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헬륨-3

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1. 개요

헬륨-3(³He)은 헬륨의 안정 동위원소로, 1934년 처음 제안되었고 1939년 분리에 성공했다. 지구 대기, 태양, 달 표면 등에 존재하며, 특히 달에는 상당한 양이 매장되어 있다. 헬륨-3은 핵융합 연료로 사용될 수 있으며, 중성자가 발생하지 않아 안전하고 깨끗한 에너지원으로 주목받고 있다. 또한, 중성자 검출, 극저온 연구, 의료 영상 등 다양한 분야에서 활용된다. 헬륨-3은 인공적으로 합성되기도 하며, 삼중수소의 방사성 붕괴를 통해 생산된다.

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헬륨-3
기본 정보
헬륨-3 원자
헬륨-3 원자
이름헬륨-3
로마자 표기Helium-3
기호He
질량수3
중성자 수1
양성자 수2
원자 질량3.0160293
스핀1/2+
안정성안정
과잉 에너지14931.21475
결합 에너지2572.681
지구 존재비0.000137%
태양계 존재비0.001%
이전 명칭트랄퓸 (tralphium) (쓰이지 않음)
생성 및 붕괴
모핵종삼중수소
모핵종 기호H
모핵종 질량수3
모핵종 붕괴베타 붕괴
활용
잠재적 용도핵융합 연료
달 탐사달의 레골리스에서 채취 가능
기타
참고 자료갈리, D. (2004). 헬륨-3의 우주적 이야기.
레이, W. (1966). 늦어진 발견.
매트슨, J. (2009). 달의 헬륨-3 채굴에 대한 공상 과학적 비전은 현실에 기반을 두고 있는가?.
클로즈, F. (2007). 팩토이드에 대한 두려움.
원저, F., & 야치우, J. (2010). 창어 1호 달 위성에 의한 다채널 마이크로파 방사계로 추정된 달 레골리스의 전역 헬륨-3 재고.
슬류타, E. N., 아브드라키모프, A. M., & 갈리모프, E. M. (2007). 달 레골리스의 헬륨-3 추정 매장량.
콕스, F. H. (2010). 영구적으로 그늘진 달 극지 표면의 헬륨-3.
달에 풍부한 '헬륨-3', 지구로 가져온다면…[Science]

2. 역사

헬륨-3의 존재는 1934년 오스트레일리아의 핵물리학자 마크 올리펀트가 케임브리지 대학교 캐번디시 연구소에서 연구하던 중 처음으로 제안되었다. 올리펀트는 고속 중양성자가 중양성자 표적과 충돌하는 실험(우연히도 최초의 핵융합 증명이었다)을 수행했다.[8] 1939년 루이스 알바레스와 로버트 코르노그가 헬륨-3 분리에 처음으로 성공했다.[9][10] 헬륨-3은 지구 대기와 천연가스에서 채취한 자연 상태의 헬륨(대부분 헬륨-4) 샘플에서도 발견될 때까지 방사성 동위원소로 여겨졌다.[11]

3. 존재

지구 대기 중 헬륨-4의 100만 분의 1 정도만 헬륨-3이 존재한다.[87] 태양 대기에는 0.0142%가 존재하며,[87] 표면에는 지구보다 훨씬 많은 양이 존재한다.[88][89][90] 1995년 갈릴레오 호목성 대기에 측정용 프로브를 투입하여 측정한 결과, 3He와 4He의 비율이 약 1:10,000이었다.[91]

헬륨은 일부 천연가스 공급원의 최대 7%를 차지하기도 하며,[20] 대규모 공급원은 0.2% 이상이면 추출이 가능하다.[21] 미국의 천연가스에서 분리된 헬륨에서 3He의 비율은 7억분의 70~242로 나타났다.[34][22]3He는 지구 형성 과정에서 지구 내부에 갇힌 것으로 여겨지는 지구 맨틀의 원시 물질이다. 지구 지각과 맨틀 내 3He와 4He의 비율은 운석과 달 샘플에서 얻은 태양 원반 구성에 대한 추정치보다 낮다. 지구 물질은 일반적으로 방사성 붕괴로부터 4He가 생성되기 때문에 3He/4He 비율이 낮다.3He는 지구 대기에도 존재한다. 자연적으로 발생하는 헬륨 가스에서 3He의 자연 존재비는 1.38 (백만분의 1.38)이다.

