Ге́лий-3 — стабильный изотоп гелия. Ядро гелия-3 (гелион) состоит из двух протонов и одного нейтрона, в отличие от более тяжёлого другого стабильного изотопа — гелия-4, имеющего в составе два протона и два нейтрона.
Распространённость Природная изотопная распространённость гелия-3 в атмосфере Земли составляет (1,37 частей на миллион по отношению к гелию-4); в других резервуарах она может очень сильно отличаться в результате природного фракционирования .
Общее количество гелия-3 в атмосфере Земли оценивается в . Оба изотопа гелия постоянно улетучиваются из атмосферы в космос, однако убыль гелия-4 на Земле восполняется за счёт альфа-распада урана, тория и их дочерних нуклидов (альфа-частица представляет собой ядро гелия-4). Тогда как гелий-3 возникает в природе исключительно при распаде космогенного трития.
Бо́льшая часть гелия-3 на Земле сохранилась со времён её образования. Он растворён в мантии и постепенно поступает в атмосферу; его изотопная распространённость в мантийной магме составляет 4—10 частей на миллион частей гелия-4Don L. Anderson, Helium-3 from the Mantle: Primordial Signal or Cosmic Dust? // SCIENCE, Vol. 261, 1993, pp. 170—176: «Magmas from the mantle generally have 3He/4He ratios between 4 and 10−5; the higher values are often found at hotspots»., а некоторые материалы мантийного происхождения имеют в 10—40 раз большее соотношение, чем в атмосфереAre high 3 He/4 He ratios in oceanic basalts an indicator of deep-mantle plume components? // Earth and Planetary Science Letters 208.3 (2003): 197—204. «Oceanic Island Basalt (OIB). Some OIBs, but certainly not all, are characterized by 3He/4He ratios in the range of 9 to 42 RA; where RA is the present day atmospheric 3He/4He ratio of 1,39 [8, 18].»The 3He/4He ratio of the new internal He Standard of Japan (HESJ) // Geochemical Journal, Vol. 36, pp. 191—195, 2002 «Thus many terrestrial samples of mantle origin have 3He/4He ratios higher than the air value by about an order of magnitude».. Однако его поступление из мантии в атмосферу (через вулканы и разломы в коре) оценивается всего в несколько килограммов в год. Некоторая часть гелия-3 возникает при распаде трития, в ядерных реакциях скалывания на литии (под действием альфа-частиц и космических лучей), а также поступает с солнечным ветром.
На Солнце и в атмосферах планет-гигантов первичного гелия-3 значительно больше, чем в атмосфере Земли.
В лунном реголите гелий-3 постепенно накапливался в течение миллиардов лет облучения солнечным ветром. В результате тонна лунного грунта (в тончайшем приповерхностном слое) содержит порядка 0,01 г гелия-3 (до 50 ppbhttp://io9.com/5908499/could-helium-3-really-solve-earths-energy-problems «Best estimates of Helium-3 content place it at 50 parts per billion in lunar soil, calling for the refining of millions of tons of lunar soil before gathering enough Helium-3 to be useful in fusion reactions on Earth.») и 28 г гелия-4; это изотопное соотношение (~0,043 %) значительно выше, чем в земной атмосфереДобрый доктор гелий-3 / Популярная Механика, № 113, март 2012 (копия )..
Открытие Существование гелия-3 было предположено австралийским учёным Марком Олифантом во время работы в Кембриджском университете в 1934 году. Открыли этот изотоп Луис Альварес и Роберт Корног в 1939 году.
Физические свойства Атомная масса гелия-3 равна 3,016, в то время как у гелия-4 она равна 4,0026, ввиду чего их физические свойства заметно отличаются:
Гелий-3 кипит при (гелий-4 — при ), его критическая точка равна (у гелия-4 — ). Плотность жидкого гелия-3 при температуре кипения и нормальном давлении равна , тогда как (у гелия-4 — ). Удельная теплота испарения равна (у гелия-4 — ). Газообразный гелий-3 при нормальных условиях имеет плотность (у гелия-4 — Соответственно, объём одного грамма гелия-3 при нормальных условиях равен (у гелия-4 —
Жидкий гелий-3
Квантовая жидкость, существенно отличающаяся по свойствам от жидкого гелия-4. Жидкий гелий-3 удалось получить только в 1948 году. В 1972 году в жидком гелии-3 был обнаружен фазовый переход в сверхтекучее состояние при температурах ниже 2,6 мК и при давлении 34 атм (ранее считалось, что сверхтекучесть, как и сверхпроводимость — явления, характерные для бозе-конденсата, то есть кооперативные явления в среде с целочисленным спином объектов). За открытие сверхтекучести гелия-3 в 1996 году Д. Ошерову, Р. Ричардсону и Д. Ли была присуждена Нобелевская премия по физике.
