гелію-3, і тому у 2010 році воно почало виробляти тритій на атомній електростанції Воттс-Бар, яка належить «Теннессі Веллі Ауторіті», шляхом опромінення літію^[25]. Задля здійснення цього процесу замість звичайних керівних борних стрижнів у реактор вставляють тритієві стрижні-поглиначі, що виробляють тритій (TPBAR), які містять літій у керамічній формі^[54].

У наш час для виробництва тритію використовуються лише два комерційні ядерні реактори (1-й і 2-й блоки атомної електростанції Воттс-Бар), але в разі потреби цей процес можна було б значно розширити, щоб задовольнити будь-який теоретичний попит, просто залучивши більше енергетичних реакторів країни. Значні кількості тритію і гелію-3 можна також видобувати з важководного сповільнювача в ядерних реакторах типу CANDU^[25][55]. Відомо, що Індія і Канада, дві країни з найбільшим парком важководних реакторів, видобувають тритій із важкої води як сповільнювача/охолоджувача, але цих кількостей недостатньо, щоб задовольнити глобальний попит на тритій і гелій-3.

Оскільки тритій також є побічним продуктом роботи легководних реакторів (детальніше про це див. статтю про тритій), ще одним джерелом гелію-3 може бути його видобуток із цього джерела. Однак якщо виходити з даних про річні викиди тритію (за даними 2018 року) на переробному заводі в Гаазі^[en], то навіть якби вдалося досягти 100%-го вилучення, їхні обсяги (31,2 грама в Гаазі) не були б достатніми для задоволення попиту.

Щорічні викиди тритію з ядерних установок^[56]

п · о · e

Місцерозташування	Ядерний об'єкт	Найближче джерело води	Рідина (ТБк)	Пара (ТБк)	Загалом (Тбк)	Загалом (мг)	Рік
Велика Британія	АЕС Хейшем[en] B	Ірландське море	396	2,1	398	1,115	2019
Велика Британія	Переробний завод у Селлафілді	Ірландське море	423	56	479	1,342	2019
Румунія	АЕС Чорнавода, блок 1	Чорне море	140	152	292	872	2018
Франція	Переробний завод у Гаазі[en]	Ла-Манш	11 400	60	11 460	32 100	2018
Південна Корея	АЕС Вольсонг	Японське море	107	80,9	188	671	2020[57]
Тайвань	АЕС Мааншан	Лусонська протока	35	9,4	44	123	2015
Китай	АЕС Фуцін	Тайванська протока	52	0,8	52	146	2020
Китай	АЕС Саньмень[en]	Східнокитайське море	20	0,4	20	56	2020
Канада	АЕС Брюс A, B	Великі озера	756	994	1 750	4 901	2018
Канада	АЕС Дарлінгтон[en]	Великі озера	220	210	430	1,204	2018
Канада	АЕС Пікерінг[en], блоки 1—4	Великі озера	140	300	440	1,232	2015
США	АЕС Діабло-Каньйон, блоки 1, 2	Тихий океан	82	2,7	84	235	2019

Гелій-3 можна використовувати для проведення експериментів з дослідження динаміки поверхневого спінового відлуння^[en] (HeSE)^[58][59][60]. Такі експерименти проводяться, наприклад, у Групі фізики поверхні (Surface Physics Group) Кавендіської лабораторії в Кембриджі та на хімічному факультеті Університету Суонсі^[en].

Гелій-3 є важливим ізотопом у приладах для детектування нейтронів. Він має високий переріз поглинання^[en] пучків теплових нейтронів і використовується як конвертерний газ у детекторах нейтронів. У результаті ядерної реакції із гелієм-3

n + ³He → ³H + ¹H + 0,764 МеВ

нейтрон перетворюється на заряджені частинки — іони тритію (³H, або T) та водню (тобто протони ¹H, або p), які потім реєструються шляхом створення зарядженої хмари в гальмівному газі пропорційного лічильника або трубки Гейгера — Мюллера^[en][61].