4. 물리적 성질

원자량이 다르기 때문에 상온의 기체 헬륨-4(4He)보다 밀도, 끓는점, 임계점 모두 4He보다 낮다. 끓는점에서 액체의 밀도와 증발열 모두 예측된 수치보다 낮다. 이는 헬륨 원자 사이에 작용하는 매우 약한 쌍극자 쌍극자 상호작용보다도 영점에너지의 기여량이 더 크기 때문이다.[93]

3He4He
끓는점(1 atm)3.19 K4.23 K
임계점3.35 K5.19 K
증발열0.026kJ/mol0.0829kJ/mol
끓는점에서의 액체의 밀도(1 atm)0.059 g cm−30.12473 g cm−3



원자 질량이 3.016 u로 매우 작기 때문에, 헬륨-3은 질량이 4.0026 u인 헬륨-4와는 다른 여러 물리적 성질을 갖는다. 헬륨 원자 사이의 약한 유도 쌍극자-쌍극자 상호작용 때문에, 이들의 미시적 물리적 성질은 주로 영점 에너지에 의해 결정된다. 또한, 헬륨-3의 미시적 성질 때문에 헬륨-4보다 더 높은 영점 에너지를 갖는다. 이는 헬륨-3이 헬륨-4보다 적은 열에너지로 쌍극자-쌍극자 상호작용을 극복할 수 있음을 의미한다.

양자역학적 효과는 헬륨-3과 헬륨-4에서 상당히 다르다. 헬륨-4는 두 개의 양성자, 두 개의 중성자, 그리고 두 개의 전자를 가지고 있어 전체 스핀이 0이 되어 보손이 되지만, 헬륨-3은 중성자가 하나 적어 전체 스핀이 1/2이 되어 페르미온이 된다.

순수 헬륨-3 기체는 3.19 K에서 끓는 반면, 헬륨-4는 4.23 K에서 끓는다. 그리고 헬륨-3의 임계점 또한 3.35 K로 헬륨-4의 5.2 K보다 낮다. 헬륨-3의 끓는점에서의 밀도는 헬륨-4의 절반에도 미치지 못한다. 1기압에서 헬륨-3의 밀도는 59 g/L인 반면, 헬륨-4는 125 g/L이다. 헬륨-3의 증발 잠열 또한 0.026 kJ/mol로 헬륨-4의 0.0829 kJ/mol보다 상당히 낮다.[12][13]

헬륨-3의 중요한 특성 중 하나는, 더 흔한 헬륨-4와 달리 핵이 스핀 1/2 입자를 홀수로 포함하고 있으므로 페르미온이라는 점이다. 헬륨-4 핵은 스핀 1/2 입자를 짝수로 포함하고 있으므로 보손이다. 이는 양자화된 각운동량의 합산 규칙의 직접적인 결과이다. 저온(약 2.17 K)에서 헬륨-4는 상전이를 겪는다. 헬륨-4의 일부는 대략 보즈-아인슈타인 응축의 일종으로 이해할 수 있는 초유체 상으로 전이한다. 페르미온인 헬륨-3 원자는 이러한 메커니즘을 이용할 수 없다.[83]

5. 인공 합성

리튬-6(6Li)에 양성자를 충돌시켜 헬륨-3을 인공적으로 합성하는 방법이 연구되었으나, 반응 단면적이 작아 실용적이지 않다.[92]

: 6Li + 1p → 3He + α

중성자를 리튬 원자에 충돌시켜 삼중수소를 만들고, 이를 베타 붕괴시켜 헬륨-3을 합성하는 방법도 있지만, 이 방법은 삼중수소의 반감기(12.3년)를 기다려야 한다.[82]

: 6Li + 1n → 4He + 3H

: 3H → 3He + β

현재 산업계에서 사용되는 헬륨-3의 대부분은 삼중수소의 방사성 붕괴로 생산된다.[31] 삼중수소는 베타 붕괴를 통해 헬륨-3으로 붕괴된다.

