„Helium-3“ – Versionsunterschied

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Mit Beschleunigern wurde die <sup>3</sup><sub>2</sub>He + <sup>3</sup><sub>2</sub>He-Fusion bereits demonstriert. Die kommerzielle Realisierbarkeit liegt aber mindestens noch viele Jahrzehnte in der Zukunft.<ref>{{cite journal|url= http://www.technologyreview.com/energy/19296/|title=Mining the Moon: Lab experiments suggest that future fusion reactors could use helium-3 gathered from the moon|author=Mark Williams|journal=MIT Technology Review|date=23. August 2007|accessdate=2014-06-09}}</ref>
Mit Beschleunigern wurde die <sup>3</sup><sub>2</sub>He + <sup>3</sup><sub>2</sub>He-Fusion bereits demonstriert. Die kommerzielle Realisierbarkeit liegt aber mindestens noch viele Jahrzehnte in der Zukunft.<ref>{{cite journal|url= http://www.technologyreview.com/energy/19296/|title=Mining the Moon: Lab experiments suggest that future fusion reactors could use helium-3 gathered from the moon|author=Mark Williams|journal=MIT Technology Review|date=23. August 2007|accessdate=2014-06-09}}</ref>


Allerdings spricht so ziemlich alles gegen diese Art der Energieerzeugung:
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Die Mengen, welche benötigt werden würden, um fossile Treibstoffe zu ersetzen, liegen mehr als 4 Größenordnungen über der derzeitigen Weltproduktion. Die bei der [[Deuterium|<sup>2</sup><sub>1</sub>H]]&nbsp;+&nbsp;<sup>3</sup><sub>2</sub>He-Reaktion freigesetzte Gesamtenergie beträgt 18,4&nbsp;M[[Elektronenvolt|eV]]. Das entspricht 493 [[Wattstunde|Megawattstunde]]n pro [[Mol]] (3 [[Gramm]]) <sup>3</sup>He. Könnte man diese Energie zu 100 Prozent in elektrischen Strom umwandeln, benötigt man für den derzeitigen [[Weltenergiebedarf]] an elektrischem Strom allein 145 Tonnen <sup>3</sup>He pro Jahr. Dem steht eine Produktion von 8 Kilogramm pro Jahr gegenüber, die jetzt schon (2010) unter dem Bedarf liegt und zu einer Preisexplosion (300facher Goldpreis) geführt hat.
* Deuterium-Tritium-Kernfusion ist eine Technologie, für die noch nicht feststeht, ob sie jemals ökonomisch Energie erzeugen kann. Helium-3-Kernfusion ist um etliches anspruchsvoller.
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* Die Mengen, welche benötigt werden würden, um fossile Treibstoffe zu ersetzen, liegen mehr als 4 Größenordnungen über der derzeitigen Weltproduktion. Die bei der [[Deuterium|<sup>2</sup><sub>1</sub>H]]&nbsp;+&nbsp;<sup>3</sup><sub>2</sub>He-Reaktion freigesetzte Gesamtenergie beträgt 18,4&nbsp;M[[Elektronenvolt|eV]]. Das entspricht 493 [[Wattstunde|Megawattstunde]]n pro [[Mol]] (3 [[Gramm]]) <sup>3</sup>He. Könnte man diese Energie zu 100 Prozent in elektrischen Strom umwandeln, benötigt man für den derzeitigen [[Weltenergiebedarf]] an elektrischem Strom allein 145 Tonnen <sup>3</sup>He pro Jahr. Dem steht eine Produktion von 8 Kilogramm pro Jahr gegenüber, die jetzt schon (2010) unter dem Bedarf liegt und zu einer Preisexplosion (300facher Goldpreis) geführt hat.
* Derzeitig wird Helium-3 im wesentlich als Nebenprodukt von Kernkraftwerken gewonnen.
* Die Produktion von Helium-3 benötigt z.Z. wesentlich mehr Energie als man durch Fusion daraus gewinnen könnte.


== Literatur ==
== Literatur ==

Version vom 13. Oktober 2014, 22:14 Uhr

Strukturformel
3He
Allgemeines
Name Helium-3
Summenformel 3He
Kurzbeschreibung

farb- und geruchloses Gas[1]

Externe Identifikatoren/Datenbanken
CAS-Nummer 14762-55-1
PubChem 6857639
Wikidata Q533498
Eigenschaften
Molare Masse 3,0160293191(26) g·mol−1[2]
Aggregatzustand

gasförmig[1]

Siedepunkt

3,197 K[3]

Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung[1]
Gefahrensymbol

Achtung

H- und P-Sätze H: 280
P: 410+403[1]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Helium-3 (3He) ist, neben Helium-4, eines der beiden stabilen Isotope des Heliums. Es enthält zwei Protonen und ein Neutron. Hauptanwendungsgebiet von Helium-3 ist die Tieftemperaturforschung: In Mischungskryostaten werden durch Nutzung von 3He und 4He Temperaturen von nur wenigsten tausendstel Kelvin über dem absoluten Nullpunkt erreicht. Weiterhin kann 3He zum Nachweis von Neutronen verwendet werden.

