Helium-3 (3He) ist neben Helium-4 eines der beiden stabilen Isotope des Heliums. Sein Atomkern enthält zwei Protonen und ein Neutron und wird als „Helion“ bezeichnet. mini | rechts | Der Kern von Helium-3 besteht aus 2 Protonen und einem Neutron. In seiner Elektronenschale befinden sich 2 Elektronen Hauptanwendungsgebiet von Helium-3 ist die Tieftemperaturforschung: In Mischungskryostaten werden durch Nutzung von Helium‑3 und Helium‑4 Temperaturen von nur wenigen tausendstel Kelvin über dem absoluten Nullpunkt erreicht. Helium‑3 spielt auch in Neutronendetektoren eine Rolle (siehe Zählrohr).
Helium-3 ist auf der Erde sehr selten. Die Erdatmosphäre besteht überhaupt nur zu 5,2 ppm aus Helium. Von diesem Helium ist wiederum nur ein kleiner Anteil (0,000138 % bzw. 1,38 ppm) 3He. Das entspricht insgesamt einem Anteil an der gesamten Atmosphäre von 7,2 · 10−12 oder 3000 bis 4000 t. In natürlichen Heliumquellen kann das Verhältnis von 3He/4He etwas höher oder niedriger als in der Erdatmosphäre sein. Ursache hierfür ist, dass das bei der Erdentstehung eingetragene kosmische Helium ursprünglich 0,01 % (100 ppm) Helium‑3 enthielt, später aber ausgaste und durch beim radioaktiven Alphazerfall entstandenes Helium‑4 mehr oder weniger verdünnt wurde.
Die Hauptquelle für Helium-3 auf der Erde ist derzeit der Zerfall von Tritium. Tritium lässt sich in Kernreaktoren künstlich herstellen – in Schwerwasserreaktoren sammelt es sich in geringen Mengen im Moderator an. Helium-3 sammelt sich als Zerfallsprodukt in tritiumhaltigen, geboosteten 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 wurden 1934 von dem australischen Kernphysiker Mark Oliphant an der University of Cambridge im Cavendish Laboratory erstmals beobachtet, als er Deuterium mit beschleunigten Deuteronen bestrahlte. Dabei laufen Kernfusionsreaktionen ab, in denen Helium‑3 und Tritium entstehen.
Später vertiefte Luis Walter Alvarez 1939 durch Experimente am Zyklotron im Lawrence Berkeley National Laboratory das Verständnis beider Stoffe.
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 umgekehrt, wie ursprünglich vermutet. Alvarez konnte auch die Halbwertszeit von Tritium bestimmen. Protium und Helium-3 sind die einzigen stabilen Nuklide, die mehr Protonen als Neutronen enthalten.
Vorkommen Helium-3 ist ein ursprüngliches Nuklid, das 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, welches im Laufe der Zeit zu Helium-3 zerfällt. Die absoluten Mengen sind allerdings gering; die gesamte Menge an natürlichem Tritium in der Biosphäre wird auf 3,5 kg geschätzt.
Im Erdmantel hat Helium-3 einen höheren Anteil am Helium (typisches Verhältnis Helium‑3 zu Helium‑4 von 1:104) als in der Erdkruste und Atmosphäre (typisches Verhältnis 1:106). 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 oft eine höhere Helium-3-Konzentration.
Häufigkeit im Sonnensystem Eine gegenüber terrestrischen Quellen etwa tausendfach höhere, damit aber immer noch sehr geringe Konzentration 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.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.
