Hélium-3 - Helium-3

Hélium-3,  3 He
Hélium3.svg
Général
symbole 3 Il
Noms hélium-3, He-3, tralphium (obsolète)
Protons 2
Neutrons 1
Données sur les nucléides
Abondance naturelle 0,000137 % (% He sur Terre)
0,001 % (% He dans le système solaire)
Demi-vie stable
Isotopes parents 3 H  ( désintégration bêta du tritium)
Masse isotopique 3.0160293 u
Tournoyer 1 / 2
Isotopes de l'hélium
Tableau complet des nucléides

L'hélium-3 ( 3 He voir aussi hélion ) est un isotope léger et stable de l' hélium avec deux protons et un neutron (l'isotope le plus courant, l' hélium-4 , ayant deux protons et deux neutrons en contraste). Outre le protium ( hydrogène ordinaire ), l'hélium-3 est le seul isotope stable de tout élément contenant plus de protons que de neutrons. L'hélium-3 a été découvert en 1939.

L'hélium-3 se présente sous la forme d'un nucléide primordial , s'échappant de la croûte terrestre dans son atmosphère et dans l' espace extra-atmosphérique pendant des millions d'années. On pense également que l'hélium-3 est un nucléide nucléogénique et cosmogénique naturel , produit lorsque le lithium est bombardé par des neutrons naturels, qui peuvent être libérés par fission spontanée et par des réactions nucléaires avec des rayons cosmiques . Une partie de l'hélium-3 trouvé dans l'atmosphère terrestre est également un artefact d' essais d'armes nucléaires atmosphériques et sous - marines .

Beaucoup de spéculations ont été faites sur la possibilité de l'hélium-3 comme future source d'énergie . Contrairement à la plupart des réactions de fission nucléaire , la fusion d'atomes d'hélium-3 libère de grandes quantités d'énergie sans que le matériau environnant ne devienne radioactif . Cependant, les températures requises pour réaliser les réactions de fusion à l'hélium-3 sont beaucoup plus élevées que dans les réactions de fusion traditionnelles, et le processus peut inévitablement créer d'autres réactions qui elles-mêmes rendraient le matériau environnant radioactif.

On pense que l'abondance d'hélium-3 est plus importante sur la Lune que sur Terre, ayant été incrustée dans la couche supérieure du régolithe par le vent solaire pendant des milliards d'années, bien qu'encore plus faible en abondance que dans les géantes gazeuses du système solaire .

Histoire

L'existence de l'hélium-3 a été proposée pour la première fois en 1934 par le physicien nucléaire australien Mark Oliphant alors qu'il travaillait au laboratoire Cavendish de l' Université de Cambridge . Oliphant avait réalisé des expériences dans lesquelles des deutérons rapides sont entrés en collision avec des cibles de deutons (d'ailleurs, la première démonstration de fusion nucléaire ). L'isolement de l'hélium-3 a été réalisé pour la première fois par Luis Alvarez et Robert Cornog en 1939. On pensait que l'hélium-3 était un isotope radioactif jusqu'à ce qu'il soit également trouvé dans des échantillons d'hélium naturel, qui est principalement de l' hélium-4 , prélevés à la fois sur le sol l'atmosphère et des puits de gaz naturel .

Propriétés physiques

En raison de sa faible masse atomique de 3,02 unités de masse atomique , l'hélium-3 a des propriétés physiques différentes de celles de l'hélium-4, avec une masse de 4,00 unités de masse atomique. En raison de la faible induite dipôle-dipôle interaction entre les atomes d'hélium, leurs propriétés physiques microscopiques sont principalement déterminées par leur énergie du point zéro . De plus, les propriétés microscopiques de l'hélium-3 lui confèrent une énergie de point zéro plus élevée que l'hélium-4. Cela implique que l'hélium-3 peut surmonter les interactions dipôle-dipôle avec moins d' énergie thermique que l'hélium-4.

Les effets de la mécanique quantique sur l'hélium-3 et l'hélium-4 sont très différents car avec deux protons , deux neutrons et deux électrons , l'hélium-4 a un spin global de zéro, ce qui en fait un boson , mais avec un neutron de moins, l'hélium- 3 a un spin global d'un demi, ce qui en fait un fermion .