3He ist auf der Erde sehr selten. Nur 0,000138% des Helium-Gases in der Erdatmosphäre sind 3He,[4] und Helium macht wiederum nur 0,00052% der Erdatmosphäre aus. In natürlichen Heliumquellen kann das Verhältnis von Helium-3 zu Helium-4 um einen kleinen Faktor höher oder niedriger liegen als in der Erdatmosphäre. Grund hierfür ist, dass das bei der Erdentstehung eingetragene kosmische Helium ca. 0,01% Anteil von Helium-3 hat, später aber ausgaste und durch bei radioaktivem Alphazerfall entstandenes Helium-4 verdünnt wurde.

Eine etwa tausendfach höhere, damit aber immer noch sehr geringe Konzentration[5][6] von Helium-3 wird auf dem Mond vermutet, wo es über Milliarden von Jahren vom Sonnenwind in der oberen Schicht des Regolith abgelagert und dann mangels vulkanischer und biogener Aktivität weder freigesetzt noch verdünnt wurde.[7] Auch auf den Gasplaneten findet sich Helium-3 im ursprünglichen kosmischen, entsprechend höheren Verhältnis im Vergleich zu Helium-4. Zudem ist der Helium-Anteil bei den Gasplaneten sehr hoch, da deren Atmosphäre - anders als die Atmosphäre der Erde - dieses Gas dauerhaft binden kann.

Die Hauptquelle der Helium-3-Gewinnung auf der Erde ist derzeit Tritium, das zu Helium-3 zerfällt. Tritium lässt sich in Kernreaktoren künstlich herstellen. Helium-3 sammelt sich als Zerfallsprodukt in tritiumhaltigen, geboosterten Kernwaffen, und muss aus diesen regelmäßig entfernt werden.

Geschichte und Entdeckung

Das Helion, der Atomkern des Helium-3-Atoms, besteht aus zwei Protonen und, im Unterschied zum gewöhnlichen Helium mit zwei Neutronen, aus nur einem Neutron. Helium-3 und Tritium, welche durch den Betazerfall ineinander umgewandelt werden können, wurden 1934 von dem australischen Kernphysiker Mark Oliphant an der University of Cambridge im Cavendish Laboratory erstmalig beobachtet. Später vertiefte Luis Walter Alvarez 1939 durch Messungen an einem Zyklotron im Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien das Verständnis beider Stoffe.[8] Insbesondere konnte er zeigen, dass Helium-3 stabil ist und natürlich vorkommt, und - genau anders herum, als ursprünglich gedacht - Tritium zu Helium-3 zerfällt.

Oliphant unternahm Experimente, in welchen er schnelle Deuteriumkerne mit Deuteronen beschoss, wodurch es zur Kernfusion kommt, in der in geringen Mengen sowohl Helium-3 als auch Tritium entsteht.[9] Von Helium-3 wurde aufgrund theoretischer Überlegungen erwartet, dass es ein Radionuklid sein müsse, bis Alvarez Spuren davon in Proben von natürlichem Helium nachweisen konnte. Da diese Proben geologischen Ursprungs und Jahrmillionen alt waren, musste es Tritium sein, welches sich mit der Halbwertszeit von einigen Jahren in Helium-3 umwandelt, und nicht etwa umgekehrt, wie ursprünglich vermutet. Alvarez konnte dann auch die Halbwertszeit von Tritium bestimmen.

Vorkommen

Obwohl Helium-3 in natürlichen Heliumvorkommen (insbesondere Gasquellen) nur etwa ein Millionstel des Gesamt-Heliums ausmacht, deutet seine Präsenz im Untergrund darauf hin, dass es nicht zerfällt, oder zumindest eine sehr lange Halbwertszeit von Milliarden von Jahren hat. Derzeit gibt es aber keine Hinweise auf einen Zerfall von Helium-3. Protium und Helium-3 sind die einzigen stabilen Nuklide, welche mehr Protonen als Neutronen enthalten.

