Información detallada sobre helio-3
El gas helio-3 (He-3) es un gas isotópico de helio incoloro, insípido, inodoro y estable. Es un gas a alta presión generalmente almacenado en cilindros. El contenido natural de helio-3 es de 1,38x10-. 6 . Cuando su contenido aumenta y el contenido de oxígeno cae por debajo del 19,5%, puede provocar asfixia y se requiere una máscara respiratoria autocebante. Peso molecular 3,01603 Volumen estándar 6,032 m3/kg Punto de ebullición -452°F(-270°C). El tritio se descompone para producir helio-3 y emite rayos beta. Introducción básica Nombre chino: Helio-3 Nombre en inglés: He-3 Peso molecular: 3.01603 Número de registro CAS: 14762-55-1 Punto de ebullición: 3,19 K Apariencia: gas incoloro Aplicación: reacción termonuclear entre helio-3 y deuterio Energía futura, helio El papel del -3, seguridad, descubrimiento, introducción específica, perspectivas de aplicación, nueva energía futura, métodos de separación, energía futura La extracción de helio-3 es un proceso extremadamente complejo. Primero, la gente necesita calentar el suelo lunar a más de 700 grados Celsius antes de poder extraer helio-3 de él. También hay muchos problemas que deben resolverse en el desarrollo y transporte de energía en la Luna. Por ejemplo, si necesitamos transportar personas y carga entre la Luna y la Tierra, primero debemos tener un vehículo de lanzamiento con suficiente empuje. Además, si desea aterrizar en la superficie lunar sin atmósfera, solo puede confiar en cohetes de empuje inverso para amortiguar cómo garantizar la seguridad es un gran problema. Además, ¿cómo utilizar el helio-3 una vez extraído con éxito? Este también es un problema técnico. Debido a que no hay neutrones en los reactores termonucleares que usan helio-3 (la reacción termonuclear entre helio-3 y deuterio solo producirá protones no radiactivos), no se produce radiación cuando se usa helio-3 como fuente de energía y no se daña la salud. ambiente. . Sin embargo, debido a que las reservas de helio-3 en la Tierra son escasas, no se puede utilizar como fuente de energía en grandes cantidades. Afortunadamente, según los resultados de la exploración lunar, se estima que el contenido de helio-3 en la Luna es de más de 1 millón de toneladas. 100 toneladas de helio-3 pueden cubrir el consumo total de energía mundial durante un año. El papel del helio-3 En el siglo XXI, una nueva ronda de planes de alunizaje ha arrasado una vez más en el mundo. Una de las razones importantes es encontrar nuevas fuentes de energía para el desarrollo sostenible de la sociedad humana. En una película de ciencia ficción muy famosa, "Luna", vimos una base de recolección de helio-3 en la luna. Los recolectores en la Luna están estacionados en la Luna para recolectar helio-3 y enviarlo regularmente de regreso a la Tierra. Durante ese período, el helio-3 se había convertido en una importante fuente de energía para la Tierra. El helio-3 es abundante en la Luna, pero ¿podemos realmente utilizar el helio-3 de la Luna? Mapa de distribución de helio-3 en la Luna A medida que los precios mundiales del petróleo continúan aumentando, cada vez más países y organizaciones han comenzado a centrar su atención en la Luna. Los científicos de varios países se están centrando en las reservas, la extracción, la purificación y el transporte lunar. El entorno del helio-3 en la Luna se ha llevado a cabo discretamente en temas como la protección. Los científicos llaman a este combustible de generación de energía de fusión nuclear particularmente limpio, seguro y eficiente, difícil de obtener en la Tierra, "energía perfecta". Quizás algún día en el futuro, la luna se parezca al Golfo Pérsico a mediados del siglo XX. Seguridad Información de seguridad: No tóxico, puede provocar asfixia. Inflamabilidad: Material del cilindro de gas no inflamable: Aleación de hierro, aluminio Etiqueta DOT: Gas verde, no inflamable Nivel de peligro DOT: 2.2 No. ONU: UN 1046 No. CAS: 7440-59-7 Descubierto en 1996 por David Lee M. Lee, 1931~), Douglas D. Osheroff (1945~) y Richard C. Richardson (1937~) por su descubrimiento de la superfluidez en el helio-3 (3 He ***) compartieron el Premio Nobel de Física de 1996. Introducción detallada En la naturaleza, existen dos isótopos, 3 He y 4 He. El núcleo de 4 He tiene dos protones y dos neutrones; mientras que 3 He tiene un solo neutrón. A finales de la década de 1930, Kapitsa descubrió la superfluidez del 4 He.