L'hélium-3 bout à 3,19 K par rapport à l'hélium-4 à 4,23 K, et son point critique est également inférieur à 3,35 K, par rapport à l'hélium-4 à 5,2 K. L'hélium-3 a moins de la moitié de la densité de l'hélium-4 lorsque il est à son point d'ébullition : 59 g/L contre 125 g/L d'hélium-4 à une pression d'une atmosphère. Sa chaleur latente de vaporisation est également considérablement plus faible à 0,026 kJ/mol par rapport aux 0,0829 kJ/mol de l'hélium-4.

Abondance naturelle

Abondance terrestre

3 Il s'agit d'une substance primordiale du manteau terrestre , considérée comme ayant été piégée à l'intérieur de la Terre lors de la formation planétaire. Le rapport de 3 He à 4 He dans la croûte terrestre et le manteau est inférieur à celui des hypothèses de composition du disque solaire obtenues à partir d'échantillons de météorites et lunaires, avec des matériaux terrestres contenant généralement des rapports 3 He/ 4 He plus faibles en raison de la croissance interne de 4 He de la désintégration radioactive.

3 He a un rapport cosmologique de 300 atomes par million d'atomes de 4 He (à. ppm), ce qui laisse supposer que le rapport original de ces gaz primordiaux dans le manteau était d'environ 200-300 ppm lorsque la Terre s'est formée. Une grande partie de 4 He a été générée par la désintégration des particules alpha de l'uranium et du thorium, et maintenant le manteau n'a qu'environ 7 % d'hélium primordial, abaissant le rapport total 3 He/ 4 He à environ 20 ppm. Des rapports de 3 He/ 4 He en excès par rapport à l'atmosphère sont indicatifs d'une contribution de 3 He du manteau. Les sources crustales sont dominées par le 4 He qui est produit par la désintégration des éléments radioactifs dans la croûte et le manteau.

Le rapport de l'hélium-3 à l'hélium-4 dans les sources naturelles liées à la Terre varie considérablement. Des échantillons de spodumène de minerai de lithium de la mine Edison, dans le Dakota du Sud, contenaient 12 parties d'hélium-3 à un million de parties d'hélium-4. Les échantillons d'autres mines ont montré 2 parties par million.

L'hélium est également présent jusqu'à 7 % de certaines sources de gaz naturel, et les grandes sources en contiennent plus de 0,5 % (au-dessus de 0,2 %, il est viable d'en extraire). La fraction de 3 He dans l'hélium séparé du gaz naturel aux États-Unis variait de 70 à 242 parties par milliard. Ainsi, le stock américain de 2002 de 1 milliard de m 3 normal aurait contenu environ 12 à 43 kilogrammes d'hélium-3. Selon le physicien américain Richard Garwin , environ 26 m 3 ou près de 5 kg de 3 He sont disponibles chaque année pour être séparés du flux de gaz naturel américain. Si le processus de séparation du 3 He pouvait utiliser comme matière première l'hélium liquéfié généralement utilisé pour transporter et stocker des quantités en vrac, les estimations du coût énergétique supplémentaire vont de 34 $ US à 300 $ US par litre de NTP, à l'exclusion du coût de l'infrastructure et de l'équipement. La production annuelle de gaz de l'Algérie est supposée contenir 100 millions de mètres cubes normaux et cela contiendrait entre 7 et 24 m 3 d'hélium-3 (environ 1 à 4 kilogrammes) en supposant une fraction 3 He similaire .

3 Il est également présent dans l' atmosphère terrestre . L'abondance naturelle de 3 He dans l'hélium gazeux naturel est de 1,38 × 10 6 (1,38 partie par million). La pression partielle de l'hélium dans l'atmosphère terrestre est d'environ 0,52 Pa, et l'hélium représente donc 5,2 parties par million de la pression totale (10 1325 Pa) dans l'atmosphère terrestre, et 3 He représente ainsi 7,2 parties par billion de l'atmosphère. Puisque l'atmosphère de la Terre a une masse d'environ 5,14 × 10 15 tonnes, la masse de 3 He dans l'atmosphère terrestre est le produit de ces nombres, soit environ 37 000 tonnes de 3 He. (En fait le chiffre effectif est dix fois plus petit, puisque les ppm ci-dessus sont des ppmv et non des ppmw. Il faut multiplier par 3 (la masse moléculaire de l'hélium-3) et diviser par 29 (la masse moléculaire moyenne de l'atmosphère), ce qui donne dans 3 828 tonnes d'hélium-3 dans l'atmosphère terrestre.)

