Способы получения гелия-4

Гелий-4 (⁴He) — стабильный изотоп гелия, ядро которого состоит из двух протонов и двух нейтронов (альфа-частица). Его можно получить несколькими путями — от природных процессов до лабораторного синтеза.

Термоядерный синтез в звёздах

Основной природный источник гелия-4 во Вселенной — реакции термоядерного синтеза в звёздах, где четыре протона (ядра водорода) превращаются в одно ядро гелия-4. Это происходит двумя путями: в протон-протонном цикле (характерен для звёзд типа Солнца) и в CNO-цикле (преобладает в более массивных звёздах).

Первичный нуклеосинтез (Большой взрыв)

В первые минуты после Большого взрыва Вселенная была достаточно горячей и плотной для протекания реакций синтеза. Нейтрон и протон сталкивались, образуя дейтерий (²H); затем дейтерий взаимодействовал с протоном или нейтроном, давая гелий-3 (³He) или тритий (³H); на финальной стадии ³He захватывал дейтерий либо два ядра ³He сливались, образуя ⁴He. Именно этот процесс обеспечил около 25% барионной массы Вселенной в виде гелия-4.

Термоядерные реакции с участием дейтерия и трития

В лабораторных условиях (токамаки, инерциальный синтез) гелий-4 получают при слиянии ядер дейтерия (D) и трития (T): D + T → ⁴He + n (свободный нейтрон). Также возможны реакции D + D → ⁴He и D + ³He → ⁴He + p. В патенте РФ №2145124 описан способ синтеза гелия-4 из дейтронов, охлаждённых до сверхнизких температур и обстреливаемых поляризованными пучками дейтронов.

Альфа-распад тяжёлых элементов

На Земле большая часть гелия-4 образовалась в результате альфа-распада радиоактивных изотопов урана, тория и их дочерних продуктов. При альфа-распаде из ядра испускается альфа-частица, которая и представляет собой ядро гелия-4. Этот процесс идёт в земной коре постоянно, и гелий накапливается в подземных ловушках.

Извлечение из природного газа

Промышленный способ получения гелия-4 — извлечение из природного газа, где его концентрация может достигать 8 объёмных процентов. Газ проходит очистку и разделение, в результате чего получают гелий высокой чистоты (до 99,999%). Этот метод не является синтезом, а представляет собой выделение уже существующего гелия-4, образовавшегося в недрах Земли путём альфа-распада.