Helium-3 ist ein ursprüngliches Nuklid, welches über Millionen von Jahren von der Erdkruste in die Atmosphäre und von dort wiederum in den Weltraum flüchtet. Es wird vermutet, dass Helium-3 ein natürliches kosmogenes Nuklid ist, da es entstehen kann, wenn Lithium mit Neutronen bombardiert wird. Letztere werden bei spontaner Spaltung und bei Kernreaktionen mit kosmischer Strahlung freigesetzt. Auch in der Erdatmosphäre bildet sich laufend Tritium durch Reaktionen zwischen Stickstoff und der kosmischen Strahlung. Die absoluten Mengen sind allerdings gering, so wird die gesamte Menge an natürlichem Tritium in der Biosphäre auf 3,5 kg geschätzt.

Im Erdmantel ist Helium-3 häufiger (typisches Verhältnis Helium-3 zu Helium-4 von 1 : 10000) als in der Erdkruste und Atmosphäre (typisches Verhältnis 1 : 1 Million). Grund ist, dass die Erdkruste Richtung Atmosphäre ausgast, und aus radioaktivem Zerfall nachgebildetes Helium immer Helium-4 ist. In Gebieten mit hoher vulkanischer Aktivität, in denen Mantelplumes aus dem Erdmantel aufsteigen, findet sich daher auch oft eine höhere Helium-3-Konzentration.

Häufigkeit in unserem Sonnensystem

Eine frühe Schätzung des urzeitlichen Verhältnisses von Helium-3 zu Helium-4 im solaren Nebel, aus dem sich die Sonne und die Planeten gebildet haben, wurde durch die Messung des Verhältnisses in der Atmosphäre im Jupiter durch das Massenspektrometer der Galileo Raumsonde ermöglicht. Das Verhältnis beträgt ca. 1:10,000,[10] oder 100 Teile Helium-3 pro Million Teile Helium-4. Das ist ungefähr dasselbe Verhältnis wie das im Regolith des Mondes. Indessen ist das Verhältnis in der Erdkruste um den Faktor 100 niedriger, was hauptsächlich auf das Ausgasen des ursprünglichen Heliums und den Eintrag von neuem Helium-4, hervorgerufen durch den Alphazerfall von Uran, Thorium und deren Tochternuklide, zurückzuführen ist.

Künstliche Erzeugung, kommerzielle Gewinnung

Ein Teil des Helium-3 und Tritiums in der Erdatmosphäre ist künstlichen Ursprungs. Insbesondere entsteht Tritium als Nebenprodukt bei der Kernspaltung: Manchmal wird bei der Kernspaltung neben den beiden mittelschweren Spaltprodukten ein dritter, leichter Kern emittiert; in 7% dieser ternären Zerfälle bzw. in 0,1% der Zerfälle insgesamt ist Tritium eines der Spaltprodukte.[11][12] Zudem aktivieren Spaltneutronen einen Teil des im Kühlwasser immer mit enthaltenen Deuteriums zu Tritium. Wird gar schweres Wasser (Deuteriumoxid) als Kühlmittel verwendet, was den Betrieb des Reaktors mit nicht angereichertem Natururan ermöglicht (z. B. CANDU-Reaktor), entsteht zusätzlich zu Tritium als Spaltprodukt auch etwa 1 kg Tritium im Kühlwasser pro 5 Gigawattjahren an produzierter thermischer Leistung.[13] Zum Teil wird dieses Tritium in einer kommerziellen Anlage aus dem Kühlwasser entfernt, um es kommerziell zu vermarkten (etwa 2,5 kg pro Jahr), zum Beispiel für die Verwendung in Leuchtfarbe.[14]

Tritium zerfällt mit 12,3 Jahren Halbwertszeit zu Helium-3. Wenn verbrauchte Brennelemente nach einer Abklingzeit von ein bis zwei Jahrzehnten in einer Wiederaufbereitungsanlage zerlegt werden, ist ein Großteil des Tritium bereits zu Helium-3 zerfallen. Dieses wird als ungefährliches Gas an die Umwelt abgegeben. Aber auch das Tritium kann in einer WAA nicht vollständig zurückgehalten werden.[15] Zusätzlich kommt es zur Tritium-Freisetzung bei Unfällen mit Kernreaktoren und Kernwaffentests. Das so in die Biosphäre gelangte Tritium zerfällt dort ebenfalls weiter zu Helium-3.

