Helium-3

Helium-3 (He-3) adalah isotop helium yang ringan dan non-radioaktif dengan dua proton dan satu neutron. Isotop ini langka di Bumi dan dicari-cari untuk digunakan dalam penelitian fusi nuklir. Helium-3 diduga lebih berlimpah di Bulan dan berada di lapisan atas regolith selama miliaran tahun akibat angin matahari, dengan kandungan antara satu hingga 50 bpj regolith bulan. Namun, kuantitasnya masih lebih rendah daripada raksasa gas di Tata Surya (yang merupakan sisa dari nebula matahari awal).

Helion, yaitu inti atom helium-3, terdiri dari dua proton dan hanya satu neutron, sementara helium pada umumnya memiliki dua neutron. Keberadaannya pertama kali dicetuskan pada tahun 1934 oleh fisikawan nuklir Australia Mark Oliphant saat sedang bekerja di Laboratorium Cavendish di Universitas Cambridge. Oliphant telah melakukan percobaan yang menabrakkan deuteron-deuteron cepat dengan target-target deuteron.

Helium-3 sebelumnya diduga merupakan radionuklida sebelum juga ditemukan dalam sampel helium alami (yang sebagian besar terdiri dari helium-4), yang diambil dari atmosfer Bumi dan sumur gas fosil. Hal ini dilakukan oleh Luis W. Alvarez dan Robert Cornog dalam percobaan siklotron di Lawrence Berkeley National Laboratory, California, pada tahun 1939.

Walaupun berdasarkan sampel helium dari sumur gas helium-3 10.000 kali lebih langka dari helium-4, keberadaannya dalam kandungan gas bawah tanah menunjukkan bahwa helium-3 mungkin memiliki waktu paruh yang sangat lama. Hidrogen-1 dan helium-3 merupakan nuklida stabil yang mengandung lebih banyak proton daripada neutron.

Helium-3 merupakan nuklida primordial yang keluar dari kerak Bumi ke luar angkasa selama jutaan tahun. Helium-3 juga diduga merupakan nukleogenik alami dan nuklida kosmogenik. Beberapa helium-3 yang ditemui di atmosfer merupakan sisa dari percobaan senjata nuklir yang dilakukan sebelum tahun 1963, yang sebagian besar berasal dari peluruhan tritium (hidrogen-3) yang meluruh menjadi helium-3 dengan waktu paruh 12,3 tahun. Lebih lagi, beberapa reaktor nuklir secara berkala mengeluarkan helium-3 dan tritium ke atmosfer, terutama bila terjadi suatu masalah. Selain itu, kandungan tritium dan helium-3 telah dihasilkan dalam reaktor nuklir arsenal nasional dari iradiasi lithium-6.

Helium-3 telah diusulkan sebagai bahan bakar generasi kedua untuk fusi nuklir, tetapi reaktor semacam itu masih dikembangkan.

Properti fisik

Karena massa atomnya lebih rendah (yaitu 3,02), helium-3 memiliki properti fisik yang berbeda dari helium-4. Akibat interaksi dipol-dipol terinduksi yang lemah antara atom-atom helium, properti fisik makroskopiknya ditentukan oleh energi titik nolnya. Selain itu, properti fisik helium-3 membuatnya memiliki energi titik nol yang lebih tinggi dari helium-4. Akibatnya, helium-3 dapat melalui interaksi dipol-dipol dengan energi termal yang lebih rendah bila dibandingkan dengan helium-4.

Efek mekanika kuantum helium-3 dan helium-4 berbeda karena helium-4 memiliki dua proton, dua neutron, dan dua elektron, sehingga memiliki spin nol yang menjadikannya boson. Namun, helium-3 yang hanya memiliki satu neutron memiliki spin sebesar setengah, sehingga menjadikannya fermion.

Helium-3 mendidih pada suhu 3,19 K, sementara helium-4 mendidih pada suhu 4,23 K. Titik kritis helium-3 juga tercatat sebesar 3,35 K, yang lebih rendah dari helium-4 dengan titik kritis sebesar 5,2 K.

Reaksi fusi

³He dapat digunakan pada reaksi fusi berikut: ²D + ³He →   ⁴He +  ¹p + 18.3 MeV, atau ³He + ³He → ⁴He   + 2 ¹p+ 12.86 MeV

Pelacakan neutron

Helium-3 adalah isotop penting yang dapat digunakan untuk melacak neutron. Berikut adalah persamaannya:

$\mathrm {^{1}_{0}n\ +\ _{2}^{3}He\ \longrightarrow \ _{1}^{3}H\ +\ _{1}^{1}H}$

Produksi

Konsumsi helium-3 pada industri Amerika Serikat saat ini kurang lebih 60.000 liter (kurang lebih 8 kg) per tahun; biaya pada pelelangan kurang lebih $100/liter walaupun meningkatnya permintaan menyebabkan harga naik menjadi $2.000/liter. Helium-3 secara alami terdapat dalam jumlah kecil akibat peluruhan radioaktif, tetapi semua helium-3 yang digunakan dalam industri diproduksi. Helium-3 merupakan hasil dari peluruhan tritium. Produksi tritium dalam jumlah besar memerlukan fluks neutron yang tinggi pada reaktor nuklir.

Keberlimpahan di luar Bumi

Helium-3 langka di Bumi, tetapi berlimpah di luar angkasa. Materi di permukaan Bulan mengandung konsentrasi helium-3 antara 1,4 hingga 15 bpj di wilayah yang disinari matahari, dan mungkin dapat mencapai 50 bpj pada wilayah yang secara permanen tidak disinari matahari. Sejumlah orang seperti Gerald Kulcinski pada tahun 1986, telah mengusulkan penambangan helium-3 dari regolith bulan untuk fusi nuklir. Baru-baru ini, perusahaan seperti Planetary Resources telah mengutarakan ketertarikannya untuk menambang helium-3 di Bulan. Akibat konsentrasi helium-3 yang rendah, perlengkapan pertambangan harus memproses regolith dalam jumlah yang besar, yaitu lebih dari 150 juta ton regolith untuk memperoleh satu ton helium 3). Penambangan helium-3 di raksasa gas juga telah diusulkan karena raksasa gas memiliki kandungan helium-3 yang lebih besar dari Bulan. Walaupun begitu, raksasa gas terbesar di Tata Surya, yaitu Yupiter, memiliki gravitasi yang tinggi, sehingga helium-3 lebih mungkin ditambang di raksasa gas lain.

Karena potensinya yang besar, berbagai negara dan perusahaan telah mempertimbangkan penggunaan helium-3. Misalnya, salah satu tujuan utama wahana Chang'e yang diluncurkan oleh Republik Rakyat Tiongkok adalah untuk menyelidiki kandungan helium-3 di Bulan. Pada Januari 2006, perusahaan angkasa Rusia RKK Energiya mengumumkan bahwa mereka mempertimbangkan helium-3 di Bulan sebagai sumber daya ekonomi potensial yang akan ditambang pada tahun 2020 jika mereka dapat memperoleh dana.

Pranala luar

• The Nobel Prize in Physics 2003, presentation speech Diarsipkan 2008-07-23 di Wayback Machine.
• Moon for Sale: A BBC Horizon documentary on the possibility of lunar mining of Helium-3