Крім того, перебіг процесу поглинання сильно залежить від спіну, який дає спін-поляризованому^[en] об'єму гелію-3 змогу пропускати нейтрони з одним спіновим компонентом і поглинати — з іншим. Цей ефект використовується в нейтронно-поляризаційному аналізі — методі, який досліджує магнітні властивості речовини^[62][63][64].

Міністерство національної безпеки США планувало встановлювати детектори для виявлення контрабандного плутонію в морських контейнерах за нейтронним випромінюванням, але ці плани довелося скоригувати через світовий дефіцит гелію-3, який утворився після скорочення виробництва ядерної зброї з часів Холодної війни^[65][66]. Станом на 2012 рік Міністерство національної безпеки визначило, що комерційні поставки бору-10 допоможуть перевести інфраструктуру нейтронного виявлення на цю технологію^[67].

У холодильнику гелію-3^[en] гелій-3 використовується для досягнення температури від 0,2—0,3 кельвіна. У рефрижераторах розчинення для досягнення кріогенних температур у кілька тисячних кельвіна використовується суміш гелію-3 і гелію-4^[68].

Ядра гелію-3 мають власний ядерний спін 1⁄2 і відносно високе магнітографічне співвідношення. Гелій-3 можна гіперполяризувати^[en] за допомогою нерівноважних засобів, як-от спін-обмінне оптичне накачування^[69][70]. Під час цього процесу циркулярно поляризоване● інфрачервоне лазерне світло, налаштоване на відповідну довжину хвилі, збуджує електрони в лужному металі, як-от цезій або рубідій, усередині герметичної скляної посудини. Кутовий момент передається від електронів лужного металу до ядер інертних газів через зіткнення. У такий спосіб цей процес ефективно вирівнює ядерні спіни з магнітним полем, посилюючи сигнал ЯМР. Гіперполяризований газ можна зберігати під тиском 10 атмосфер до 100 годин. Після вдихання газові суміші, які містять гіперполяризований газ гелій-3, можна візуалізувати за допомогою МРТ-сканера й отримати анатомічні зображення легеневої вентиляції. Цей метод дає також змогу отримувати зображення дихальних шляхів, виявляти місця, у яких вентиляція недостатня або відсутня, вимірювати парціальний тиск кисню в альвеолах^[en] і вентиляційно-перфузійне співвідношення^[en]. Цей метод може мати вирішальне значення для діагностики й лікування хронічних респіраторних захворювань^[71], як-от хронічне обструктивне захворювання легень (ХОЗЛ), емфізема легень, муковісцидоз та астма^[72].

На токамаках Alcator C-Mod^[en] Массачусетського технологічного інституту (MIT) і Joint European Torus (JET) проводилися експерименти з додавання невеликої кількості гелію-3 до воднево-дейтерієвої плазми з метою збільшити поглинання радіочастотної енергії, завдяки чому нагріватимуться іони водню й дейтерію — «триіонного» ефекту^[73][74].

Гелій-3 можна отримати у процесі низькотемпературного синтезу:

²H + 1p → ³He + γ + 4,98 МеВ

Порівняння кількості випромінюваних нейтронів у різних реакціях^{[75][76][77][78][79]}

Реагенти		Продукти	Енергія	n/МеВ
Термоядерне паливо 1-го покоління
2D + 2D	→	3He + 1 0n	3,268 МеВ	0,306
2D + 2D	→	3T + 1 1p	4,032 МеВ	0
2D + 3T	→	4He + 1 0n	17,571 МеВ	0,057
Термоядерне паливо 2-го покоління
2D + 3He	→	4He + 1 1p	18,354 МеВ	0
Термоядерне паливо 3-го покоління
3He + 3He	→	4He + 2 1 1p	12,86 МеВ	0
11B + 1 1p	→	3 4He	8,68 МеВ	0
Чистий результат горіння 2D (сума перших 4 рядків)
6 2D	→	2(4He + n + p)	43,225 МеВ	0,046
Сучасне ядерне паливо
235U + n	→	2 FP + 2,5n	~200 МеВ	0,0075

Якщо температура синтезу нижча за температуру злиття ядер гелію, у результаті реакції утворюється високоенергетична альфа-частинка, яка швидко приєднує електрон, утворюючи стабільний легкий іон гелію, який можна використати безпосередньо як джерело електроенергії, не продукуючи небезпечні нейтрони.