++



삼중수소는 원자로에서 리튬-6에 중성자를 충돌시켜 생산된다. 리튬 원자핵이 중성자를 흡수하면 헬륨-4와 삼중수소로 분열된다. 삼중수소는 12.3년의 반감기로 헬륨-3으로 붕괴되므로, 삼중수소를 방사성 붕괴가 일어날 때까지 저장하면 헬륨-3을 생산할 수 있다.

핵무기 생산 과정에서 붕괴되는 삼중수소를 통해 헬륨-3이 부산물로 생성되는데, 수십 년 동안 이것이 세계 헬륨-3의 주요 공급원이었다.[31] 1991년 START I 조약 체결 이후 핵탄두 수가 감소하면서 헬륨-3의 공급량이 줄었고,[32][33] 중성자 방사선 검출기 및 의료 진단 절차에 대한 수요 증가로 인해 헬륨-3 비축량이 더욱 감소했다.[34]

미국 에너지부(DOE)는 삼중수소와 헬륨-3의 부족 현상을 인식하고 2010년 테네시 밸리 당국의 와츠 바 원자력 발전소에서 리튬 조사를 통해 삼중수소를 생산하기 시작했다.[34]

CANDU 원자로의 중수 감속재와 경수로의 다양한 공정에서도 삼중수소와 헬륨-3을 추출할 수 있다.[34][37]

다음은 원자력 시설에서의 삼중수소 연간 배출량이다.[38]

원자력 시설에서의 삼중수소 연간 배출량
위치원자력 시설가장 가까운
수역
액체
(TBq)
증기
(TBq)
합계
(TBq)
합계
(mg)
년도
style="text-align:left"헤이샴 원자력 발전소 B아일랜드 해3962.13981,1152019
style="text-align:left"셀라필드 재처리 시설아일랜드 해423564791,3422019
style="text-align:left"체르나보다 원자력 발전소 1호기흑해1401522928722018
style="text-align:left"|라 아그 재처리 시설영국 해협11,4006011,46032,1002018
style="text-align:left"|월성 원자력발전소동해10780.91886712020[39]
style="text-align:left"|만산 원자력발전소루존 해협359.4441232015
style="text-align:left"|푸칭 원자력발전소타이완 해협520.8521462020
style="text-align:left"|산먼 원자력발전소동중국해200.420562020
style="text-align:left"브루스 원자력발전소 A, B북아메리카 대호7569941,7504,9012018
style="text-align:left"달링턴 원자력발전소북아메리카 대호2202104301,2042018
style="text-align:left"피커링 원자력발전소 1-4호기북아메리카 대호1403004401,2322015
style="text-align:left"디아블로 캐니언 원자력발전소 1, 2호기태평양822.7842352019


6. 핵융합에서의 응용

중수소와 헬륨-3의 핵융합쿨롱 장벽이 높아 D-T 반응보다 더 큰 에너지를 얻을 수 있다. 헬륨-3은 삼중수소와 달리 비방사성이며, D-3He 반응은 중성자를 발생시키지 않아(동시 D-D 반응으로 소량 생성) 비교적 다루기 쉽다.[52][53][54][55][56]

:\begin{array}{cccl}

\ce{^2H} + \ce{^3H} &\ce{->}& \ce{^4He} + \ce{^1n} &+ 17.571\,\mathrm{MeV}\\

\ce{^2H} + \ce{^3He} &\ce{->}& \ce{^4He} + \ce{^1p} &+ 18.354\,\mathrm{MeV}

\end{array}

핵융합 과정에서 생성된 고에너지 양성자는 전기장 및 자기장을 통해 밀폐 및 상호 작용하여 순 전력 생산이 가능하다.[57]3He는 2H + 3He -> 4He + 1p + 18.3 MeV 또는 3He + 3He -> 4He + 2 1p + 12.86 MeV의 두 가지 반응 중 하나를 통해 핵융합 반응에 사용될 수 있다.

