Elio-3

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L'Elio-3 (He-3) è un isotopo dell'elio composto da due protoni e un neutrone. È un isotopo raro sulla Terra, e viene soprattutto usato nella ricerca sulla fusione nucleare.

Si ritiene che l'Elio-3 sia più diffuso sulla Luna (nello strato superiore delle rocce regolitiche, dove è stato incluso dal vento solare nel corso di miliardi di anni), e nei giganti gassosi del sistema solare (residui dell'antica nebulosa solare).

L'Elio-3 costituisce le rocce lunari in quantità di 0,01 parti per milione, mentre 28 parti per milione sono di elio-4 ^[1].

Dal punto di vista scientifico, questo isotopo è importante poiché si ritiene che possa essere usato come fonte di energia per le centrali elettriche a fusione di seconda generazione.

La sua esistenza è stata postulata per la prima volta nel 1934 dal fisico australiano Mark Oliphant nel Cavendish Laboratory della Cambridge University . È stato osservato per la prima volta al Lawrence Berkeley National Laboratory nel 1939 da Luis Walter Alvarez e da Robert Cornog.

Indice 1 Reazioni di fusione 2 Rilevamento di neutroni 3 Criogenica 4 Produzione 5 Imaging dei polmoni 6 La presenza sulla terra 7 Fonti extraterrestri 8 Note 9 Collegamenti esterni

[modifica] Reazioni di fusione

Reazioni di fusione dell'elio-3 ^{[2] [3] [4] [5] [6]}

Reagenti		Prodotti	Q
Combustibili di prima generazione
21H + 21H	→	32He + 10n	3.268 MeV
21H + 21H	→	31H + 11p	4.032 MeV
21H + 31H	→	42He + 10n	17.571 MeV
Combustibili di prima generazione
21H + 32He	→	42He + 11p	18.354 MeV
Combustibili di terza generazione
32He + 32He	→	42He+ 211p	26.2 MeV

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 deriva dalla natura della sua reazione: di per sé non è radioattivo, e l'unico protone ad alta nergia creato nella reazione può facilmente essere controllato con campi magnetici ed elettrici ^[7].

Tuttavia, dato che entrambi i reagenti devono essere mischiati insieme per raggiungere la fusione, potrebbero avvenire delle reazioni collaterali (²₁H + ²₁H e ³₂He+ ³₂He), la prima delle quali non è aneutronica. Per cui in pratica è improbabile che questo tipo di reazione possa mai compiersi in modo "pulito", rendendola poco attraente.

Inoltre, per via dell'alta barriera di Coulomb, le temperature necessarie per la fusione di ²₁H + ³₂He sono molto più alte di quelle della fusione convenzionale ²H + ³₁H (deuterio + trizio).

Non deve essere sottostimata la quantità di elio-3 necessaria per eventualmente rimpiazzare i combustibili fossili tradizionali. La quantità totale di energia prodotta con la realzione ³He + ²₁H+ è di 18.4 MeV, che corrisponde a circa 493 megawattora (4.93e8 Wh) per ogni tre grammi di ³He (una mole).

Se anche quella quantità di energia potesse essere convertita con un efficienza del 100%, impossibile dal punto di vista pratico, corrisponderebbe a solo 30 minuti di attività di una normale centrale elettrica da 1 gigawatt; per sostituire la produzione annuale di una centrale simile servirebbero 17,5 kg dei 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 la Energy Information Administration degli Stati Uniti, l'energia consumata per il solo uso domestico negli Stati Uniti ammontava nel 2001 a 1.140 miliardi di kilowattora, (1.114e15 Wh), servirebbero 6,7 tonnellate di elio-3 con un ipotetico 100% di efficienza, oppure 20 tonnellate all'anno con una conversione più realistica.

[modifica] Rilevamento di neutroni

L'elio-3 è un isotopo importante anche per la costruzione di impianti per il rilevamento di neutroni. Possiede elevata sezione di assorbimento per la radiazione termica dei neutroni, e viene usato come gas di conversione nei rilevatori. I neutroni sono convertiti secondo la reazione :n + ³He → ³H + ¹H + 0.764 MeV in particelle di trizio (T, ³H) e protone (p, ¹H) che sono poi rilevate creando una nuvola di carica nel gas. Questo sistema viene usato ad esempio del tubo di Geiger-Müller nel contatore Geiger.

Inoltre, il processo di assorbimento dipende molto dallo spin, 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.

[modifica] Criogenica

I refrigeratori a diluizione usano elio-3 per raggiungere temperature criogeniche nell'ordine del millesimo di kelvin.

Una proprietà importante dell'elio-3, che lo differenzia dal più comune elio-4, è che il suo nucleo è un fermione, poiché contiene un numero variabile di particelle con spin multiplo di 1/2. A bassa temperatura (intorno a 2,2 K), l'elio 4 ha un cambiamento di fase diventando superfluido con caratteristiche simili ad un condensato di Bose-Einstein. Questo non accade per l'elio-3.