3 Il est produit sur Terre à partir de trois sources : la spallation du lithium , les rayons cosmiques et la désintégration bêta du tritium ( 3 H). La contribution des rayons cosmiques est négligeable dans tous, à l'exception des matériaux de régolithe les plus anciens, et les réactions de spallation du lithium contribuent moins que la production de 4 He par les émissions de particules alpha .

La quantité totale d'hélium-3 dans le manteau peut être de l'ordre de 0,1 à 1 million de tonnes . Cependant, la majeure partie du manteau n'est pas directement accessible. De l'hélium-3 s'échappe à travers des volcans de points chauds de source profonde tels que ceux des îles Hawaï , mais seulement 300 grammes par an sont émis dans l'atmosphère. Les dorsales médio-océaniques émettent 3 kilogrammes supplémentaires par an. Autour des zones de subduction , diverses sources produisent de l'hélium-3 dans des gisements de gaz naturel pouvant contenir un millier de tonnes d'hélium-3 (bien qu'il puisse y en avoir 25 mille tonnes si toutes les anciennes zones de subduction possèdent de tels gisements). Wittenberg a estimé que les sources de gaz naturel crustal des États-Unis pourraient n'avoir qu'une demi-tonne au total. Wittenberg a cité l'estimation d'Anderson d'un autre 1200 tonnes métriques de particules de poussière interplanétaires sur les fonds océaniques. Dans l'étude de 1994, l'extraction d'hélium-3 de ces sources consomme plus d'énergie que la fusion n'en libérerait.

Surface lunaire

Voir Exploitation extraterrestre

Abondance de la nébuleuse solaire (primordiale)

Une première estimation du rapport primordial de 3 He à 4 He dans la nébuleuse solaire a été la mesure de leur rapport dans l'atmosphère de Jupiter, mesuré par le spectromètre de masse de la sonde d'entrée atmosphérique Galileo. Ce rapport est d'environ 1:10 000, soit 100 parties de 3 He par million de parties de 4 He. C'est à peu près le même rapport d'isotopes que dans le régolithe lunaire, qui contient 28 ppm d'hélium-4 et 2,8 ppb d'hélium-3 (ce qui se situe à l'extrémité inférieure des mesures d'échantillons réelles, qui varient d'environ 1,4 à 15 ppb). Cependant, les rapports terrestres des isotopes sont inférieurs d'un facteur 100, principalement en raison de l'enrichissement des stocks d'hélium-4 dans le manteau par des milliards d'années de désintégration alpha de l' uranium et du thorium .

Production humaine

Désintégration du tritium

Pratiquement tout l'hélium-3 utilisé dans l'industrie aujourd'hui est produit à partir de la désintégration radioactive du tritium , compte tenu de sa très faible abondance naturelle et de son coût très élevé.

La production, les ventes et la distribution d'hélium-3 aux États-Unis sont gérées par le programme d'isotopes du département américain de l'Énergie (DOE) .

Alors que le tritium a plusieurs valeurs différentes déterminées expérimentalement pour sa demi-vie , le NIST répertorie 4 500 ± 8 jours ( 12,32 ± 0,02 ans ). Il se désintègre en hélium-3 par désintégration bêta comme dans cette équation nucléaire :

3
1
H
 
→  3
2
Il1+
 

e
 

??
e

Parmi l'énergie totale libérée de 18,6 keV, la part prise par l'énergie cinétique de l' électron varie, avec une moyenne de 5,7 keV, tandis que l'énergie restante est emportée par l' antineutrino électronique presque indétectable . Les particules bêta du tritium ne peuvent pénétrer qu'environ 6,0 mm d'air et sont incapables de traverser la couche morte la plus externe de la peau humaine. L'énergie inhabituellement faible libérée dans la désintégration bêta du tritium rend la désintégration (ainsi que celle du rhénium-187 ) appropriée pour les mesures absolues de la masse des neutrinos en laboratoire (l'expérience la plus récente étant KATRIN ).

La faible énergie du rayonnement du tritium rend difficile la détection des composés marqués au tritium, sauf en utilisant le comptage à scintillation liquide .

Le tritium est un isotope radioactif de l'hydrogène et est généralement produit en bombardant du lithium-6 avec des neutrons dans un réacteur nucléaire. Le noyau de lithium absorbe un neutron et se divise en hélium-4 et tritium. Le tritium se désintègre en hélium-3 avec une demi-vie de 12,3 ans, de sorte que l'hélium-3 peut être produit en stockant simplement le tritium jusqu'à ce qu'il subisse une désintégration radioactive.