D-T 핵융합은 고에너지 중성자를 생성하여 반응기 부품을 방사성으로 만들지만, 헬륨-3 핵융합은 비중성 특성을 가진다. 하지만, D-3He 핵융합에 필요한 온도는 D-T 핵융합보다 훨씬 높다. 또한, D-D 반응(2H + 2H)은 중성자를 생성한다. D-3He 반응 속도는 D-D 반응 속도의 3.56배를 넘지 않으므로(그래프 참조), D가 적은 연료 혼합물을 사용하면 중성자 플럭스를 줄일 수 있지만, 완벽하게 깨끗하지 않다.3He 자체의 융합(3He + 3He)은 더 높은 온도를 필요로 하지만, 이론적으로 중성자를 생성하지 않고, 생성된 하전된 양성자는 전기장과 자기장에 갇혀 직접 전기를 생성할 수 있다. 3He + 3He 핵융합은 실험실에서 입증되었지만, 상업적 실현 가능성은 아직 멀다.[58]

핵융합 반응률은 온도가 높아짐에 따라 급격히 증가하다가 최대값에 도달한 후 점차 감소한다. DT 반응률은 다른 일반적인 핵융합 에너지 반응보다 낮은 온도(약 70 keV 또는 8억 켈빈)에서 더 높은 값으로 최고점에 이른다.


제어된 핵융합 에너지에 대한 2세대 접근 방식은 헬륨-3과 중수소, 2D를 결합하는 것이다. 이 반응은 알파 입자와 고에너지 양성자를 생성한다. 이 핵융합 반응의 가장 큰 이점은 연료 이온과 핵융합 양성자를 제어하기 위한 정전기장의 사용과의 호환성에 있다. 고속 양성자는 고체상태 변환 재료 및 기타 기술을 사용하여 운동 에너지를 전기로 직접 변환할 수 있으며, 70%의 잠재적 변환 효율이 가능하다.

헬륨-3 핵융합 발전소는 낮은 기술적 복잡성, 높은 에너지 변환 효율, 작은 크기, 방사성 연료 없음, 낮은 방사성 폐기물 처리 요건 등으로 인해 낮은 운영비를 가진다고 주장된다. 최초의 헬륨-3 핵융합 발전소 개발 및 건설에는 약 60억 달러의 투자 자본이 필요할 것으로 예상된다.[60]

하지만, 상업적 발전은 2050년경까지 예상되지 않는다.[61] D+3He의 경우 쿨롱 장벽이 훨씬 높고, 3He–3He의 경우 더 높다. D-3He 핵융합은 D-T 핵융합(17.6 MeV)보다 킬로그램당 더 많은 전력을 얻을 수 있지만, 헬륨-3 핵융합 반응의 반응 속도가 특별히 높지 않아 더 큰 원자로 또는 더 많은 원자로가 필요하다.

2022년, Helion Energy는 7번째 핵융합 프로토타입이 "핵융합으로부터 순 전력"을 시연하고, "특허받은 고효율 폐쇄 연료 사이클"을 통해 "중수소-중수소 핵융합을 통한 헬륨-3 생산"을 시연할 것이라고 주장했다.[62]

7. 우주 자원 채굴

표면에는 태양풍의 영향으로 헬륨-3이 풍부하게 존재하며, 이를 채굴하여 핵융합 연료로 활용하려는 연구가 진행되고 있다.[88][89][90] 달 표면의 물질에는 햇빛이 비치는 지역에서 1.4ppb~15ppb의 헬륨-3이 포함되어 있으며, 영구적으로 그림자가 드리운 지역에서는 최대 50ppb의 농도로 포함될 수 있다.[64][65] 헬륨-3의 농도가 낮기 때문에, 헬륨-3 1g을 얻기 위해서는 150톤 이상의 레골리스를 처리해야 한다.[67]

1986년 제럴드 쿨친스키를 시작으로 많은 사람들이 달 탐사를 통해 달 레골리스를 채굴하여 헬륨-3을 핵융합에 사용하는 것을 제안했다.[66]

2008년 10월 22일에 발사된 인도 인도우주연구기구(ISRO)의 첫 번째 달 탐사선 찬드라얀 1호의 주요 목표는 헬륨-3이 포함된 광물을 찾기 위한 달 표면 매핑이었다.[68]

중국과학원의 우양즈위안 우주화학자이자 지구화학자는 창어 프로그램을 통해 헬륨-3 채굴이 주요 목표 중 하나이며, 이를 통해 "매년 우주왕복선 3대의 임무로 전 세계 인류에게 필요한 연료를 충분히 공급할 수 있다"고 밝혔다.[71]