Гелій-3 можна використовувати в реакціях синтезу за однією з реакцій

²H + ³He → ⁴He + ¹p + 18,3 МеВ

або

³He + ³He → ⁴He + 2 ¹p + 12,86 МеВ.

У процесі традиційного термоядерного синтезу дейтерію і тритію («D-T») утворюються енергійні нейтрони, які забруднюють компоненти реактора радіоактивними продуктами активації^[en]. Синтез гелію-3 привабливий тим, що в результаті цієї реакції не утворюються нейтрони^[en], а отже, не відбувається й радіоактивного забруднення. Гелій-3 сам по собі не є радіоактивним. Єдиний високоенергетичний побічний продукт, протон, на відміну від нейтрона, є зарядженою частинкою, а отже, його можна утримувати за допомогою електричних і магнітних полів. Енергія імпульсу цього протона, створеного в процесі синтезу, взаємодіятиме з електромагнітним полем, яке його утримує, що дає змогу безпосередньо виробляти чисту електроенергію^[80].

Через вищий кулонівський бар'єр температура, необхідна для синтезу ²H + ³He, набагато вища, ніж для звичайного D-T-синтезу. Ба більше, оскільки для синтезу обидва реагенти повинні бути змішані, відбуватимуться реакції не лише D + T, а й між ядрами того самого реагенту — D + D та T + T, а реакція D + D (²H + ²H) супроводжується утворенням нейтрона. Швидкість реакції залежить від температури, але швидкість реакції D + ³He ніколи не перевищує швидкість реакції D + D більше, ніж в 3,56 раза (див. графік праворуч). Тому термоядерний синтез із використанням палива D + ³He при правильній температурі та збідненій паливній суміші може виробляти набагато менший потік нейтронів, ніж D-T-синтез, але через утворення нейтрона він не є чистим, що зводить нанівець його привабливість, принаймні частково.

Друга можливість — злиття ³He із самим собою (³He + ³He) — вимагає ще вищих температур (адже в цьому разі обидва реагенти мають заряд +2), а отже, її реалізація є ще складнішою, ніж реакція D + ³He. Однак у цій реакції не утворюються нейтрони, а протони, оскільки вони є зарядженими частинками, можна утримувати за допомогою електричних і магнітних полів. Отже, ця реакція уможливлює пряме генерування електроенергії. Термоядерний синтез ³He + ³He можливий (це вже продемонстровано в лабораторних умовах) і має величезні переваги, але його прибуткове комерційне застосування буде досягнуто через багато років^[81].

Обсяги гелію-3, необхідні для заміни традиційних видів палива, є значними порівняно з наявними на сьогодні. Загальна кількість енергії, яка виробляється в реакції ²D + ³He, становить 18,4 мегаелектронвольт, що відповідає приблизно 493 мегават-годинам (4,93×10⁸ Вт·год) на три грами (один моль) ³He. Якби всю цю енергію можна було перетворити на електричну зі 100%-вою ефективністю (що фізично неможливо), це відповідало б приблизно 30 хвилинам роботи гігаватної електростанції на один моль ³He. Таким чином, для річного виробництва (за витрати 6 грамів на кожну годину роботи) знадобилося б 52,5 кілограма гелію-3.

Кількість палива, необхідного для ве��икомасштабних застосувань, можна також виразити через загальне споживання: споживання електроенергії 107 мільйонами американських домогосподарств (за даними Управління енергетичної інформації США) у 2001 році становило 1140 млрд кВт·год (1,14×10¹⁵ Вт·год). Якщо припустити, ефективність перетворення є 100%-вою, то для цього сегмента енергетичного попиту США знадобиться 6,7 тонни гелію-3 на рік, або, за більш реалістичної ефективності перетворення з урахування втрат під час передавання від виробників до кінцевих споживачів, — 15—20 тонн на рік.

