一、氦-3 简介
氦-3是一种轻质、稳定的氦同位素，具有两个质子和一个中子（相比之下，最常见的同位素氦-4具有两个质子和两个中子）。氦-3作为一种非常稀有的同位素，具有多种独特的核物理和化学性质，这使得它在科学研究和技术应用中具有重要的价值。除氚外，氦-3是质子多于中子的任何元素中唯一稳定的同位素。
二、氦-3的历史
氦-3的存在最早是由澳大利亚核物理学家马克·奥利芬特（Mark Oliphant）于1934年在剑桥大学卡文迪许实验室工作时提出的。Oliphant曾进行过快速氘代与氘代目标相撞的实验（顺便说一句，这是核聚变的第一次演示）。
氦-3的分离最早是由路易斯·阿尔瓦雷斯（Luis Alvarez）和罗伯特·科诺格（Robert Cornog）于1939年完成的。 氦-3一开始被认为是一种放射性同位素，直到在天然氦的样品中也发现了它，这个样品取自陆地大气和天然气井。
三、氦-3的物理性质
氦-3由于其较小的原子质量，展现出与氦-4不同的物理特性。氦原子间的相互作用主要依赖于它们固有的零点能，这是量子力学中粒子即使在绝对零度时也具有的最低能量。氦-3的零点能较高，意味着它在较低的温度下就能克服原子间的弱相互作用，这种作用主要是由氦原子之间诱导的偶极-偶极相互作用所决定的。
在量子层面，氦-3与氦-4有着本质的区别。氦-4由于其原子核中有两个质子和两个中子，整体自旋为零，属于玻色子（这是一类粒子，它们不遵循泡利不相容原理，可以共享相同的量子态。）而氦-3因少一个中子，具有1/2的固有核自旋，属于费米子（这是另一类粒子，它们遵循泡利不相容原理，每个量子态只能被一个费米子占据。)这种自旋的差异导致了两者在低温下表现出不同的物理行为，例如氦-3和氦-4的相变温度和临界点温度不同。
四、氦-3的储备
在之前的文章中我们就提到过氦-3的储备问题。目前，地球上的氦3储备非常有限，主要来源于天然气田中的微量存在。由于其稀有性，氦3的提取成本较高。但是月球上的氦3储备被认为是潜在的巨大资源。月球土壤中含有大量的氦3，这是由太阳风中的高能粒子撞击月球表面而形成的。据估计，月球上的氦3储量可能足以满足地球数个世纪的能源需求。
氦-3可以通过氚的衰变产生，这是当前主要的人工产方式。氚是一种放射性同位素，通过裂变反应在核反应堆中产生，然后衰变成氦-3。
五、氦-3的用途
氦-3自旋回波
氦-3可用于进行表面动力学的自旋回波实验，该实验正在剑桥卡文迪许实验室的表面物理小组和斯旺西大学化学系进行。
中子探测
氦-3是一种在中子探测仪器中极为关键的同位素，因其对热中子束的高吸收能力而被广泛使用。在中子探测器中，氦-3作为转换气体，通过以下核反应将中子转化为带电的粒子：
𝑛+3𝐻𝑒→3𝐻+1𝐻+0.764 MeV
这个过程中，中子与氦-3原子核反应生成氚（一种带正电的氢同位素）和质子（即普通的氢原子核），这些带电粒子随后在探测器的计数器中形成电荷云，从而被检测到。
医学成像中的应用
氦-3在医学成像领域扮演着重要角色，特别是用于肺部的磁共振成像（MRI）。由于其原子核具有1/2的自旋和较高的磁旋比率，氦-3可以通过特定的非平衡技术实现超极化。在超极化过程中，特定波长的圆偏振红外激光被用来激发密封玻璃容器内的碱金属（如铯或铷）电子。通过这些碱金属电子与氦-3原子核之间的碰撞，角动量从电子转移到原子核，有效地对齐了氦-3的核自旋与外部磁场，从而显著增强了核磁共振（NMR）信号。这项技术能够揭示气道结构，定位通气不足的区域，测量肺泡氧分压，以及评估通气与血液灌注的比率。这对于诊断和管理慢性呼吸系统疾病，如COPD、肺气肿、囊性纤维化和哮喘等，具有极其重要的价值。
托卡马克等离子体实验中的无线电能量吸收器
在托卡马克等离子体实验中，氦-3被用作无线电能量的吸收器，以增强射频（RF）能量的吸收并加热氢和氘离子。这种“三离子”效应在实验中显示出增加能量吸收的潜力。例如，麻省理工学院的Alcator C-Mod托卡马克和联合欧洲托卡马克（JET）等装置已经进行了相关实验。通过向氢-氘等离子体中添加少量氦-3，可以更有效地加热等离子体，这对于探索和开发未来的核聚变能源技术具有重要意义。氦-3的这一应用有助于提高核聚变反应的效率，推动清洁能源技术的发展。
核燃料
传统的氘+氚（“D-T”）聚变过程产生高能中子，使反应堆部件具有放射性并带有活化产物。氦-3聚变的吸引力源于其反应产物的中子性质。氦-3本身是非放射性的。唯一的高能副产物质子可以通过电场和磁场来控制。该质子的动量（在聚变过程中产生）将与包含的电磁场相互作用，从而产生直接的净发电。
He-3发电厂
氦-3聚变发电厂的支持者认为，这种发电厂将具有显著的成本和环境优势。与现有能源技术相比，氦-3聚变有望以更低的资本和运营成本运行，得益于其较低的技术复杂性、更高的能量转换效率以及更小的设施规模。此外，氦-3聚变不使用放射性燃料，因此不会产生空气或水污染，放射性废物处理的需求也较低。据估计，首座氦-3聚变发电厂的开发和建设成本约为60亿美元，而一旦五座1吉瓦的发电厂投入运营，按照当前的批发电价，该技术有望实现财务自给自足，能够替代传统电厂或满足新的能源需求。
然而，现实中的挑战更为复杂。目前，世界上最先进的核聚变项目包括惯性约束聚变（如国家点火设施NIF）和磁约束聚变（如ITER和Wendelstein 7-X）。这些项目尚未提供明确的商业化发电路径。特别是，预计商业化发电要到2050年左右才能实现。这些项目主要关注的是D-T聚变，因为这种反应的库仑势垒较低，而氦-3参与的聚变反应（无论是D+3He还是3He–3He）所需的势垒更高。
参考链接：
- https://en.wikipedia.org/wiki/Helium-3
- https://pubs.aip.org/aip/acp/article-abstract/2318/1/090008/892028/Helium-3-as-a-fusion-source-Low-radioactive-fuel?redirectedFrom=fulltext
- https://link.springer.com/article/10.1134/S1063778820090227