Zudem werden für Kernwaffen beträchtliche Mengen reinen Tritiums bewusst in nationalen Kernreaktoren durch die Bestrahlung von Lithium-6 erzeugt. Das Tritium wird zusammen mit Deuterium als Fusionsbooster verwendet, um das Zündverhalten von Nuklearwaffen zu verbessern und deren Energiefreisetzung zu steigern. Da das Tritium zu Helium-3 zerfällt, muss es regelmäßig ersetzt werden. Zugleich wird das gebildete Helium-3 entnommen. Aber auch im zentralen Tritium-Vorrat des Department of Energy (bildet sich entsprechend Helium-3.[16] Das so gewonnene Helium-3 wird kommerziell verkauft, vor allem an Linde Gas, die eine Anlage betreiben, um auch die letzten Reste von Tritium aus dem Helium-Gas herauszufiltern.[17]

Bedingt durch die rückläufige Zahl an aktiven Nuklearwaffen, durch die Reduktion und teilweise komplette Aussetzung der Tritium-Produktion durch das Department of Energy, und zugleich durch die steigende Zahl an Anwendungen gibt es inzwischen eine Knappheit an Helium-3. Der aktuelle Jahresverbrauch von Helium-3 liegt bei ungefähr 60.000 Litern Gas (ca. 8 kg).[17] Der Preis ist von 100 US-Dollar auf 2150 US-Dollar pro Liter Helium-3-Gas gestiegen.[18] Mögliche Optionen für die Zukunft sind neben dem Aufbau einer Tritium-Produktion für zivile Zwecke oder der verstärkten Tritium-Extraktion aus dem Kühlwasser bestehender Reaktoren auch die Helium-3-Abdestillation aus bereits ohnehin für Kühlzwecke verflüssigtem frischem Helium. Letzteres muss zwar immer noch mit erheblichem Aufwand von der bereits erreichten Temperatur ca. 4 K weiter auf ca. 1 K gekühlt werden, doch kann im Gegenstromverfahren nach dem Abdestillieren das ablaufende Helium-4 das nachlaufende frische Helium vorkühlen. Sehr teuer wäre, gezielt nur Helium-3 aus Erdgas zu extrahieren, wenn das Helium-4 nicht genutzt wird.

Physikalische Eigenschaften

Aufgrund des im Verhältnis großen Massenunterschieds von fast 25 % zeigen Helium-3 und Helium-4 stärkere physikalische Unterschiede als die meisten anderen Isotope. So liegt der Siedepunkt von Helium-4 bei 4,23 K, der von Helium-3 bei nur noch 3,19 K, entsprechend einem Temperaturverhältnis von 4:3, das fast genau dem Kernmassenverhältnis von 4:3 entspricht. Da die Temperatur linear zur Gesamtenergie des jeweiligen Atoms ist, sind am jeweiligen Siedepunkt von Helium-3 und Helium-4 die Energien pro Nukleon fast gleich. Zum Vergleich: Wasserstoff siedet bei 21,15 K, das doppelt so schwere Deuterium hat dennoch nur einen gut 11 % höheren Siedepunkt von 23,57 K. Die kritische Temperatur, jenseits derer nicht mehr zwischen Flüssigkeit und Gas unterschieden werden kann, liegt für Helium-3 bei 3,35 K, für Helium-4 bei 5,3 K.

Der erhebliche Unterschied in der Siedetemperatur kann verwendet werden, um Helium-3 aus einem Helium-3/Helium-4-Gemisch abzudestillieren: Bei 1,25 K beträgt der Dampfdruck von Helium-3 beispielsweise noch 3170 Pa, der von Helium-4 nur noch 115 Pa.[19] Bei Temperaturen unter 0,86 K fangen Helium-3 und Helium-4 sogar an, sich spontan zu entmischen. Um auf diesem Weg Helium-3-Konzentrationen kleiner 10  bzw. größer 90 % zu erreichen, werden aber sehr tiefe Temperaturen unter 0,3 K benötig.

Weiterhin gehört Helium-4 mit seiner hohen Symmetrie (zwei Protonen, zwei Neutronen, zwei Elektronen) und Gesamtspin 0 zu den Bosonen. Helium-3 hingegen besitzt Spin ½  und ist damit ein Fermion. So wird Helium-4 schon bei 2,17 K supraflüssig, Helium-3 erst bei 2,491 mK. Die gängigen Theorien der Suprafluidität von Helium-3 besagen, dass sich dort je zwei Helium-3-Atome zu einem Cooper-Paar zusammenfinden und dadurch ein Boson bilden. Einen ähnlichen Effekt gibt es auch bei elektrischen Supraleitern, wo sich gemäß der BCS-Theorie je zwei fermionische Elektronen zu einem Cooper-Paar zusammenfinden. Bei Helium-4 ist dieser Zwischenschritt nicht nötig, es wird direkt supraflüssig.

