氦-3的有关研究

概述

氦-3是自然界中氦的两种稳定性同位素之一，在自然界的存量极少，自然氦气中的原子丰度仅为0.000137%，十分稀缺昂贵。地球上的氦-3来自地球初始形成时积累下的原始氦，主要存在于地幔中，由两个质子，一个中子组成，外层有两个电子。因此，构成氦-3的粒子数是奇数[1]。氦-3以其独特的热物理性质在基础物理，低温工程，空间科学，核聚变等高科技领域有着重要应用：比如利用氦-3/氦-4稀释制冷或氦-3绝热压缩制冷获取mK级低温；利用氦-3的超流性搜寻宇宙反物质和暗物质；利用氦-3的核磁矩实现超极化核磁共振成像；氦-3作为重要热核反应原料等等。另外，氦-3在2.6mk以下才具有的超流性使它能够起到其它任何流体都无法获得的特殊作用，比如获取mK级超低温环境[2]。

物理性质研究

氦-3的应用大多需要氦-3热物性数据的支持，虽然有关氦-3的热物性测量和理论研究在过去50年已大量开展，但是其宽范围热力学状态方程，完整的热力学数据图表以及热物性计算程序一直处于空缺状态。为了解决这个制约氦-3各项应用获得进一步发展的瓶颈，研究人员以研究氦-3相平衡曲线和流体区热力性质及状态方程为目标，开展了相关工作。基于Clausius-Clapeyron方程，维里方程和最新开发的氦-3相平衡曲线方程计算了氦-3在平衡曲线上的两个重要性质：汽化热(0 K～3.315 7 K)和熔解热(0.001 K～35 K)。计算结果覆盖的温度范围广，精度也满足工程应用的需求[3-4]。

制备

目前所用的氦-3一般来源于氚的衰变，氦-3的来源极其有限。氦-3具有低沸点、低密度、高比热容等性质，使得它成为人们在向绝对零度探索过程中最为特殊的制冷工质之一。低温工程领域利用氦-3为工质的制冷方法有氦-3负压制冷、氦-3压缩制冷、氦-3/氦-4稀释制冷等，氦-3气体是氦-3中子管工作气体，氦-3管探测的是环境中子，因此对仪表自身的本底计数尤为敏感。这对氦-3工作气体中氚含量提出了更高的要求。

多床循环吸附净化法采用多床循环吸附净化法能高效、快速去除气体中所含杂质气体，可以有效提高氦-3气体的纯度。该方法通过串联不同吸附床,对不同杂质气体进行分别吸附去除。在循环净化过程中，不断对氦-3气体中的杂质气体进行吸附，连续循环一段时间后，氦-3气体纯度得到明显提高。该方法能够高效快速地获取纯度高于99.99%的氦-3气体，实现了氦-3气体的有效利用。同样，在制备氦-3的过程中，降低氦-3气体中氚的含量尤为重要。氚的高效、快速去除可以采用钯合金螺旋管净化器实现。该净化器利用了氢同位素在钯合金膜中的快速扩散的特点。钯薄膜表面具有很强的吸氢能力，能使氢分子离解成氢原子溶解于钯中，并沿浓度梯度方向由表面向内扩散，并透过钯薄膜，在膜的另一端以H₂分子形态脱离膜表面。在同等条件下，其它气体分子由于原子体积、离解能等比氢同位素分子大得多，在钯晶格中的扩散速度十分低，从宏观角度看，不能透过钯薄膜。因此，钯薄膜具有氢气的选择性透过能力。研究人员从原理上对多床循环吸附法和同位素循环稀释法进行了研究，并开展了相关实验。结果表明，以上两种方法均能够实现高纯氦-3气体的高效净化。通过工程化研制，对同位素循环稀释法中核心部件钯净化器进行优化设计，用钯合金螺旋管取代直管式钯合金管。同时，将多床循环吸附净化法和同位素循环稀释净化法进行系统集成，形成自动化、规模化净化装置。通过对该系统进行调试可以获得满足高纯氦-3制备要求的技术条件，为氦-3中子管研制提高了技术支撑[5]。

参考文献

[1]秦胜飞,东归霖,周俊林.神奇的氦-3[J].石油知识, 2022(1):38-39.

[2]黄永华,陈国邦,刘飞.氦-3的超流性及其应用[C]//低温与特气百期庆典暨低温与气体技术交流大会.2004.

[3]汪世清,陈国邦,黄永华.氦-3的汽化热和熔解热[J].低温工程, 2006, 000(005):27-31

[4]黄永华.氦-3状态方程及热物理性质研究[D].浙江大学,2006.

[5]吴文清,刘雨廷,敬文勇.高纯氦-3气体制备技术[C]//中国氚科学与技术学术交流会.2017.