Le tritium est un composant essentiel des armes nucléaires et historiquement, il a été produit et stocké principalement pour cette application. La désintégration du tritium en hélium-3 réduit la puissance explosive de l'ogive de fusion, donc périodiquement l'hélium-3 accumulé doit être retiré des réservoirs d'ogives et le tritium en stockage. L'hélium-3 éliminé au cours de ce processus est commercialisé pour d'autres applications.

Pendant des décennies, cela a été et reste la principale source d'hélium-3 dans le monde. Cependant, depuis la signature du traité START I en 1991, le nombre d'ogives nucléaires prêtes à l'emploi a diminué, ce qui a réduit la quantité d'hélium-3 disponible à partir de cette source. Les stocks d'hélium-3 ont encore été réduits par une demande accrue, principalement pour une utilisation dans les détecteurs de rayonnement neutronique et les procédures de diagnostic médical. La demande industrielle américaine d'hélium-3 a atteint un pic de 70 000 litres (environ 8 kg) par an en 2008. Le prix aux enchères, historiquement d'environ 100 $/litre, a atteint 2 000 $/litre. Depuis lors, la demande d'hélium-3 a diminué à environ 6 000 litres par an en raison du coût élevé et des efforts déployés par le DOE pour le recycler et trouver des substituts.

Le DOE a reconnu la pénurie de développement des deux tritium et de l' hélium-3, et a commencé à produire du tritium par irradiation de lithium à la Tennessee Valley Authority de Watts Bar centrale nucléaire en 2010. Dans ce tritium production procédé barres d'absorbeur consumable (TPBARs) contenant du lithium sous forme de céramique sont insérés dans le réacteur à la place des barres normales de contrôle du bore. Périodiquement, les TPBAR sont remplacés et le tritium extrait.

Actuellement, seuls deux réacteurs nucléaires commerciaux (Watts Bar Nuclear Plant Units 1 et 2) sont utilisés pour la production de tritium, mais le processus pourrait, si nécessaire, être considérablement étendu pour répondre à toute demande imaginable simplement en utilisant davantage de réacteurs de puissance du pays. Des quantités importantes de tritium et d'hélium-3 pourraient également être extraites du modérateur à eau lourde des réacteurs nucléaires CANDU.

Les usages

Détection de neutrons

L'hélium-3 est un isotope important dans l'instrumentation pour la détection des neutrons . Il a une section efficace d'absorption élevée pour les faisceaux de neutrons thermiques et est utilisé comme gaz convertisseur dans les détecteurs de neutrons. Le neutron est converti par la réaction nucléaire

n + 3 He → 3 H + 1 H + 0,764 MeV

en particules chargées d' ions tritium (T, 3 H) et d'ions hydrogène , ou protons (p, 1 H) qui sont ensuite détectés en créant un nuage de charge dans le gaz d'arrêt d'un compteur proportionnel ou d'un tube Geiger-Müller .

De plus, le processus d'absorption est fortement dépendant du spin , ce qui permet à un volume d'hélium-3 polarisé en spin de transmettre des neutrons avec une composante de spin tout en absorbant l'autre. Cet effet est utilisé dans l' analyse de polarisation des neutrons , une technique qui sonde les propriétés magnétiques de la matière.

Le département américain de la Sécurité intérieure avait espéré déployer des détecteurs pour repérer le plutonium de contrebande dans les conteneurs maritimes par leurs émissions de neutrons, mais la pénurie mondiale d'hélium-3 suite à la baisse de la production d'armes nucléaires depuis la guerre froide a dans une certaine mesure empêché cela. En 2012, le DHS a déterminé que l'offre commerciale de bore-10 soutiendrait la conversion de son infrastructure de détection de neutrons vers cette technologie.

Cryogénie

Un réfrigérateur à hélium-3 utilise de l'hélium-3 pour atteindre des températures de 0,2 à 0,3 kelvin . Un réfrigérateur à dilution utilise un mélange d'hélium-3 et d'hélium-4 pour atteindre des températures cryogéniques aussi basses que quelques millièmes de kelvin .