Weiterhin hat Helium-3 aufgrund seiner fermionischen Eigenschaften eine wesentlich höhere Nullpunktsenergie als Helium-4: Aufgrund des Pauli-Prinzips müssen sich alle Helium-3-Atome in unterschiedlichen Zuständen befinden, während sich - bei ausreichend tiefen Temperaturen - beliebig viele Helium-4-Atome gleichzeitig im Grundzustand befinden können. Auch die Nullpunktsenergie des Grundzustands liegt aufgrund der geringeren Masse höher. In der Folge schwingen Helium-3-Atome stärker, so dass sie im flüssigen Zustand weniger dicht gepackt sind als bei Helium-4: Flüssiges Helium-3 hat am Siedepunkt (3,19 K, 1 bar Druck) eine Dichte von 59 g/L, flüssiges Helium-4 trotz der höheren Temperatur (4,23 K) mehr als das doppelte mit 125 g/L. Die zur Verdampfung nötige Enthalpie beträgt mit 0,026 kJ/mol weniger als ein Drittel der von Helium-4 mit 0,0829 kJ/mol.[20]

Aufgrund der sehr tiefen Temperaturen, bei denen Suprafluidität bei Helium-3 auftritt, wurde diese erst vergleichsweise spät entdeckt. In den 1970er Jahren beobachteten David Morris Lee, Douglas Dean Osheroff und Robert Coleman Richardson sogar zwei Phasenübergange entlang der Schmelzkurve, welche bald als zwei supraflüssige Phasen des Helium-3 gedeutet wurden.[21][22] Der Übergang zu einem Superfluid tritt bei 2,491 mK auf der Schmelzkurve auf. Für diese Entdeckung wurden sie 1996 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

2003 gewann Anthony James Leggett ebenfalls den Physik-Nobelpreis für das bessere Verständnis der superfluiden Phasen von Helium-3.[23] In einem Magnetfeld-freien Raum gibt es zwei unabhängige superfluide Phasen von Helium-3, nämlich die A-Phase und die B-Phase. Die B-Phase ist die Niedertemperatur- und Niederdruck-Phase, welche eine isotrope Energielücke hat. Die A-Phase ist die Hochdruck- und Hochtemperatur-Phase, welche sich überdies von einem magnetischen Feld stabilisieren lässt und zwei Knotenpunkte in ihrer Energielücke hat.

Die Anwesenheit von zwei Phasen ist ein klares Anzeichen dafür, dass 3He eine ungewöhnliche Supraflüssigkeit (bzw. Supraleiter) ist, da für die beiden Phasen eine weitere Symmetrie, außer der Eichsymmetrie, benötigt wird, die spontan gebrochen wird. In der Tat ist es eine p-Wellen-Supraflüssigkeit, mit Spin eins () und Drehimpuls eins (). Der Grundzustand entspricht dann einem vektoriell addierten Gesamtdrehimpuls . Angeregte Zustände haben einen Gesamtdrehimpuls , was angeregten kollektiven Paarmoden entspricht. Wegen der extremen Reinheit der Supraflüssigkeit 3He konnten diese kollektiven Moden dort mit höherer Genauigkeit untersucht werden als in jedem anderen ungewöhnlichen Paarbildungssystem. Die große Reinheit wird erreicht, da alle Materialien außer 4He bei den tiefen Temperaturen längst gefroren und zum Boden gesunken sind, und jegliches 4He sich entmischt und in einer getrennten Phase vorliegt. Letztere enthält zwar noch 6,5 % an 3He, die sich auch am absoluten Nullpunkt nicht entmischen würden, die aber hier nicht stören, da das in 4He gelöste Rest-3He nicht supraflüssig wird.

Aufgrund des Spins ½  trägt das 3He-Atom ein magnetisches Moment. Im Magnetfeld stellen sich mehr dieser Momente parallel zum Magnetfeld als antiparallel dazu, dieser Effekt wird Spinpolarisation genannt. 3He-Gas wird unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfelds also selber leicht magnetisch. Bei Raumtemperatur ist aber der zahlenmäßige Unterschied zwischen den parallel und antiparallel ausgerichteten Magneten klein, da die durchschnittliche Energie pro Atom bei dieser Temperatur viel höher liegt als die Energieaufspaltung im Magnetfeld, dem hohen gyromagnetischen Verhältnis des Heliums zum Trotz. Mit der Technik der Hyperpolarisation gelingt es aber, Polarisationsgrade von bis zu 70 % zu erreichen. Aufgrund der geringen Wechselwirkung der Kernspins mit der Umgebung lässt sich einmal erzeugtes hyperpolarisiertes Helium-3 für bis zu 100 Stunden in Drucktanks aufbewahren.

