The helium bubble: prospects for 3He-fuelled nuclear fusion

By :

Greg De Temmerman


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The helium bubble: prospects for 3He-fuelled nuclear fusion


Is the Moon our next energy reservoir? Is the future of humanity to be powered by nuclear fusion with helium-3 mined from the moon and brought back to earth?

In this paper, we review the current status of nuclearfusion research, the merits and advantages of aneutronic fusion based on 3He and the current state of knowledge.

When it comes to energy, nuclear fusion is often referred to as the holy grail as it would provide a source of abundant energy with no risk of meltdown, plentiful resources and no greenhouse gas emissions. The main candidate fuel for future reactors is a mixture of deuterium and tritium which fuses to form energetic neutrons and helium.

As neutrons can damage materials and limit their lifetime in the extreme environment of a fusion reactor- where the fuel needs to be brought up to 150 million degrees- other potential fuels have been proposed which would strongly reduce or eliminate neutron formation. Among them, helium-3 is often mentioned since the discovery that the Moon contains significant amounts of this species, which is virtually non-existent on Earth. Therefore, Helium-3 is a reason often mentioned to go back to the Moon and justify space resource utilization.

After 70 years of intense research, deuterium-fusion has proven to be very difficult to master and the ability to use it in an economically attractive way is still a long shot. Unfortunately, in many aspects, helium-3 fusion is much harder to achieve. As a result, we show that this technology, if demonstrated, is most likely only to be considered fora second or third generation of fusion power plants and given the current schedule of fusion demonstration and deployment, is unlikely to appear this century.

The helium bubble: prospects for 3He-fuelled nuclear fusion

La Lune est-elle notre prochain réservoir d'énergie ? L'avenir de l'humanité sera-t-il alimenté par la fusion nucléaire avec de l'hélium 3 extrait de la lune et ramené sur terre ?

Dans cet article, nous passons en revue l'état actuel de la recherche sur la fusion nucléaire, les mérites et les avantages de la fusion aneutronique basée sur 3He et l'état actuel des connaissances.

En matière d'énergie, la fusion nucléaire est souvent considérée comme le Saint Graal car elle fournirait une source d'énergie abondante, sans risque de fusion, avec des ressources abondantes et sans émission de gaz à effet de serre. Le principal combustible candidat pour les futurs réacteurs est un mélange de deutérium et de tritium qui fusionne pour former des neutrons énergétiques et de l'hélium.

Comme les neutrons peuvent endommager les matériaux et limiter leur durée de vie dans l'environnement extrême d'un réacteur de fusion - où le combustible doit être porté à 150 millions de degrés - d'autres combustibles potentiels ont été proposés, qui réduiraient fortement ou élimineraient la formation de neutrons. Parmi eux, l'hélium-3 est souvent mentionné depuis la découverte que la Lune contient des quantités importantes de cette espèce, qui est pratiquement inexistante sur Terre. Par conséquent, l'hélium-3 est une raison souvent évoquée pour retourner sur la Lune et justifier l'utilisation des ressources spatiales.

Après 70 ans de recherches intenses, la fusion du deutérium s'est avérée très difficile à maîtriser et la possibilité de l'utiliser de manière économiquement intéressante est encore loin d'être acquise. Malheureusement, à bien des égards, la fusion de l'hélium 3 est beaucoup plus difficile à réaliser. En conséquence, nous montrons que cette technologie, si elle est démontrée, ne sera très probablement envisagée que pour une deuxième ou troisième génération de centrales à fusion et, compte tenu du calendrier actuel de démonstration et de déploiement de la fusion, il est peu probable qu'elle apparaisse au cours de ce siècle.

The helium bubble: prospects for 3He-fuelled nuclear fusion

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