Підхід другого покоління до керованого термоядерного синтезу передбачає поєднання гелію-3 і дейтерію, ²D. У результаті цієї реакції утворюється альфа-частинка і високоенергетичний протон. Найважливіша потенційна перевага цієї реакції термоядерного синтезу для виробництва енергії, а також інших застосувань полягає в її сумісності з використанням електростатичних полів для керування іонами палива і протонами синтезу. Завдяки використанню твердотільних перетворювальних матеріалів та інших технологій з'являється можливість перетворювати кінетичну енергію високошвидкісних протонів — позитивно заряджених частинок — безпосередньо в електричний струм. Потенційна ефективність перетворення може досягати 70 %, оскільки зникає потреба спершу перетворювати енергію протонів на тепло, а потім тепло на електричний струм за допомогою електричного генератора.

Про можливості електростанцій на гелії-3 було багато заяв. На думку їх прихильників, термоядерні електростанції, які працюють на дейтерії і гелії-3, потребуватимуть нижчих капітальних та експлуатаційних витрат, ніж їхні конкуренти, завдяки меншій технічній складності, вищій ефективності перетворення, меншим розмірам, відсутності радіоактивного палива, відсутності забруднення повітря і води, а також низьким вимогам до заховання радіоактивних відходів. За останніми оцінками, для розробки й будівництва першої електростанції на основі термоядерного синтезу гелію-3 знадобиться близько 6 млрд дол. інвестицій. Фінансова беззбитковість за сьогоднішніх оптових цін на електроенергію (0,05 долара за кіловат-годину) настане після того, як в експлуатацію будуть введені п'ять 1-гігаватних електростанцій, які замінять старі традиційні електростанції або задовольнять новий попит^[82].

Утім, реальність не така однозначна. Найбільш інноваційні програми термоядерного синтезу у світі передбачають інерційне утримання плазми (наприклад, Національний комплекс лазерних термоядерних реакцій) або магнітний термоядерний синтез (наприклад, Міжнародний експериментальний термоядерний реактор і Wendelstein 7-X). Для першого з цих способів не розроблено чіткої дорожньої карти виробництва електроенергії. Щодо другого, комерційне виробництво електроенергії не очікується раніше 2050 року^[83]. В обох випадках йдеться про найпростіший тип термоядерного синтезу — D + T. Причиною цього є дуже низький кулонівський бар'єр для цієї реакції; для реакції D + ³He бар'єр набагато вищий, а для ³He + ³He — ще вищий.

Величезна вартість таких реакторів, як ІТЕР і Національний комплекс лазерних термоядерних реакцій, значною мірою пов'язана з їхніми величезними розмірами, але для масштабування до вищих температур плазми потрібні ще більші реактори. Протони з енергією 14,7 МеВ, альфа-частинки з енергією 3,6 МеВ від синтезу D + ³He, а також вища ефективність перетворення — усе це означає, що з кілограма речовини видобувається більше електроенергії, ніж при синтезі D + T (17,6 МеВ), але не набагато більше. Ще одним недоліком є те, що швидкість реакції синтезу гелію-3 не є особливо високою, що вимагає більшого реактора або більшої кількості реакторів для виробництва такої ж кількості електроенергії.