Verwendung

Kryotechnik

Die Kryotechnik ist das wichtigste Anwendungsgebiet von Helium-3. Eine Helium-3-Absorptionskältemaschine verwendet reines Helium-3, um Temperaturen bis in den Bereich von 0,2 bis 0,3 Kelvin zu erreichen. Die 3He-4He-Mischungskühlung nutzt den Umstand, dass sich Helium-3 und Helium-4 spontan entmischen. In der schwereren Helium-4-reichen Phase löst sich jedoch noch etwas Helium-3. Indem man Helium-3 aus der gemischten Phase abdestilliert, erniedrigt sich der Helium-3-Anteil in der Helium-4-Phase, und Helium-3 strömt aus der reinen Helium-3-Phase in die Helium-4-reiche Phase nach. Beim Lösen des Helium-3 in der Helium-4-Phase wird Wärmeenergie verbraucht, und die Temperaturen sinken. Erreichbar ist der Bereich bis hin zu tausendstel Kelvin.[24]

Neben der Nutzung als Kältemittel ist Helium-3 selber intensiver Gegenstand der physikalischen Tieftemperaturforschung, wie weiter oben beschrieben.

Neutronendetektion

Helium-3 ist das wichtigste Isotop für Messausrüstungen der Neutronendetektion. Es hat eine sehr hohe Absorptionsrate für thermische Neutronenstrahlung und wird daher als Konvertergas in Neutronendetektoren verwendet. Das Neutron wird durch die nukleare Reaktion

n + 3He → 3H + 1H + 0,764 MeV

in die geladenen Rückstoßkerne Tritium (T, 3H) und Protium (p, 1H) gewandelt, welche zum Beispiel in einem Zählrohr registriert werden können.[25]

Da die Absorption von Neutronen durch Helium-3 stark Spin-abhängig ist, kann das zuvor erwähnte hyperpolarisierte Helium-3 verwendet werden, um polarisierte Neutronenstrahlung zu erzeugen. Die Neutronen mit dem für die Absorption passenden Spin werden dabei vom Helium-3 abgefangen, die mit dem unpassenden Spin hingegen nicht.[26][27][28][29] Ein anderer Weg zur Polarisierung eines Neutronenstrahls ist der Neutronensuperspiegel. Polarisierte Neutronen dienen in insbesondere der Untersuchung von magnetischen Materialeigenschaften.

Das US-amerikanische Department of Homeland Security hoffte Detektoren installieren zu können, die in Schiffscontainern geschmuggeltes Plutonium durch seine Neutronenemission aufspüren, aber die weltweite Verknappung des Helium-3 hat dies verhindert.[30]

Medizin

Hyporpolarisiertes Helium-3 eignet sich aufgrund der starken Übergewichtung der parallel ausgerichteten Spins sehr gut für MRT-Untersuchungen. Damit lässt sich beispielsweise das Ein- und Ausströmen von Gas in die Lunge beobachten. Normalerweise ist das - im Vergleich zum Körpergewebe tausendfach dünnere - Gas in MRT-Aufnahmen nicht zu sehen. Durch die Hyperpolarisation wird das Signal entsprechend verstärkt. Dadurch können die Luftwege im MRT dargestellt werden, nicht ventilierte Teile der Lunge gefunden werden oder der Sauerstoff-Partialdruck gemessen werden. Diese Methode kann für Diagnose und Behandlungssteuerung für chronische Krankheiten wie die chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD) genutzt werden.[31]

Fusionsreaktoren

Es wurde vorgeschlagen, Helium-3 als Treibstoff für die Kernfusion in einer hypothetischen zweiten oder dritten Generation von Fusionsreaktoren zu verwenden. Es gibt allerdings bis heute noch nicht einmal einen Fusionsreaktor der ersten Generation mit positiver Energiegewinnung, der also mehr Fusionsenergie erzeugt, als er an Energie zum Heizen des Plasmas verbraucht. Sollten Fusionsreaktoren der ersten Generation aber künftig die Einsatzreife erlangen, wird deren hohe Produktionsrate an hochenergetischen Neutronenen ein gravierendes Problem darstellen. Neutronen erzeugen nicht nur mit He-3 radioaktives Tritium, sondern mit einer Vielzahl an anderen Elementen ebenfalls radioaktive Aktivierungsprodukte. Der Großteil der Fusionsneutronen soll zwar zur Herstellung des zur Fusion benötigten Tritiums aus Lithium verwendet werden, aber ein erheblicher Teil der Neutronen wird auch auf andere Stoffe stoßen, und so Radioaktivität produzieren, die nicht gleich wieder im Reaktor umgewandelt werden kann. Auch lässt sich die Energie, die bei der Fusion an die Neutronen übertragen wird, nur auf thermischen Weg nutzen, was bei den möglichen Temperaturen einen vergleichsweise geringen Wirkungsgrad bei der Umwandlung in Strom zur Folge hat.