Une propriété importante de l'hélium-3, qui le distingue de l'hélium-4 plus courant, est que son noyau est un fermion puisqu'il contient un nombre impair de particules de spin 12 . Les noyaux d' hélium-4 sont des bosons , contenant un nombre pair de rotation 1 / 2 particules. Ceci est un résultat direct des règles d'addition pour le moment cinétique quantifié. À basse température (environ 2,17 K), l'hélium-4 subit une transition de phase : une fraction de celui-ci entre dans une phase superfluide qui peut être grossièrement comprise comme un type de condensat de Bose-Einstein . Un tel mécanisme n'est pas disponible pour les atomes d'hélium-3, qui sont des fermions. Cependant, il a été largement supposé que l'hélium-3 pourrait également devenir un superfluide à des températures beaucoup plus basses, si les atomes se formaient en paires analogues aux paires de Cooper dans la théorie BCS de la supraconductivité . Chaque paire de Cooper, ayant un spin entier, peut être considérée comme un boson. Au cours des années 1970, David Lee , Douglas Osheroff et Robert Coleman Richardson ont découvert deux transitions de phase le long de la courbe de fusion, qui se sont rapidement rendu compte qu'il s'agissait des deux phases superfluides de l'hélium-3. La transition vers un superfluide se produit à 2,491 millikelvins sur la courbe de fusion. Ils ont reçu le prix Nobel de physique 1996 pour leur découverte. Alexei Abrikosov , Vitaly Ginzburg et Tony Leggett ont remporté le prix Nobel de physique 2003 pour leurs travaux sur l'amélioration de la compréhension de la phase superfluide de l'hélium-3.

Dans un champ magnétique nul, il existe deux phases superfluides distinctes de 3 He, la phase A et la phase B. La phase B est la phase basse température et basse pression qui a un intervalle d'énergie isotrope. La phase A est la phase à température plus élevée et à pression plus élevée qui est davantage stabilisée par un champ magnétique et a deux nœuds ponctuels dans son espace. La présence de deux phases indique clairement que 3 He est un superfluide non conventionnel (supraconducteur), car la présence de deux phases nécessite une symétrie supplémentaire, autre que la symétrie de jauge, pour être brisée. En fait, c'est un superfluide à onde p , de spin un, S =1, et de moment cinétique un, L =1. L'état fondamental correspond au moment cinétique total zéro, J = S + L =0 (addition vectorielle). Des états excités sont possibles avec un moment angulaire total non nul, J > 0, qui sont des modes collectifs de paires excitées. En raison de l'extrême pureté du 3 He superfluide (étant donné que tous les matériaux à l'exception du 4 He se sont solidifiés et ont coulé au fond du 3 He liquide et que tout 4 He a des phases entièrement séparées, c'est l'état de matière condensée le plus pur), ces modes collectifs ont été étudiées avec beaucoup plus de précision que dans tout autre système d'appariement non conventionnel.

L'imagerie médicale

Les noyaux d' hélium-3 ont un intrinsèque spin nucléaire d' une / 2 , et une relativement haute rapport gyromagnétique . L'hélium-3 peut être hyperpolarisé en utilisant des moyens de non-équilibre tels que le pompage optique à échange de spin. Au cours de ce processus, une lumière laser infrarouge à polarisation circulaire , réglée sur la longueur d'onde appropriée, est utilisée pour exciter les électrons dans un métal alcalin , tel que le césium ou le rubidium à l' intérieur d'un récipient en verre scellé. Le moment angulaire est transféré des électrons de métaux alcalins aux noyaux de gaz noble par le biais de collisions. Essentiellement, ce processus aligne efficacement les spins nucléaires avec le champ magnétique afin d'améliorer le signal RMN . Le gaz hyperpolarisé peut ensuite être stocké à des pressions de 10 atm, jusqu'à 100 heures. Après inhalation, les mélanges gazeux contenant le gaz hélium-3 hyperpolarisé peuvent être imagés avec un scanner IRM pour produire des images anatomiques et fonctionnelles de la ventilation pulmonaire. Cette technique est également capable de produire des images de l'arbre des voies respiratoires, de localiser les défauts non ventilés , de mesurer la pression partielle d'oxygène alvéolaire et de mesurer le rapport ventilation/perfusion . Cette technique peut être essentielle pour le diagnostic et la gestion du traitement des maladies respiratoires chroniques telles que la maladie pulmonaire obstructive chronique (MPOC) , l' emphysème , la mucoviscidose et l' asthme .