Auf den Gasplaneten findet sich Helium‑3 im ursprünglichen kosmischen, entsprechend höheren Verhältnis zu Helium‑4. Man nimmt an, dass dieses Verhältnis ähnlich dem im solaren Nebel ist, aus dem sich später Sonne und Planeten bildeten. Im Vergleich zur Erde ist der Helium-Anteil bei den Gasplaneten sehr hoch, da deren Atmosphäre – anders als die Atmosphäre der Erde – dieses Gas dauerhaft binden kann. Das Massenspektrometer der Galileo-Raumsonde ermöglichte die Messung des Verhältnisses von Helium‑3 zu Helium‑4 in der Jupiter-Atmosphäre. Das Verhältnis beträgt etwa 1:104, also 100 ppm.H. B. Niemann, S. K. Atreya, G. R. Carignan, T. M. Donahue, J. A. Haberman, D. N. Harpold, R. E. Hartle, D. M. Hunten, W. T. Kasprzak, P. R. Mahaffy, T. C. Owen, N. W. Spencer, S. H. Way: The Galileo probe mass spectrometer: composition of Jupiter's atmosphere. In: Science. Band 272, Nummer 5263, Mai 1996, S. 846–849, doi:10.1126/science.272.5263.846, PMID 8629016. Es liegt damit ungefähr im Bereich des Verhältnisses im Regolith des Mondes. Indessen ist das Verhältnis in der Erdkruste um den Faktor 102 niedriger (d. h. eben zwischen 2 und 20 ppm), was hauptsächlich auf Ausgasung des ursprünglichen Heliums bei gleichzeitigem Eintrag von neuem Helium-4 durch 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.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. 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.A. Fiege: Tritium. Bericht KfK-5055, Kernforschungszentrum Karlsruhe, 1992; PDF. Zum Teil wird dieses Tritium in einer kommerziellen Anlage aus dem Kühlwasser entfernt, um es zu vermarkten (etwa 2,5 kg pro Jahr), zum Beispiel für die Verwendung in Leuchtfarben.
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.Tritium and the environment, abgerufen am 10. Oktober 2014 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.
Für Kernwaffen werden beträchtliche Mengen reinen Tritiums 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 US-Energieministeriums bildet sich entsprechend Helium-3. Das so gewonnene Helium‑3 kommt in den Handel, vor allem über Linde Gas. Das Unternehmen betreibt eine Anlage, um auch die letzten Reste von Tritium aus dem Helium-Gas herauszufiltern.Dana A. Shea, Daniel Morgan: The Helium 3 Shortage: Supply, Demand, and Options for Congress. Congressional Research Service, vom 22. Dezember 2010, abgerufen am 11. März 2017 (PDF).
Bedingt durch die rückläufige Zahl an aktiven Nuklearwaffen, durch die Reduktion und teilweise komplette Aussetzung der Tritium-Produktion durch das US-Energieministerium 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). Der Preis ist von 100 US‑Dollar auf 2150 US‑Dollar pro Liter Helium‑3-Gas gestiegen (Stand: 2010).Physics Projects Deflate for Lack of Helium-3. Spectrum.ieee.org. (2010) Abgerufen am 8. November 2011 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 4 K weiter auf etwa 1 K gekühlt werden, doch kann im Gegenstromverfahren nach dem Abdestillieren das ablaufende Helium‑4 das nachlaufende frische Helium vorkühlen. Sehr teuer wäre es, gezielt nur Helium‑3 aus Erdgas zu extrahieren, wenn das Helium‑4 nicht genutzt wird. Über einen Helium-3-Abbau auf dem Mond ist nachgedacht worden.Energie vom Mond. In: MIT Technology Review, 31. August 2007, abgerufen am 15. Juli 2015.
Physikalische Eigenschaften mini|Phasendiagramm von 3He mit logarithmischer Temperaturskala. Siedepunkt und Kritischer Punkt Aufgrund des im Verhältnis großen Massenunterschieds von fast 25 % zeigen Helium‑3 und Helium‑4 deutlichere Unterschiede in ihren Eigenschaften als die Isotope schwerer Elemente. 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 3,17 kPa, der von Helium‑4 nur noch 0,115 kPa. 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 benötigt.
Bei Druck oberhalb von ca. 3 MPa bzw. 30 bar (temperaturabhängig) wird Helium‑3 fest und bildet ein kubisch raumzentriertes Gitter (bcc).
Nullpunktsenergie