Möglicherweise ist aufgrund der Neutronenproblematik das Sicherheits- und Endlagerproblem bei einem künftigen Fusionsreaktor ähnlich gravierend wie bei herkömmlichen Kernreaktoren. Deswegen wurde die Helium-3-Deuterium-Fusion als Alternative vorgeschlagen, da lediglich ungefährliches Helium und Wasserstoff als Fusionsprodukte entstehen. Auch der Brennstoff Helium-3 wäre - anders als Tritium - nicht radioaktiv. Das Fusionsprodukt mit der meisten Energie, das Proton, kann evtl. durch elektrische und magnetische Felder eingefangen, und dessen Energie direkt in Strom gewandelt werden.[32]

Aufgrund der höheren Coulombbarriere sind freilich die Temperaturen, welche für eine 21H + 32He-Fusion benötigt werden, nochmals um einiges höher als bei einer konventionellen 21H + 31H („Deuterium + Tritium“)-Fusion. Wenn zudem 21H und 32He im Reaktor vermischt werden, sind auch Reaktionen zwischen Nukliden desselben Reaktanten zu erwarten. Die D-D Reaktion (21H + 21H) produziert aber ebenfalls jeweils ein Neutron. Die Reaktionsraten variieren mit der Temperatur, bei „niedrigen“ Temperaturen unter 300 Millionen Kelvin findet die D-D-Fusion sogar häufiger statt als die D-He-3-Fusion. Erst bei noch höheren Temperaturen überwiegt letztere Reaktion, aber der Unterschied zwischen beiden Reaktionsraten ist nie höher als 3,6. Deswegen wäre auch der D-3He-Treibstoff alles andere als neutronenfrei.

Die Reaktorvariante, bei der nur 32He mit sich selbst fusioniert, benötigt noch höhere Temperaturen, da jetzt beide Reaktanten eine +2-Ladung haben. Dieser Reaktor wäre tatsächlich unmittelbar nach dem Start neutronenfrei. Wird das Plasma aber nicht regelmäßig dem Reaktor entnommen und Wasserstoff und dessen Isotope ausgefiltert, sammeln sich dort doch wieder Stoffe an, deren Reaktion zu Neutronen führen: So kann es bei den hohen Temperaturen zum inversen Betazerfall kommen, wenn ein Elektron auf ein Helium-3-Atom trifft. Das Produkt ist dann Tritium. Vor allem aber ist das Fusionprodukt von zweimal Helium-3 einmal Helium-4 (unproblematisch) und Deuterium, das bei der D-D-Reaktion wieder Neutronen freisetzt.

Mit Beschleunigern wurde die 32He + 32He-Fusion bereits demonstriert. Die kommerzielle Realisierbarkeit liegt aber mindestens noch viele Jahrzehnte in der Zukunft.[33]

Allerdings spricht so ziemlich alles gegen diese Art der Energieerzeugung:

  • Deuterium-Tritium-Kernfusion ist eine Technologie, für die noch nicht feststeht, ob sie jemals ökonomisch Energie erzeugen kann. Helium-3-Kernfusion ist um etliches anspruchsvoller.
  • Die Mengen, welche benötigt werden würden, um fossile Treibstoffe zu ersetzen, liegen mehr als 4 Größenordnungen über der derzeitigen Weltproduktion. Die bei der 21H + 32He-Reaktion freigesetzte Gesamtenergie beträgt 18,4 MeV. Das entspricht 493 Megawattstunden pro Mol (3 Gramm) 3He. Könnte man diese Energie zu 100 Prozent in elektrischen Strom umwandeln, benötigt man für den derzeitigen Weltenergiebedarf an elektrischem Strom allein 145 Tonnen 3He pro Jahr. Dem steht eine Produktion von 8 Kilogramm pro Jahr gegenüber, die jetzt schon (2010) unter dem Bedarf liegt und zu einer Preisexplosion (300facher Goldpreis) geführt hat.
  • Derzeitig wird Helium-3 im wesentlich als Nebenprodukt von Kernkraftwerken gewonnen.
  • Die Produktion von Helium-3 benötigt z.Z. wesentlich mehr Energie als man durch Fusion daraus gewinnen könnte.