Absorbeur d'énergie radio pour les expériences de plasma tokamak

Le tokamak Alcator C-Mod du MIT et le Joint European Torus (JET) ont expérimenté l'ajout d'un peu de He-3 à un plasma HD pour augmenter l'absorption de l'énergie radiofréquence (RF) pour chauffer les ions H & D, un " effet "trois ions".

Combustible nucléaire

Comparaison de la neutronique pour différentes réactions
Réactifs Des produits Q n/MeV
Combustibles de fusion de première génération
2 J + 2 J 3 Il +1
0
m
3.268 MeV 0,306
2 J + 2 J 3 T +1
1
p
4.032 MeV 0
2 J + 3 T 4 Il +1
0
m
17,571 MeV 0,057
Combustible de fusion de deuxième génération
2 D + 3 He 4 Il +1
1
p
18,354 MeV 0
Combustibles de fusion de troisième génération
3 Il + 3 Il 4 Il + 21
1
p
12,86 MeV 0
11 B +1
1
p
3 4 Il 8,68 MeV 0
Résultat net de la gravure D (somme des 4 premières lignes)
6D 2( 4 He + n + p) 43,225 MeV 0,046
Combustible nucléaire actuel
235 U + n 2 FP + 2.5n ~200 MeV 0,0075

3 Il peut être produit par fusion à basse température de (Dp)2 H + 1 p3 He + + 4,98 MeV. Si la température de fusion est inférieure à celle pour que les noyaux d'hélium fusionnent, la réaction produit une particule alpha de haute énergie qui acquiert rapidement un électron produisant un ion hélium léger stable qui peut être utilisé directement comme source d'électricité sans produire de neutrons dangereux.

La vitesse de réaction de fusion augmente rapidement avec la température jusqu'à ce qu'elle soit maximale, puis diminue progressivement. Le taux de DT culmine à une température plus basse (environ 70 keV, ou 800 millions de kelvins) et à une valeur plus élevée que les autres réactions couramment considérées pour l'énergie de fusion.

3 He peut être utilisé dans des réactions de fusion par l'une ou l'autre des réactions 2 H + 3 He4 He + 1 p + 18,3 MeV , ou 3 He + 3 He4 He + 2 1 p + 12,86 MeV.

Le procédé de fusion conventionnel deutérium + tritium ("DT") produit des neutrons énergétiques qui rendent les composants du réacteur radioactifs avec des produits d'activation . L'attrait de la fusion à l'hélium-3 tient à la nature aneutronique de ses produits de réaction. L'hélium-3 lui-même n'est pas radioactif. Le seul sous-produit à haute énergie, le proton , peut être contenu à l'aide de champs électriques et magnétiques. L'énergie de quantité de mouvement de ce proton (créée dans le processus de fusion) interagira avec le champ électromagnétique contenant, ce qui entraînera une production nette directe d'électricité.

En raison de la barrière de Coulomb plus élevée , les températures requises pour la fusion 2 H + 3 He sont beaucoup plus élevées que celles de la fusion DT conventionnelle . De plus, étant donné que les deux réactifs doivent être mélangés pour fusionner, des réactions entre les noyaux du même réactif se produiront et la réaction DD ( 2 H + 2 H ) produira un neutron . Les vitesses de réaction varient avec la température, mais la vitesse de réaction du D- 3 He n'est jamais supérieure à 3,56 fois la vitesse de réaction du DD (voir graphique). Par conséquent, la fusion utilisant du combustible D- 3 He à la bonne température et un mélange de combustible pauvre en D peut produire un flux de neutrons beaucoup plus faible que la fusion DT, mais n'est pas propre, ce qui annule une partie de son attrait principal.

La deuxième possibilité, fusionner 3 He avec lui-même ( 3 He + 3 He ), nécessite des températures encore plus élevées (puisque maintenant les deux réactifs ont une charge +2), et est donc encore plus difficile que la réaction D- 3 He . Cependant, il offre une réaction possible qui ne produit pas de neutrons ; les protons chargés produits peuvent être contenus à l'aide de champs électriques et magnétiques, ce qui entraîne à son tour une production directe d'électricité. La fusion 3 He + 3 He est faisable comme cela a été démontré en laboratoire et présente d'immenses avantages, mais la viabilité commerciale est de plusieurs années dans le futur.