Landau explicó este fenómeno teóricamente. Creía que cuando la temperatura es absoluta de 2,17 K, los átomos de 4 He sufren la condensación de Bose Einstein y se convierten en superfluidos, mientras que los fermiones como 3 He, incluso con la energía más baja, no pueden ocurrir condensaciones, por lo que la superfluidez no puede ocurrir. ocurrir. La propuesta de la teoría de la superconductividad de los metales (teoría BCS) hace pensar que el 3 He también puede formar un superfluido a temperaturas extremadamente bajas. Sin embargo, la gente no ha podido descubrir experimentalmente la superfluidez del 3 He. En la década de 1970, el grupo criogénico de Cornell dirigido por David Lee descubrió por primera vez la superfluidez del 3 He. Pronto, otros grupos de investigación también confirmaron sus hallazgos. El descubrimiento del superfluido helio 3 He tiene aplicaciones únicas en astrofísica. El superfluido 3He producido por la transición de fase se utilizó para probar teorías sobre cómo se forman las llamadas cuerdas cósmicas en el universo. El equipo utilizó reacciones nucleares inducidas por neutrinos para calentar localmente y rápidamente el superfluido 3 He, que formó bolas de vórtice cuando se volvieron a enfriar. Estas bolas de vórtice equivalen a cuerdas cósmicas. Aunque este resultado no puede utilizarse como evidencia de la existencia de cuerdas cósmicas, puede considerarse como una verificación de la teoría de la formación de vórtices fluidos de 3He. El descubrimiento del superfluido 3 He no solo promovió la investigación de la física de la materia condensada, sino que también el método de RMN utilizado en el proceso de descubrimiento fue pionero en el uso de la tecnología de RMN para el examen de fallas. En la actualidad, la tomografía por resonancia magnética se ha convertido en un medio común de diagnóstico médico. Perspectivas de aplicación Las enormes perspectivas de aplicación del helio-3 y el plan de alunizaje La luna es un lugar ideal para resolver la crisis energética de la Tierra El "helio-3" ahora es reconocido por el mundo como una energía nuclear eficiente, limpia, segura y barata. combustible de fusión. Según las estadísticas científicas, 10 toneladas de helio-3 pueden satisfacer todas las necesidades energéticas de nuestro país durante un año, y 100 toneladas de helio-3 pueden proporcionar la energía total utilizada por el mundo durante un año. Sin embargo, la cantidad de helio-3 en la Tierra es muy pequeña. La cantidad de helio-3 fácilmente accesible que conoce la humanidad es de sólo unos 500 kilogramos en el mundo. Según los resultados de detección preliminares obtenidos por humanos, las capas poco profundas de la corteza lunar contienen en realidad millones de toneladas de helio-3. Un combustible nuclear tan abundante es suficiente para que los habitantes de la Tierra lo utilicen durante decenas de miles de años. Un plan importante del proyecto de exploración lunar de mi país es realizar un estudio detallado del contenido y la distribución de helio-3 en la Luna desde el espacio hasta el campo, sentando una base sólida para el uso futuro de la energía nuclear lunar por parte de la humanidad. En el programa de exploración lunar de nuestro país, hay una cosa que los países extranjeros nunca han puesto un pie: nuestro país planea medir el espesor de la capa de suelo en la luna. Esto es de gran importancia para nosotros para calcular el contenido de helio-3. la luna. Si el proyecto va bien, podemos estimar el contenido de helio. El contenido de recursos de -3 puede estar un paso por delante de sus predecesores. Finalmente, estudiaremos el entorno espacial cislunar, que es crucial para el desarrollo del medio ambiente terrestre y de la sociedad humana. En abril de 2015, los científicos chinos utilizaron por primera vez los datos del radar lunar del vehículo lunar Chang'e-3 "Yutu" para proporcionar una estimación más fiable del espesor del suelo lunar. Creyeron que los métodos de estimación anteriores pueden haber subestimado en general el espesor del suelo lunar. Espesor del suelo lunar y reservas totales de helio-3. Japón informa que el sitio web japonés "Diplomat" publicó un artículo el 7 de enero en el que afirma que muchos países están buscando silenciosamente materiales de helio-3 para armas nucleares de cuarta generación. Obtener este material sin lluvia radiactiva se convertirá en la nueva potencia hegemónica del mundo, y China en esta competencia. , se logró la victoria. Nueva energía futura ① El helio-3 es un combustible de generación de energía de fusión nuclear limpio, seguro y eficiente. El desarrollo y utilización de helio-3 en el suelo lunar será una de las formas más prometedoras de resolver la crisis energética humana. ② El helio-3 es un isótopo de helio que contiene dos protones y un neutrón. Tiene muchas propiedades especiales. Según la teoría de la refrigeración por dilución, cuando el helio-3 y el helio-4 se mezclan en una determinada proporción, la temperatura se puede reducir hasta un nivel infinitamente cercano al cero absoluto. Cuando la temperatura alcanza menos de 2,6 mK, el helio-3 líquido también exhibirá un fenómeno "superfluido", es decir, no tiene viscosidad e incluso puede "trepar" fuera del vaso que lo contiene. Sin embargo, la propiedad más valorada del helio-3 en la actualidad es su potencial como fuente de energía. El helio-3 puede sufrir reacciones de fusión nuclear con isótopos de hidrógeno, pero a diferencia de las reacciones de fusión nuclear ordinarias, el helio-3 no produce neutrones durante el proceso de fusión, por lo que tiene baja radiactividad y el proceso de reacción es fácil de controlar, lo que es respetuoso con el medio ambiente. y seguro, pero las reservas totales de helio-3 en la Tierra no superan unos pocos cientos de kilogramos, lo que dificulta satisfacer las necesidades humanas. Los científicos han descubierto que, aunque las reservas de helio-3 en la Tierra son muy pequeñas, sus reservas en la Luna son muy considerables.
