Heelium-3

Heelium-3 on kahe prootoni ja ühe neutroniga stabiilne heeliumi isotoop.

Heelium-3 olemasolu avastasid Luis Álvarez ja Robert Cornog 1939. aastal.

Heelium-3 peetakse potentsiaalseks teise põlvkonna termotuumareaktori kütuseks. Probleem on selle isotoobi haruldus Maal. Heelium-3 tekib triitiumi beetalagunemisel ning seda protsessi tahetakse kasutada ka heelium-3 tootmiseks.

Heelium-3 on Päikeses toimuvate reaktsioonide kõrvalsaadus ja seda leidub mingil määral päikesetuules ja planeetidevahelises keskkonnas. Planeetidevahelisest ruumist Maa atmosfääri sisenev heelium-3 hajub kiiresti tagasi ja selle sisaldus atmosfääris on äärmiselt madal. Osa maapealses atmosfääris leiduvast heelium-3-st on ka atmosfääri- ja veealuste tuumarelvade katsetamise jäänused.

Et Kuul puudub atmosfäär, leidub sealses pinnakihis (regoliit) märkimisväärses koguses heelium-3. Kuu pinnases kogunes heelium-3 järk-järgult üle miljardite aastate päikesetuulega. Selle tulemusena sisaldab tonn Kuu pinnast (kõige õhemas pinnalähedases kihis) umbes 0,01 g heelium-3 (kuni 50 ppb) ja 28 g heelium-4. See isotoopide suhe (umbes 0,043 %) on oluliselt suurem kui Maa atmosfääris.

Füüsikalised omadused

Tänu oma väikesele aatommassile 3,016 u on heelium-3-l mõned füüsikalised omadused, mis erinevad heelium-4 (aatommassiga 4,0026 u). Heelium-3 mikroomaduste tõttu on sellel suurem nullpunkti energia kui heelium-4-l. See tähendab, et heelium-3 suudab ületada dipool-dipool-interaktsioonid väiksema soojusenergiaga kui heelium-4.

Kvantmehaanilised mõjud heelium-3-le ja heelium-4-le on oluliselt erinevad, sest kahe prootoni, kahe neutroni ja kahe elektroniga heelium-4 üldine spinn on null, muutes selle bosoniks, kuid ühe vähema neutroniga on heelium-3 üldine spinn üks pool, muutes selle fermioniks.

Kasutamine

Kvantarvutid vajavad töötamiseks äärmiselt madalaid temperatuure. Mida madalam on selle keskkonna temperatuur, kus kvantarvuti komponendid asuvad, seda püsivam on arvuti ja seda vähem vigu esineb arvutustes. Heelium-3 on kõige tõhusam jahutusvedelik, vähendades kvantarvutite müra 1,000 korda.

Heelium-3 on ka oletuslik termotuumasünteesi kütus, mille täpsemaid kasutusvõimalusi uuritakse.

Heelium-3 loodetakse kasutada tulevase energiaallikana. Erinevalt enamikust tuumasünteesireaktsioonidest on heelium-3 aatomite sulandumine aneutrooniline (aneutronite termotuumasüntees), vabastades suures koguses energiat, põhjustamata ümbritseva aine radioaktiivseks muutumist. Kuid heelium-3 termotuumareaktsioonide saavutamiseks vajalikud temperatuurid on palju kõrgemad kui traditsiooniliste termotuumareaktsioonide korral ja protsess võib vältimatult tekitada muid reaktsioone, mis ise põhjustaksid ümbritseva aine radioaktiivseks muutumist.