Literatur

  • D. M. Smith, T. W. Goodwin, J. A. Schiller: Challenges to the worldwide supply of helium in the next decade. Air Products and Chemicals (airproducts.com [PDF; abgerufen am 1. Juli 2008]).
  • L. J. Wittenberg: Non-Lunar 3He Resources. Juli 1994 (wisc.edu [PDF; abgerufen am 1. Juli 2008]).
  • H. H. Schmitt: Return to the Moon: Exploration, Enterprise, and Energy in the Human Settlement of Space. Springer, 2005, ISBN 0-387-24285-6 (google.com).

Weblinks

Einzelnachweise

  1. ↑ a b c d Datenblatt Helium-3He, 99.9999 atom %, 99.995% (CP) bei Sigma-Aldrich (PDF).Vorlage:Sigma-Aldrich/Abruf nicht angegeben
  2. ↑ G. Audi, A.H. Wapstra, C. Thibault: The AME 2003 atomic mass evaluation. (II). Tables, graphs and references. In: Nuclear Physics A. Band 729, 2003, ISSN 0375-9474, S. 337–676 (PDF; 5 MB).
  3. ↑ Yonghua Huang, G.B. Chen, V. Arp, Ray Radebaugh: Equation of state and thermophysical properties of helium-3. In: Proceedings of the ICEC. Band CR06-379, 2007, S 1–6 (PDF; 5 MB).
  4. ↑ 'nuclide data from atom.kaeri.re.kr'
  5. ↑ E. N. Slyuta: The Estimation of Helium-3 Probable Reserves in Lunar Regolith. 38th Lunar and Planetary Science Conference. S. 2175 (usra.edu [PDF]).
  6. ↑ F. H. Cocks: 3He in permanently shadowed lunar polar surfaces. In: Icarus. 206. Jahrgang, Nr. 2, 2010, S. 778–779, doi:10.1016/j.icarus.2009.12.032, bibcode:2010Icar..206..778C.
  7. ↑ Fa WenZhe & Jin YaQiu:Global inventory of Helium-3 in lunar regoliths estimated by a multi-channel microwave radiometer on the Chang-E 1 lunar satellite, Dezember 2010
  8. ↑ Lawrence and His Laboratory: Episode: A Productive Error. Newsmagazine Publication, 1981, abgerufen am 1. September 2009.
  9. ↑ M. L. E. Oliphant, Harteck, P.; Rutherford, E.: Transmutation Effects Observed with Heavy Hydrogen. In: Proceedings of the Royal Society A. 144. Jahrgang, Nr. 853, 1934, S. 692–703, doi:10.1098/rspa.1934.0077, bibcode:1934RSPSA.144..692O, JSTOR:2935553.
  10. ↑ Hasso B. Niemann, Sushil K. Atreya, George R. Carignan, Thomas M. Donahue, John A. Haberman, Dan N. Harpold, Richard E. Hartle, Donald M. Hunten, Wayne T. Kasprzak: The Galileo Probe Mass Spectrometer: Composition of Jupiter's Atmosphere. In: Science. 272. Jahrgang, Nr. 5263, 1996, S. 846–9, doi:10.1126/science.272.5263.846, PMID 8629016, bibcode:1996Sci...272..846N.
  11. ↑ Emission von ternären Teilchen aus Spaltungsreaktionen (PDF; 1,6 MB) Dissertation, S. 9.
  12. ↑ O. Serot, C. Wagemans, J. Heyse: New Results on Helium and Tritium Gas Production From Ternary Fission. In: International conference on nuclear data for science and technology. AIP Conference Proceedings. 2005, 769, S. 857–860, doi:10.1063/1.1945141.
  13. ↑ A. Fiege: Tritium. Bericht KfK-5055, Kernforschungszentrum Karlsruhe, 1992. ISSN 0303-4003.
  14. ↑ Whitlock, Jeremy: Section D: Safety and Liability – How does Ontario Power Generation manage tritium production in its CANDU moderators? Canadian Nuclear FAQ, abgerufen am 19. September 2010.
  15. ↑ Tritium and the environment, abgerufen am 10. Oktober 2014
  16. ↑ Full text of IEER 1996 report. ieer.org
  17. ↑ a b The Helium 3 Shortage: Supply, Demand, and Options for Congress. (PDF) . Abgerufen am 10. Oktober 2044.
  18. ↑ Physics Projects Deflate for Lack of Helium-3. Spectrum.ieee.org. Abgerufen am 8. November 2011
  19. ↑ 'Kohlrausch Praktische Physik, Tabellen und Diagramme zu Kapital 3, Seiten 342 und 343
  20. ↑ Teragon’s Summary of Cryogen Properties Teragon Research, 2005.
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