2006년 1월, 러시아 우주 기업 RKK 에네르기야는 2020년까지 달의 헬륨-3을 채굴할 수 있는 잠재적 경제 자원으로 간주한다고 발표했다.[72] [73][74]

하지만, 달의 헬륨-3 채굴이 실현 가능하다고 모든 필자들이 생각하는 것은 아니다. 드웨인 에이. 데이는 2015년 ''더 스페이스 리뷰''에 기고한 글에서 달에서 헬륨-3을 추출하는 것을 회의적으로 바라보았다.[75]

가스 행성에서 헬륨-3을 채굴하는 방안도 제시되었다.[76] 영국행성간협회(British Interplanetary Society)의 가상 프로젝트인 다이달로스 프로젝트(Project Daedalus)의 항성간 탐사선 설계는 목성 대기의 헬륨-3 광산에서 연료를 얻는다는 개념이었다.

8. 기타 용도

헬륨-3은 중성자 검출에 자주 이용된다. 헬륨-3(Helium-3영어)은 중성자 흡수 단면적이 커서, 반응으로 생성된 삼중수소와 되튀어진 양성자를 계측하여 중성자를 측정할 수 있다.[94][95]

:1n + 3He → 3H + 1H , 0.764 MeV

헬륨-3은 열 중성자 빔에 대한 흡수 단면적이 높아 중성자 검출기의 변환 가스로 사용된다. 중성자는 핵반응을 통해 전하를 띤 입자인 삼중수소 이온(T, ³H)과 수소 이온 또는 양성자(p, ¹H)로 변환되며, 이는 비례 계수기 또는 가이거-뮬러 계수기의 정지 가스에서 전하 구름을 생성하여 검출된다.[40]

:n + ³He → ³H + ¹H + 0.764 MeV

흡수 과정은 스핀에 크게 의존하므로 스핀 편극된 헬륨-3 부피는 한 스핀 성분의 중성자는 통과시키고 다른 스핀 성분의 중성자는 흡수할 수 있다. 이 효과는 물질의 자기적 특성을 조사하는 중성자 편극 분석에 사용된다.[41][42][43][44]

미국 국토안보부는 선적 컨테이너에서 밀수된 플루토늄의 중성자 방출을 감지하는 검출기를 배치하려 했지만, 냉전 이후 핵무기 생산 감소로 인한 헬륨-3 부족으로 계획이 지연되었다.[45] 2012년, 국토안보부는 붕소-10의 상업적 공급이 중성자 검출 인프라를 해당 기술로 전환하는 데 충분하다고 판단했다.[46]

헬륨-3 냉장고는 헬륨-3을 사용하여 0.2~0.3 켈빈의 온도를 달성한다. 희석 냉장고는 헬륨-3과 헬륨-4의 혼합물을 사용하여 수천분의 몇 켈빈까지 극저온을 달성한다.[47]

헬륨-3 원자핵은 1/2의 고유 핵 스핀과 비교적 높은 자기 회전 비율을 가진다. 헬륨-3은 스핀 교환 광 펌핑과 같은 비평형 방법을 사용하여 초극자화될 수 있다.[48] 이 과정에서 적절한 파장의 원형 편광된 적외선 레이저 광을 사용하여 밀폐된 유리 용기 내부의 알칼리 금속(예: 세슘 또는 루비듐) 내 전자를 여기시킨다. 각운동량은 충돌을 통해 알칼리 금속 전자에서 비활성 기체 원자핵으로 전달된다. 이 과정은 NMR 신호를 증폭하기 위해 핵 스핀을 자기장에 효과적으로 정렬시킨다. 초극자화된 기체는 최대 100시간 동안 10기압으로 저장될 수 있다. 흡입 후, 초극자화된 헬륨-3 기체를 포함하는 기체 혼합물은 MRI 스캐너로 영상화하여 폐 환기의 해부학적 및 기능적 영상을 생성할 수 있다. 이 기술은 기도계의 영상을 생성하고, 환기되지 않은 결함을 찾아내고, 폐포 산소 분압을 측정하고, 환기/관류 비율을 측정할 수 있다. 이 기술은 만성 폐쇄성 폐질환 (COPD), 폐기종, 낭포성 섬유증, 천식과 같은 만성 호흡기 질환의 진단 및 치료 관리에 중요할 수 있다.[49]

