概述

氦-3是自然界中氦的兩種穩(wěn)定性同位素之一，在自然界的存量極少，自然氦氣中的原子豐度僅為0.000137%，十分稀缺昂貴。地球上的氦-3來自地球初始形成時(shí)積累下的原始氦，主要存在于地幔中，由兩個(gè)質(zhì)子，一個(gè)中子組成，外層有兩個(gè)電子。因此，構(gòu)成氦-3的粒子數(shù)是奇數(shù)[1]。氦-3以其獨(dú)特的熱物理性質(zhì)在基礎(chǔ)物理，低溫工程，空間科學(xué)，核聚變等高科技領(lǐng)域有著重要應(yīng)用：比如利用氦-3/氦-4稀釋制冷或氦-3絕熱壓縮制冷獲取mK級(jí)低溫；利用氦-3的超流性搜尋宇宙反物質(zhì)和暗物質(zhì)；利用氦-3的核磁矩實(shí)現(xiàn)超極化核磁共振成像；氦-3作為重要熱核反應(yīng)原料等等。另外，氦-3在2.6mk以下才具有的超流性使它能夠起到其它任何流體都無法獲得的特殊作用，比如獲取mK級(jí)超低溫環(huán)境[2]。

物理性質(zhì)研究

氦-3的應(yīng)用大多需要氦-3熱物性數(shù)據(jù)的支持，雖然有關(guān)氦-3的熱物性測(cè)量和理論研究在過去50年已大量開展，但是其寬范圍熱力學(xué)狀態(tài)方程，完整的熱力學(xué)數(shù)據(jù)圖表以及熱物性計(jì)算程序一直處于空缺狀態(tài)。為了解決這個(gè)制約氦-3各項(xiàng)應(yīng)用獲得進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸，研究人員以研究氦-3相平衡曲線和流體區(qū)熱力性質(zhì)及狀態(tài)方程為目標(biāo)，開展了相關(guān)工作?；贑lausius-Clapeyron方程，維里方程和最新開發(fā)的氦-3相平衡曲線方程計(jì)算了氦-3在平衡曲線上的兩個(gè)重要性質(zhì)：汽化熱(0 K～3.315 7 K)和熔解熱(0.001 K～35 K)。計(jì)算結(jié)果覆蓋的溫度范圍廣，精度也滿足工程應(yīng)用的需求[3-4]。

制備

目前所用的氦-3一般來源于氚的衰變，氦-3的來源極其有限。氦-3具有低沸點(diǎn)、低密度、高比熱容等性質(zhì)，使得它成為人們?cè)谙蚪^對(duì)零度探索過程中最為特殊的制冷工質(zhì)之一。低溫工程領(lǐng)域利用氦-3為工質(zhì)的制冷方法有氦-3負(fù)壓制冷、氦-3壓縮制冷、氦-3/氦-4稀釋制冷等，氦-3氣體是氦-3中子管工作氣體，氦-3管探測(cè)的是環(huán)境中子，因此對(duì)儀表自身的本底計(jì)數(shù)尤為敏感。這對(duì)氦-3工作氣體中氚含量提出了更高的要求。

多床循環(huán)吸附凈化法采用多床循環(huán)吸附凈化法能高效、快速去除氣體中所含雜質(zhì)氣體，可以有效提高氦-3氣體的純度。該方法通過串聯(lián)不同吸附床,對(duì)不同雜質(zhì)氣體進(jìn)行分別吸附去除。在循環(huán)凈化過程中，不斷對(duì)氦-3氣體中的雜質(zhì)氣體進(jìn)行吸附，連續(xù)循環(huán)一段時(shí)間后，氦-3氣體純度得到明顯提高。該方法能夠高效快速地獲取純度高于99.99%的氦-3氣體，實(shí)現(xiàn)了氦-3氣體的有效利用。同樣，在制備氦-3的過程中，降低氦-3氣體中氚的含量尤為重要。氚的高效、快速去除可以采用鈀合金螺旋管凈化器實(shí)現(xiàn)。該凈化器利用了氫同位素在鈀合金膜中的快速擴(kuò)散的特點(diǎn)。鈀薄膜表面具有很強(qiáng)的吸氫能力，能使氫分子離解成氫原子溶解于鈀中，并沿濃度梯度方向由表面向內(nèi)擴(kuò)散，并透過鈀薄膜，在膜的另一端以H₂分子形態(tài)脫離膜表面。在同等條件下，其它氣體分子由于原子體積、離解能等比氫同位素分子大得多，在鈀晶格中的擴(kuò)散速度十分低，從宏觀角度看，不能透過鈀薄膜。因此，鈀薄膜具有氫氣的選擇性透過能力。研究人員從原理上對(duì)多床循環(huán)吸附法和同位素循環(huán)稀釋法進(jìn)行了研究，并開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，以上兩種方法均能夠?qū)崿F(xiàn)高純氦-3氣體的高效凈化。通過工程化研制，對(duì)同位素循環(huán)稀釋法中核心部件鈀凈化器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，用鈀合金螺旋管取代直管式鈀合金管。同時(shí)，將多床循環(huán)吸附凈化法和同位素循環(huán)稀釋凈化法進(jìn)行系統(tǒng)集成，形成自動(dòng)化、規(guī)?；瘍艋b置。通過對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試可以獲得滿足高純氦-3制備要求的技術(shù)條件，為氦-3中子管研制提高了技術(shù)支撐[5]。

參考文獻(xiàn)

[1]秦勝飛,東歸霖,周俊林.神奇的氦-3[J].石油知識(shí), 2022(1):38-39.

[2]黃永華,陳國邦,劉飛.氦-3的超流性及其應(yīng)用[C]//低溫與特氣百期慶典暨低溫與氣體技術(shù)交流大會(huì).2004.

[3]汪世清,陳國邦,黃永華.氦-3的汽化熱和熔解熱[J].低溫工程, 2006, 000(005):27-31

[4]黃永華.氦-3狀態(tài)方程及熱物理性質(zhì)研究[D].浙江大學(xué),2006.

[5]吳文清,劉雨廷,敬文勇.高純氦-3氣體制備技術(shù)[C]//中國氚科學(xué)與技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì).2017.