In passato sono state avanzate teorie per cui l'elio-3 diventerebbe superfluido a temperature inferiori se gli atomi si disponessero in coppie simili alle coppie di Cooper della "Teoria BCS" sulla superconduttività. Durante gli anni settanta, David Morris Lee, Douglas Osheroff, e Robert Coleman Richardson hanno dimostrato che l'elio-3 diventa superfluido a 2 millikelvin, scoperta per cui hanno ricevuto il Premio Nobel per la Fisica nel 1996. Anthony James Leggett ha vinto il medesimo premio nel 2003 per il suo lavoro nella comprensione delle meccaniche della fase superfluida dell'elio-3.

[modifica] Produzione

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 del decadimento nucleare del trizio, e il trizio può essere prodotto bombardando con neutroni litio, boro, o azoto.

Attualmente una parte delle scorte di elio-3 derivano dallo smantellamento delle armi 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 ^[8].

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 t_½ / (ln2)) ^[9].

Unire trizio e litio-6 consuma 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.

[modifica] Imaging dei polmoni

L'elio-3 polarizzato può essere prodotto direttamente con laser ad alta potenza. Il gas magnetizzato può essere poi contenuto in cilindri di metallo dotati di una pellicola protettiva di cesio a pressioni di 10 atmosfere per periodi di fino a 100 ore. Se il gas viene inalato, è possibile ottenere delle immagini tramite risonanza magnetica che danno un'analisi filmata in tempo reale del funzionamento dei polmoni. È una tecnica sperimentale, che sta sviluppandosi ^[10].

[modifica] La presenza sulla terra

³He è una sostanza primordiale del mantello terrestre, che si pensa sia stata intrappolata nel suolo durante la formazione del pianeta. il rapporto tra ³He e ⁴He nella crosta e nel mantello terrestri è in genere basso (inferiore ad esempio a quello della corona solare), per via dell'aumento di ⁴He dovuto a decadimento.

L'elio-3 è presente nel mantello con un rapporto di 200-300 parti di ³He per un milione di parti di ⁴He.

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: la spallazione nucleare del litio, i raggi cosmici, e il decadimento del trizio (³H). Il contributo dei raggi cosmici è insignificante, salvo che nei regoliti più antichi, e la spallazione contribuisce in misura minima, inferiore alla produzione di ⁴He tramite emissioni di particelle alfa.

la quantità totale di elio-3 nel mantello è stimata tra 100 mila e un milione di tonnellate, ma non è direttamente accessibile. Filtra lentamente da vulcani sotterranei, come quelli delle Hawaii, e solo 300 grammi di elio-3 entrano nell'atmosfera ogni anno dal fondale hawaiano. Altri 3 kg provengono dalle dorsali oceaniche. Intorno alle zone di subduzione vi 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 ^[9].

[modifica] Fonti extraterrestri

Sulla Luna le rocce regolitiche costituiscono una ricca fonte di elio-3^[11] All'inizio del XXI secolo molti 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.

Il Cosmochimico e geochimico Ouyang Ziyuan dell'Accademia delle Scienze cinese, a capo del Programma Chang'e per l'esplorazione della Luna, ha affermato che uno dei principali obiettivi del programma è ottenere una fonte di elio-3 da cui trarre il combustibile per la generazione di energia tramite tre voli annuali ^[12].

Nel gennaio 2006 la compagnia spaziale russa RKK Energiya ha annunciato di prevedere di poter estrarre elio-3 dalla Luna entro il 2020 ^[13].

È stato proposto anche di prendere l'elio-3 dalle giganti gassose. La British Interplanetary Society ha varato un ipotetico Progetto Daedalus per una sonda interstellare alimentata da elio-3 che andrà a raccogliere combustibile da Giove.

[modifica] Note

1. ^ E.N. Slyuta et al. (2007). The estimation of helium-3 probable reserves in lunar regolith. Lunar and Planetary Science XXXVIII 38.
2. ^ Inertial Electrostatic Confinement Fusion
3. ^ Nuclear Fission and Fusion: Fusion
4. ^ The Fusion Reaction
5. ^ J.F. Santarius et al. (2006). A strategy for D³ He fusion development. Fusion Technology Institute.
6. ^ HyperPhysics: Nuclear Reactions
7. ^ John Santarius, Lunar ³He and Fusion Power, (PDF), 28 settembre, 2004
8. ^ Hisham Zerriffi, Tritium Production: DOE Moves Ahead Where Nonproliferationists Fear to Tread IEER, Science for Democratic Action Vol. 5 No. 1 1996
9. ^ ^{a b} L.J. Wittenberg, Non-Lunar ³He Resources, luglio 1994, (PDF)
10. ^ Take a deep breath of nuclear spin, 2 ottobre 2001
11. ^ Fusion Technology Institute, Lunar Mining of Helium-3
12. ^ Jia Hepeng, He asked for the moon-and got it, China Daily, 26 luglio 2007
13. ^ Space.com, Russian Rocket Builder Aims for Moon Base by 2015, Reports Say 26 gennaio 2006

[modifica] Collegamenti esterni

• (EN) Discorso di presentazione dei premi Nobel 2003
• Moon for Sale - documentario della BBC