8. 1. 중성자 검출

헬륨-3은 중성자를 검출하는 데 자주 이용된다. 헬륨-3(Helium-3영어)의 중성자 흡수 단면적이 크기 때문이다. 반응으로 인해 생성된 삼중수소와 되튀어진 양성자를 계측하여 중성자를 측정할 수 있다.[94][95]

:1n + 3He → 3H + 1H , 0.764 MeV

헬륨-3는 중성자 검출 장비에서 중요한 동위원소이다. 열 중성자 빔에 대한 흡수 단면적이 높아 중성자 검출기의 변환 가스로 사용된다. 중성자는 핵반응을 통해 전하를 띤 입자인 삼중수소 이온(T, ³H)과 수소 이온 또는 양성자(p, ¹H)로 변환되며, 이는 비례 계수기 또는 가이거-뮬러 계수기의 정지 가스에서 전하 구름을 생성하여 검출된다.[40]

:n + ³He → ³H + ¹H + 0.764 MeV

또한, 흡수 과정은 스핀에 크게 의존하므로 스핀 편극된 헬륨-3 부피는 한 스핀 성분의 중성자는 통과시키고 다른 스핀 성분의 중성자는 흡수할 수 있다. 이 효과는 물질의 자기적 특성을 조사하는 기술인 중성자 편극 분석에 사용된다.[41][42][43][44]

미국 국토안보부는 선적 컨테이너에서 밀수된 플루토늄의 중성자 방출을 감지하는 검출기를 배치하기를 희망했지만, 냉전 이후 핵무기 생산 감소로 인한 헬륨-3의 세계적인 부족으로 인해 어느 정도 이 계획이 지연되었다.[45] 2012년 현재, 국토안보부는 붕소-10의 상업적 공급이 중성자 검출 인프라를 해당 기술로 전환하는 데 충분하다고 판단했다.[46]

8. 2. 극저온 연구

헬륨-3 냉장고는 헬륨-3을 사용하여 0.2~0.3 켈빈의 온도를 달성한다. 희석 냉장고는 헬륨-3과 헬륨-4의 혼합물을 사용하여 수천분의 몇 켈빈까지 극저온을 달성한다.[47]

8. 3. 의료 영상

헬륨-3 원자핵은 1/2의 고유 핵 스핀과 비교적 높은 자기 회전 비율을 가지고 있다. 헬륨-3은 스핀 교환 광 펌핑과 같은 비평형 방법을 사용하여 초극자화될 수 있다.[48] 이 과정에서 적절한 파장으로 조정된 원형 편광된 적외선 레이저 광을 사용하여 밀폐된 유리 용기 내부의 알칼리 금속(예: 세슘 또는 루비듐) 내 전자를 여기시킨다. 각운동량은 충돌을 통해 알칼리 금속 전자에서 비활성 기체 원자핵으로 전달된다. 본질적으로 이 과정은 NMR 신호를 증폭하기 위해 핵 스핀을 자기장에 효과적으로 정렬시킨다. 초극자화된 기체는 최대 100시간 동안 10기압의 압력으로 저장될 수 있다. 흡입 후, 초극자화된 헬륨-3 기체를 포함하는 기체 혼합물은 MRI 스캐너로 영상화하여 폐 환기의 해부학적 및 기능적 영상을 생성할 수 있다. 이 기술은 또한 기도계의 영상을 생성하고, 환기되지 않은 결함을 찾아내고, 폐포 산소 분압을 측정하고, 환기/관류 비율을 측정할 수 있다. 이 기술은 만성 폐쇄성 폐질환 (COPD), 폐기종, 낭포성 섬유증, 천식과 같은 만성 호흡기 질환의 진단 및 치료 관리에 중요할 수 있다.[49]

참조

[1] arXiv The cosmic saga of 3He 2004-09-00
[2] 잡지 The Delayed Discovery https://archive.org/[...] 1966-10-00
[3] 웹사이트 Is MOON's Sci-Fi Vision of Lunar Helium 3 Mining Based in Reality? https://blogs.scient[...] 2009-06-12
[4] 웹사이트 Fears Over Factoids https://cds.cern.ch/[...] Physicsworld.com 2007-08-00
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