Les quantités d'hélium-3 nécessaires en remplacement des combustibles conventionnels sont substantielles par rapport aux quantités actuellement disponibles. La quantité totale d'énergie produite dans la réaction 2 D  +  3 He est de 18,4 M eV , ce qui correspond à quelque 493 mégawattheures (4,93 × 10 8 W·h) pour trois grammes (une mole ) de 3 He . Si la quantité totale d'énergie pouvait être convertie en énergie électrique avec un rendement de 100 % (une impossibilité physique), cela correspondrait à environ 30 minutes de production d'une centrale électrique d'un gigawatt par mole de 3 He . Ainsi, une année de production (à 6 grammes pour chaque heure de fonctionnement) nécessiterait 52,5 kilogrammes d'hélium-3. La quantité de combustible nécessaire pour les applications à grande échelle peut également être évaluée en termes de consommation totale : la consommation d'électricité de 107 millions de foyers américains en 2001 s'élevait à 1 140 milliards de kW·h (1,14 × 10 15 W·h). En supposant encore une fois une efficacité de conversion de 100 %, 6,7 tonnes par an d'hélium-3 seraient nécessaires pour ce segment de la demande énergétique des États-Unis, 15 à 20 tonnes par an étant donné une efficacité de conversion de bout en bout plus réaliste.

Une approche de deuxième génération de la puissance de fusion contrôlée consiste à combiner l'hélium-3 et le deutérium ( 2 D ). Cette réaction produit un ion hélium-4 ( 4 He ) (comme une particule alpha , mais d'origine différente) et un proton de haute énergie (ion hydrogène chargé positivement). L'avantage potentiel le plus important de cette réaction de fusion pour la production d'électricité ainsi que d'autres applications réside dans sa compatibilité avec l'utilisation de champs électrostatiques pour contrôler les ions combustibles et les protons de fusion. Les protons à grande vitesse, en tant que particules chargées positivement, peuvent voir leur énergie cinétique convertie directement en électricité , grâce à l'utilisation de matériaux de conversion à l' état solide ainsi que d'autres techniques. L' efficacité de conversion potentiels de 70% peut être possible, car il n'y a pas besoin de convertir l' énergie des protons à la chaleur pour entraîner une turbine -powered générateur électrique .

Il y a eu de nombreuses affirmations sur les capacités des centrales à hélium-3. Selon les partisans, les centrales à fusion fonctionnant au deutérium et à l'hélium-3 offriraient des coûts d' investissement et d' exploitation inférieurs à ceux de leurs concurrents en raison d'une complexité technique moindre, d'un rendement de conversion plus élevé, d'une taille plus petite, de l'absence de combustible radioactif, de l'absence de pollution de l' air ou de l'eau , et uniquement les exigences relatives à l'élimination des déchets radioactifs de faible activité. Des estimations récentes suggèrent qu'environ 6 milliards de dollars en capital d' investissement seront nécessaires pour développer et construire la première centrale à fusion d'hélium-3 . L'équilibre financier aux prix de gros de l' électricité d' aujourd'hui (5 cents US par kilowattheure ) se produirait après la mise en service de cinq centrales de 1 gigawatt , remplaçant les anciennes centrales conventionnelles ou répondant à une nouvelle demande.

La réalité n'est pas si tranchée. Les programmes de fusion les plus avancés au monde sont la fusion par confinement inertiel (comme le National Ignition Facility ) et la fusion par confinement magnétique (comme ITER et Wendelstein 7-X ). Dans le premier cas, il n'y a pas de feuille de route solide pour la production d'électricité. Dans le cas de ces derniers, la production commerciale d'électricité n'est attendue que vers 2050. Dans les deux cas, le type de fusion évoqué est le plus simple : la fusion DT. La raison en est la très faible barrière de Coulomb pour cette réaction ; pour D+ 3 He, la barrière est beaucoup plus haute, et elle est encore plus haute pour 3 He– 3 He. Le coût immense des réacteurs comme ITER et National Ignition Facility est en grande partie dû à leur immense taille, mais pour atteindre des températures de plasma plus élevées, il faudrait des réacteurs encore plus grands. Le proton de 14,7 MeV et la particule alpha de 3,6 MeV de la fusion D- 3 He, ainsi que l'efficacité de conversion plus élevée, signifient que plus d'électricité est obtenue par kilogramme qu'avec la fusion DT (17,6 MeV), mais pas beaucoup plus. Autre inconvénient, les vitesses de réaction des réactions de fusion à l' hélium-3 ne sont pas particulièrement élevées, ce qui nécessite un réacteur encore plus grand ou plusieurs réacteurs pour produire la même quantité d'électricité.

