헬륨-3

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.

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. 1939년 루이스 알바레스와 로버트 코르노그가 헬륨-3 분리에 처음으로 성공했다. 헬륨-3은 지구 대기와 천연가스에서 채취한 자연 상태의 헬륨(대부분 헬륨-4) 샘플에서도 발견될 때까지 방사성 동위원소로 여겨졌다.

3. 존재

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

헬륨은 일부 천연가스 공급원의 최대 7%를 차지하기도 하며, 대규모 공급원은 0.2% 이상이면 추출이 가능하다. 미국의 천연가스에서 분리된 헬륨에서 ³He의 비율은 7억분의 70~242로 나타났다.

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.

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.

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.

5. 인공 합성

리튬-6(⁶Li)에 양성자를 충돌시켜 헬륨-3을 인공적으로 합성하는 방법이 연구되었으나, 반응 단면적이 작아 실용적이지 않다.
: 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.
: ⁶Li + ¹n → ⁴He + ³H
: ³H → ³He + β
현재 산업계에서 사용되는 헬륨-3의 대부분은 삼중수소의 방사성 붕괴로 생산된다. 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. 1991년 START I 조약 체결 이후 핵탄두 수가 감소하면서 헬륨-3의 공급량이 줄었고, 중성자 방사선 검출기 및 의료 진단 절차에 대한 수요 증가로 인해 헬륨-3 비축량이 더욱 감소했다.

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

CANDU 원자로의 중수 감속재와 경수로의 다양한 공정에서도 삼중수소와 헬륨-3을 추출할 수 있다.
다음은 원자력 시설에서의 삼중수소 연간 배출량이다.

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📌 열 고정 해제

원자력 시설에서의 삼중수소 연간 배출량

위치	원자력 시설	가장 가까운 수역	액체 (TBq)	증기 (TBq)	합계 (TBq)	합계 (mg)	년도
style="text-align:left"	style="text-align:left"|헤이샴 원자력 발전소 B	아일랜드 해	396	2.1	398	1,115	2019
style="text-align:left"	style="text-align:left"|셀라필드 재처리 시설	아일랜드 해	423	56	479	1,342	2019
style="text-align:left"	style="text-align:left"|체르나보다 원자력 발전소 1호기	흑해	140	152	292	872	2018
	라 아그 재처리 시설	영국 해협	11,400	60	11,460	32,100	2018
	월성 원자력발전소	동해	107	80.9	188	671	2020
	만산 원자력발전소	루존 해협	35	9.4	44	123	2015
	푸칭 원자력발전소	타이완 해협	52	0.8	52	146	2020
	산먼 원자력발전소	동중국해	20	0.4	20	56	2020
style="text-align:left"	style="text-align:left"|브루스 원자력발전소 A, B	북아메리카 대호	756	994	1,750	4,901	2018
style="text-align:left"	style="text-align:left"|달링턴 원자력발전소	북아메리카 대호	220	210	430	1,204	2018
style="text-align:left"	style="text-align:left"|피커링 원자력발전소 1-4호기	북아메리카 대호	140	300	440	1,232	2015
style="text-align:left"	style="text-align:left"|디아블로 캐니언 원자력발전소 1, 2호기	태평양	82	2.7	84	235	2019

6. 핵융합에서의 응용

중수소와 헬륨-3의 핵융합은 쿨롱 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.

:$\backslash begin\{array\}\{cccl\}$
\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.

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.

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.

하지만, 상업적 발전은 2050년경까지 예상되지 않는다. 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.

7. 우주 자원 채굴

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

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

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.

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.

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

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

가스 행성에서 헬륨-3을 채굴하는 방안도 제시되었다. 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-3^영어)은 중성자 흡수 단면적이 커서, 반응으로 생성된 삼중수소와 되튀어진 양성자를 계측하여 중성자를 측정할 수 있다.

: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.

: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.

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

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.

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. 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.

8.1. 중성자 검출

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

: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.

: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.

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. 2012년 현재, 국토안보부는 붕소-10의 상업적 공급이 중성자 검출 인프라를 해당 기술로 전환하는 데 충분하다고 판단했다.

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.

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. 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.