Tämä välttämätön kaasu maksaa 7 000 000 €/kilo – Toistaiseksi saatu vain ydinpommeista uuttamalla, nyt ranskalaisjätti alkaa tehdä uudella tavalla

Ranskalainen kemianteollisuuden jättiyhtiö Air Liquide tuo markkinoille isotooppipuhdasta helium-3:a ensimmäisenä yksityisen sektorin toimijana maailmassa, uutisoi Chemical & Engineering News. Tähän asti kaikki maailman helium-3 on valmistettu ydinpommeista uuttamalla, eli tuotanto on ollut kokonaan suurvaltojen hallitusten käsissä.

Aineen tuottaa Kanadassa Toronton lähellä Darlingtonin ydinvoimalassa Air Liquiden yhteistyökumppani Laurentis Energy Partners. Se on voimalan omistajan, paikallisen energiayhtiö Ontario Power Generationin tytäryhtiö.

Samassa voimalassa on erotettu jo aiemmin tritiumia eli vedyn radioaktiivista isotooppia H-3, mutta se on myyty ulos sellaisenaan. Tritium kuitenkin hajoaa helium-3:ksi, ja nyt osa siitä myydään tässä muodossa ulos.

Stabiili mutta äärimmäisen harvinainen isotooppi helium-3 on maksanut toistaiseksi noin 1000 dollaria per litra. Koska tämä kaasu painaa normaalioloissa vaivaiset 0,12 grammaa litraa kohti, edellinen luku tarkoittaa noin 8 miljoonan dollarin eli noin 7 miljoonan euron kilohintaa.

Miten paljon uusi tuottaja ja uusi tuotantomenetelmä laskee hintaa, vai laskeeko lainkaan, C&EN ei mainitse.

Parantuvan saatavuuden voidaan odottaa helpottavan markkinatilannetta jossakin määrin, mutta kertakaikkista mullistusta Air Liquide todenäköisesti ei saa aikaan. C&EN:n haastattelema Laurentiksen projektijohtaja Jennifer Chapin näet kertoo, että aluksi helium-3:a tulee markkinoille vain 5000–10 000 litraa eli noin 600–1200 grammaa vuosittain.

Sen sijaan helium-3:n koko maailmanlaajuinen kysyntä on tällä haavaa suuruusluokkaa 300 000 litraa eli noin 40 kilogrammaa vuodessa. Luku on laskettu Transparency Market Researchin vuodelle 2031 esittämästä arviosta sekä samassa yhteydessä esitetystä vuotuisesta kasvuprosentista nykyhetken ja tulevaisuuden välille.

Tavallinen helium on isotooppia 4, mutta kaikissa käyttökohteissa helium-3:a ei voida korvata helium-4:llä. Myös helium-4:stä on ollut viime vuosina pulaa, joskin Gazpromin Siperiaan pystyttämä uusi laitos helpottanee tilannetta lähivuosina.

Voidaan valmistaa vain harvoissa ydinreaktoreissa

Helium-3 on nykymaailmassa välttämätön kaasu muun muassa äärimmäisen kylmien lämpötilojen tutkimuksessa ja sitä myötä myös kvanttilaskennassa. Alle 1 kelvinin lämpötilaa on vaikea saavuttaa tavallisella helium-4:llä, mutta heliumin isotoopit 3 ja 4 erottuvat omiksi nestekerroksikseen alle 0,87 kelvinin lämpötilassa.

Tämä tapahtuma nielee energiaa, ja sen pohjalle voidaan rakentaa kylmäkone, niin sanottu laimennusjäähdytin (engl. dilution refrigerator ). Niin päästään jopa 2–5 millikelvinin lämpötilaan.

Toinen käyttökohde helium-3:lle ovat tietyt lääketieteelliset kuvaukset. C&EN:n mukaan suurin osa aineesta kuluu kuitenkin kolmannessa sovelluskohteessa: neutroni-ilmaisimien valmistamiseen. Neutroni-ilmaisimia käytetään muun muassa tulleissa ja lentokentillä ydinmateriaalien mahdollisen salakuljetuksen havaitsemiseen.

Helium-3:a voidaan valmistaa ainoastaan raskasvesivoimaloissa, ei tavallisissa kevytvesivoimaloissa. Raskaan veden vetyisotooppi deuterium (D eli H-2) imee reaktorissa syntyviä neutroneja ja muodostaa radioaktiivista vetyisotooppi tritiumia (T eli H-3), joka puolestaan hajoaa reilun 12 vuoden puoliintumisajalla stabiiliksi helium-3:ksi.

Raskasvesireaktorit muodostavat vain noin 5 prosenttia maailman ydinvoiman kapasiteetista.

Myös ydinpommeissa helium-3:a syntyy tritiumin hajotessa. Ydinpommeissa tritiumia on kaasumaisessa muodossa pommin keskipisteessä, sillä pieni määrä tritiumia tehostaa plutoniumin fissiota.

Koska tritiumin puoliintumisaika on suhteellisen lyhyt, täytyy tritiumia vaihtaa välillä uuteen. Samalla helium-3 kerätään talteen.

Ydinpommeihin tritium valmistetaan pääasiassa säteilyttämällä litium-6-isotooppia neutroneilla. Litiumin fissiossa muodostuu helium-4:ää ja tritiumia. (Fissio on tyypillisesti raskaiden alkuaineiden ominaisuus, mutta ainoana poikkeuksena kevyiden aineiden joukossa litium voi haljeta.)

Ilmassa 0,000 000 000 7 %

Maassa helium-3 on äärimmäisen harvinaista. Ilmakehämme sisältämästä vähäisestä heliumista tavallista isotooppia 4 on 99,99987 prosenttia tilavuuden mukaan, ja kevyempää isotooppia 3 loput 0,00013 prosenttia.

Koska heliumia on ilmassa 0,0005 tilavuusprosenttia, on helium-3:n pitoisuus Maan ilmakehässä noin 0,000 000 000 7 prosenttia. Niinpä helium-3:n erottaminen ilmasta on käytännössä mahdotonta.

Maakaasussa heliumia on enemmän, ja suurin osa tavallisesta helium-4:stä erotetaankin maakaasun joukosta. Maakaasun helium on kuitenkin syntynyt kallioperän uraanin ja toriumin alfahajoamisen seurauksena: alfahiukkanen on toiselta nimeltään He-4-ydin. Niinpä helium-3:n lähteeksi maakaasusta ei ole.

Populaarikulttuurissa helium-3 tunnetaan muun muassa suomalais-saksalais-australialaisesta parodiaelokuvasta Iron Sky (2011), jossa Kuun helium-3-varojen hallinta sytytti ydinsodan.

Vaikka kuukiveen kiinnittyneen helium-3-kaasun louhiminen energiantuotantoon on käytännössä hyvin kaukaista spekulaatiota, aihe ei ole pelkkä elokuvantekijöiden vitsi. Esimerkiksi Euroopan avaruusjärjestö Esa on kirjoittanut tästä periaatteellisesta mahdollisuudesta.