Pour tenter de contourner ce problème des centrales électriques massivement grandes qui peuvent même ne pas être économiques avec la fusion DT, sans parler de la fusion D- 3 He beaucoup plus difficile , un certain nombre d'autres réacteurs ont été proposés - la fusion Fusor , Polywell , Focus. , et bien d'autres, bien que beaucoup de ces concepts présentent des problèmes fondamentaux pour obtenir un gain d'énergie net, et tentent généralement de réaliser la fusion en déséquilibre thermique, ce qui pourrait potentiellement s'avérer impossible, et par conséquent, ces programmes à long terme ont tendance à avoir du mal à recueillir financement malgré leurs faibles budgets. Contrairement aux « grands », « à chaud » systèmes de fusion, cependant, si de tels systèmes fonctionnaient, ils pourraient s'adapter aux combustibles « aneutroniques » à barrière plus élevée , et donc leurs partisans ont tendance à promouvoir la fusion pB , qui ne nécessite pas de combustibles exotiques tels que hélium-3.

Exploitation minière extraterrestre

Surface lunaire

Les matériaux à la surface de la Lune contiennent de l'hélium-3 à des concentrations comprises entre 1,4 et 15 ppb dans les zones ensoleillées, et peuvent contenir des concentrations allant jusqu'à 50 ppb dans les régions ombragées en permanence. Un certain nombre de personnes, à commencer par Gerald Kulcinski en 1986, ont proposé d' explorer la Lune , d'exploiter le régolithe lunaire et d'utiliser l'hélium-3 pour la fusion . En raison des faibles concentrations d'hélium-3, tout équipement minier devrait traiter des quantités extrêmement importantes de régolithe (plus de 150 tonnes de régolithe pour obtenir un gramme d'hélium-3), et certaines propositions ont suggéré que l'extraction d'hélium-3 soit superposée. sur une opération d'extraction et de développement plus vaste.

L'objectif principal de la première sonde lunaire de l' Organisation indienne de recherche spatiale appelée Chandrayaan-1 , lancée le 22 octobre 2008, a été signalé dans certaines sources comme étant de cartographier la surface de la Lune pour les minéraux contenant de l'hélium-3. Cependant, aucun objectif de ce type n'est mentionné dans la liste officielle des objectifs du projet, bien que bon nombre de ses charges utiles scientifiques aient noté des applications liées à l'hélium-3.

Le cosmochimiste et géochimiste Ouyang Ziyuan de l' Académie chinoise des sciences qui est désormais en charge du programme chinois d'exploration lunaire a déjà déclaré à plusieurs reprises que l'un des principaux objectifs du programme serait l'extraction d'hélium-3, à partir de quelle opération " chaque année, trois missions de navette spatiale pourraient apporter suffisamment de carburant pour tous les êtres humains à travers le monde. »

En janvier 2006, la société spatiale russe RKK Energiya a annoncé qu'elle considérait l'hélium-3 lunaire comme une ressource économique potentielle à exploiter d'ici 2020, si un financement pouvait être trouvé.

Tous les auteurs ne pensent pas que l'extraction de l'hélium-3 lunaire est faisable, ni même qu'il y aura une demande pour la fusion. Dwayne Day , écrivant dans The Space Review en 2015, caractérise l'extraction d'hélium-3 de la lune pour une utilisation en fusion, comme une pensée magique/religieuse, et remet en question la faisabilité de l'extraction lunaire par rapport à la production sur Terre.

D'autres planètes

L'extraction de géantes gazeuses pour l'hélium-3 a également été proposée. La conception hypothétique de la sonde interstellaire Project Daedalus de la British Interplanetary Society a été alimentée par des mines d'hélium-3 dans l'atmosphère de Jupiter , par exemple. Cependant, la gravité élevée de Jupiter en fait une opération moins favorable sur le plan énergétique que l'extraction d'hélium-3 des autres géantes gazeuses du système solaire.

Voir également

Notes et références

Bibliographie

Liens externes


Briquet :
diproton
L'hélium-3 est un
isotope de l' hélium
Plus lourd :
hélium-4
Produit de désintégration de :
lithium-4 ( p )
hydrogène-3 ( β− )
Chaîne
de désintégration de l'hélium-3
Se décompose en :
Stable