Щоб обійти проблему величезних електростанцій, економічна неефективність яких неочевидна навіть для синтезу D + T, не кажучи вже про набагато складніший синтез D + ³He, запропоновано низку інших типів реакторів — фузор, полівелл, щільний плазмовий фокус^[en] (DPF) і багато інших. Утім, чимало з цих концепцій мають фундаментальні проблеми з досягненням чистого приросту енергії і, як правило, вони передбачають досягнення термоядерного синтезу в умовах теплової нерівноваги, що потенційно може виявитися неможливим^[84]. Як наслідок, реалізація цих перспективних програм супроводжується проблемами з фінансуванням, незважаючи на їхні порівняно невеликиі бюджети. Однак, на відміну від «великих» і «гарячих» систем термоядерного синтезу, такі системи, якщо їх вдасться реалізувати, здатні масштабуватися до безнейтронного ядерного синтезу^[en] з вищим бар'єром, і тому їхні прихильники, як правило, пропагують синтез за формулою p + ¹¹B (протон + бор-11), який не потребує таких екзотичних видів палива, як гелій-3.

Матеріали на поверхні Місяця, розташовані в освітлених Сонцем ділянках, містять гелій-3 у концентрації від 1,4 до 15 частин на мільярд^[85][86]; у постійно затінених регіонах концентрація може досягати 50 частин на мільярд^[87]. Ряд людей, зокрема Джеральд Кульчинський (Gerald Kulcinski) в 1986 році^[88], запропонували досліджувати Місяць, видобувати місячний реголіт і використовувати гелій-3, який у ньому міститься, для термоядерного синтезу. Через низьку концентрацію гелію-3 будь-якому гірничодобувному обладнанню доведеться переробляти надзвичайно велику кількість реголіту (понад 150 тонн реголіту для отримання одного грама гелію-3)^[89].

Першочерговим завданням першого місячного зонду Індійської організації космічних досліджень і розробок (ISRO) під назвою «Чандраян-1», запущеного 22 жовтня 2008 року^[90], як повідомлялося в деяких джерелах, було картування поверхні Місяця з метою пошуку мінералів, що містять гелій-3^[91]. В офіційному переліку цілей проєкту така мета не згадується, хоча багато встановленої на ньому наукового обладнання має застосування, пов'язане з гелієм-3^[92][93].

Космо- і геохімік Оуян Цзиюань^[en] з Китайської академії наук, який нині очолює Китайську програму дослідження Місяця, уже неодноразово заявляв, що однією з головних цілей програми буде видобуток гелію-3, з якого

…щороку три польоти космічних шатлів могли б приносити достатньо палива для всього людства^[94].

У січні 2006 року російська космічна компанія РКК «Енергія» оголосила, що вважає місячний гелій-3 потенційним економічним ресурсом, видобування якого можна буде почати до 2020 року^[95] за наявності фінансування^[96][97].

Не всі згодні, що видобуток місячного гелію-3 можливий і навіть що на нього буде попит для термоядерного синтезу. Зокрема, Дуейн Дей^[en] у своїй статті 2015 року в онлайн-журналі The Space Review^[en] характеризує видобуток гелію-3 на Місяці з метою його використання в термоядерному синтезі як мрію про неперевірену магічну технологію, ставить під сумнів доцільність цього задуму і вказує, що видобуток гелію-3 на Землі міг би бути ефективнішим^[98].

Існують пропозиції видобувати гелій-3 на газових гігантах^[99]. Наприклад, гіпотетичний міжзоряний зонд «Дедал», розроблюваний Британським міжпланетним товариством^[100], передбачає заправку гелієм-3 зі спеціальних «шахт» в атмосфері Юпітера^[101].

1. Dobbs E. R. Helium Three. — Oxford University press, 2000. ISBN 0-19-850640-6
2. Галимов Э. М. Если у тебя есть энергия, ты можешь извлечь всё [Архівовано 26 грудня 2014 у Wayback Machine.] — Редкие земли. 2014. № 2. — С. 6—12.
3. The Helium-3 Shortage: Supply, Demand, and Options for Congress [Архівовано 24 вересня 2015 у Wayback Machine.] // FAS, December 22, 2010 (англ.)

• Helium-3 [Архівовано 4 серпня 2020 у Wayback Machine.] // Britannica
• Гелій: призначення і властивості [Архівовано 27 вересня 2016 у Wayback Machine.]
• Що гелій може розповісти про вулкани