В 2003 году Нобелевской премией по физике отмечены А. А. Абрикосов, В. Л. Гинзбург и Э. Леггет, в том числе и за создание теории сверхтекучести жидкого гелия-3Сверхтекучий 3He: ранняя история глазами теоретика — нобелевская лекция Э. Дж. Леггетта, УФН, т. 174, № 11, 2003 г..
Получение В настоящее время гелий-3 не добывается из природных источников (на Земле доступны незначительные количества гелия-3, чрезвычайно трудные для добычи), а создаётся при распаде искусственно полученного тритияShea D. A., Morgan D. The Helium-3 Shortage: Supply, Demand, and Options for Congress // Congressional Research Service, December 22, 2010: "How Is Helium-3 Made? … federal government produces tritium for use in nuclear warheads. Tritium decays into helium-3 … The U.S. producer of helium-3 is the National Nuclear Security Administration of the Department of Energy (DOE). ".
Тритий производится отдельными государствами как компонент для термоядерного оружия путём облучения бора-10 и лития-6 в ядерных реакторах. Несколько сотен тысяч литров гелия-3 были наработаны в рамках оружейных ядерных программ, однако эти запасы уже недостаточны для существующего в США спроса. Дополнительно около 8 тыс. литров гелия-3 в год получают из распада запасов трития в СШАShea D. A., Morgan D. The Helium-3 Shortage: Supply, Demand, and Options for Congress // Congressional Research Service, December 22, 2010: «helium-3 stockpile grew from roughly 140,000 liters in 1990 to roughly 235,000 liters in 2001.17 Since 2001, however, helium-3 demand has exceeded production. By 2010, the increased demand had reduced the stockpile to roughly 50,000 liters. … decay of tritium held by the U.S. nuclear weapons program currently generates approximately 8,000 liters of new helium-3 per year.». В связи с растущей потребности в гелии-3 рассматривались такие ранее экономически невыгодные способы его производства, как получение в водо-водяных ядерных реакторах, выделение из тяжёлой воды тяжеловодных ядерных реакторов, производство трития или гелия-3 на ускорителях частиц, получение естественного гелия-3 из природного газа или атмосферыShea D. A., Morgan D. The Helium-3 Shortage: Supply, Demand, and Options for Congress // Congressional Research Service, December 22, 2010: «Potential additional sources of helium-3 include increased production of tritium in light-water nuclear reactors …; extraction of tritium produced as a byproduct in commercial heavy-water nuclear reactors; production of either tritium or helium-3 using particle accelerators; and extraction of naturally occurring helium-3 from natural gas or the atmosphere.».
Стоимость Средняя цена гелия-3 в 2009 году составляла, по некоторым оценкам, порядка 930 USD за литрSurvey of Critical Use of 3He for Cryogenic Purposes // Northwestern University, 2009..
Планы добычи гелия-3 на Луне Гелий-3 является побочным продуктом реакций, протекающих на Солнце, и в некотором количестве содержится в солнечном ветре и межпланетной среде. Попадающий в атмосферу Земли из межпланетного пространства гелий-3 быстро диссипирует обратноSpecific Arguments — Helium // infidels.org — SECULAR WEB LIBRARY, его концентрация в атмосфере чрезвычайно низка // fas.org — «atmosphere contains a small quantity of helium, a fraction of which is helium-3. …The concentration of helium in the atmosphere is only about 5 parts per million». При этом Луна, у которой нет атмосферы, сохраняет значительные количества гелия-3 в своём поверхностном слое (реголите), по отдельным оценкам — до 0,5 млн тоннКолонизация Солнечной системы отменяется // 3DNews, 4 марта 2007, по другим — около 2,5 млн тоннTHE ESTIMATION OF HELIUM-3 PROBABLE RESERVES IN LUNAR REGOLITH / Lunar and Planetary Science XXXVIII (2007), lpi.usra.edu.