③ El helio se concentra principalmente en el suelo lunar rico en ilmenita con partículas de menos de 50 micrones. Se estima que toda la Luna proporciona 715.000 toneladas de helio-3. La energía eléctrica que pueden generar estos helio-3 equivale a 40.000 veces la generación de energía de los Estados Unidos en 1985. Teniendo en cuenta los costos de extracción, agotamiento, separación de isótopos y transporte de regreso a la Tierra, la tasa de amortización de energía del helio-3 -3 se estima que es hasta 250. Esta tasa de pago es bastante favorable en comparación con la producción de combustible nuclear a partir de uranio 235 (tasa de pago de alrededor de 20) y la minería de carbón en la Tierra (tasa de pago de menos de 16). Además, extrayendo 1 tonelada de helio-3 del suelo lunar también se pueden obtener aproximadamente 6.300 toneladas de hidrógeno, 70 toneladas de nitrógeno y 1.600 toneladas de carbono. Estos subproductos también son necesarios para mantener una base permanente en la Luna. El científico ruso Galimov cree que el hombre sólo necesita lanzar de 2 a 3 naves espaciales con una carga de 100 toneladas cada año. El helio-3 transportado desde la luna puede ser utilizado por toda la humanidad como fuente de energía alternativa durante un año y para su transporte. costes Sólo equivale a unas pocas décimas de la generación actual de energía nuclear. Según Galimov, si los humanos comienzan a implementar el plan para extraer helio-3 de la luna ahora, en unos 30 a 40 años, los humanos realizarán la extracción in situ de helio-3 en la luna y lo transportarán de regreso a la Tierra. El costo total del programa será de entre 250 mil millones y 300 mil millones de dólares. Métodos de separación Los principales métodos para separar gases isotópicos como el helio-3 incluyen el método de difusión de gas, el método de intercambio iónico, el método de centrifugación de gas, el método de destilación, el método de electrólisis, el método electromagnético, el método de corriente, etc. Entre ellos, el método de difusión de gas es el más maduro. El uso del "enriquecimiento" implica procesos de separación de isótopos diseñados para aumentar la abundancia de un isótopo específico de un elemento, como la producción de uranio enriquecido a partir de uranio natural o la producción de agua pesada a partir de agua ordinaria. Método de difusión de gas: este fue el primer método de concentración desarrollado comercialmente. El proceso se basa en diferencias en las velocidades a las que se mueven los isótopos de diferentes masas a medida que se convierten a un estado gaseoso. En cada etapa de difusión de gas, cuando el gas a alta presión penetra las membranas porosas de níquel instaladas secuencialmente en la cascada, sus gases moleculares ligeros atraviesan la pared de la membrana porosa más rápido. Este proceso de bombeo consume mucha electricidad. El gas que ha pasado a través del tubo de membrana se bombea a la siguiente etapa, mientras que el gas que queda en el tubo de membrana regresa a la etapa inferior para su recirculación. En cada nivel, la relación de concentración aumenta sólo ligeramente. Enriquecer uranio-235 hasta alcanzar una abundancia de grado reactor requiere niveles superiores a 1.000. Centrifugación de gas: en este tipo de proceso, el gas se comprime a través de una serie de cilindros o centrífugas que giran rápidamente. Es más probable que los gases isotópicos de peso molecular pesado se enriquezcan cerca de la pared del cilindro que los gases de peso molecular ligero. El gas enriquecido cerca del eje se elimina y se envía a otra centrífuga para su posterior separación. A medida que el gas pasa por una serie de centrifugadoras, sus moléculas de isótopos se enriquecen gradualmente. El método de centrifugación de gas requiere mucha menos energía eléctrica que el método de difusión de gas, por lo que este método ha sido adoptado por la mayoría de las nuevas plantas de enriquecimiento.