Теоретически, при гипотетической реакции термоядерного синтеза, при которой в реакцию вступает 1 тонна гелия-3 с 0,67 тоннами дейтерия, высвобождается энергия, эквивалентная сгоранию 15 млн тонн нефти (однако на настоящий момент не изучена техническая возможность осуществления данной реакции). Следовательно, населению нашей планеты лунного ресурса гелия-3 (по максимальным оценкам) могло бы хватить примерно на пять тысячелетийДобыча гелия-3 на Луне обеспечит землян энергией на 5 тыс. лет // РИА Новости, 25.07.2012. Основной проблемой (если проигнорировать проблему реализуемости управляемых термоядерных реакторов с подобным горючим) остаётся реальность добычи гелия из лунного реголита. Как упомянуто выше, содержание гелия-3 в реголите составляет около на поэтому для добычи тонны этого изотопа следует переработать на месте не менее 100 млн тонн грунта.
НАСА разрабатывала эскизные проекты гипотетических установок по переработке реголита и выделению гелия-3Sviatoslavsky I.N. PROCESSES AND ENERGY COSTS FOR MINING LUNAR HELIUM-3 // NASA, 1989Lunar Helium-3 and Fusion Power , NASA, 1988.
В январе 2006 года глава РКК «Энергия» Николай Севастьянов заявил, что Россия планирует создать постоянную базу на Луне и отработать транспортную схему по доставке на Землю гелия-3 уже к 2015 году (при условии достаточного финансирования), а ещё через 5 лет начать промышленную добычу изотопаАлина Черноиванова. «Луна в реакторе» // Газета.ру, 26 янв 2006. В ноябре 2018 года глава «Роскосмоса» Дмитрий Рогозин вновь поднял тему о возможном использовании гелия-3 как основы для ракетного топлива«Роскосмос» изучит возможность использования лунного грунта в 3D-печати // «РИА Новости». 2018-11-04 — «Плюс к этому будет возможность, как говорят в Академии наук, использования гелия-3 как основы для ракетного топлива.»; при этом, одновременно с Д. Рогозиным, академик РАН Лев Зелёный заявил о практической бесполезности добычи гелия-3Валерий Чумаков. «Луна — наш седьмой континент» Интервью с академиком РАН Львом Зелёным, «В мире науки» № 11, 2018 «…если человечество когда-нибудь решит задачу удержания сверхгорячей плазмы, нам уже не понадобится никакой лунный гелий-3, обойдемся бором. Так что пока с колумбовыми обещаниями у нас сложности, сильно обогатиться за счет Луны в материальном плане вряд ли получится»..
В августе 2024 года китайские учёные опубликовали в Aerospace Shanghai статью, в которой предложили необычный способ транспортировки добытого гелия-3 на Землю. Они собираются построить на Луне метательную установку, состоящую из 50-метровой стрелы и сверхпроводящего электродвигателя, который будет раскручивать её до достижения на конце стрелы лунной второй космической скорости. Разогнанные таким способом капсулы с изотопом будут метаться в сторону Земли. По расчётам авторов, технология удешевит доставку на Авторы считают, что развернуть её можно за 20 лет и 130 миллиардов юаней. Вопросы добычи лунного гелия и создания управляемого синтеза статья не затрагивает.
В сентябре 2025 года финская криогенная компания Bluefors заключила контракт с американской космической компанией‑стартапом Interlune (Сиэтл) . С 2028 по 2037 год Bluefors будет ежегодно закупать у Interlune до десяти тысяч литров гелия‑3. Сумма сделки составила 300 миллионов долларов США, что по состоянию на 2025 год сделало её крупнейшим коммерческим контрактом в истории освоения космических ресурсов . Bluefors — одна из крупнейших мировых компаний‑потребителей гелия‑3, разработчик криогенных систем для охлаждение до сверхнизких температур, в том числе для квантовых компьютеров. Interlune в 2023 году разработала и запатентовала технологию добычи материалов из реголита с использованием мобильной горнодобывающей платформы.