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ヘリウム3（3He [ 3 ] [ 4 ]）は、ヘリウムの軽くて安定な同位体で、ヘリウムと呼ばれる原子核に 陽子2個と中性子1個があります。これは、陽子2個と中性子2個を持つより一般的な同位体であるヘリウム4とは対照的です。ヘリウム3と水素1は、中性子よりも陽子が多い唯一の安定な核種です。1939年に発見されました。ヘリウム3原子はフェルミオンであり、 2.491 mKの温度で超流動体になります。
ヘリウム3は原始核種として存在し、数百万年かけて地殻から大気圏、そして宇宙空間へと放出されてきた。また、リチウムが自然中性子の照射を受けた際に生成される天然の核生成核種および宇宙線生成核種であると考えられており、自発的な核分裂や宇宙線との核反応によって放出される。地球大気中に存在するヘリウム3の一部は、大気圏および水中での核兵器実験の残存物である。
ヘリウム3を用いた核融合は、長らく望ましい将来のエネルギー源として考えられてきた。ヘリウム3原子2個の融合は中性子を放出しない、つまり従来の核融合のような危険な放射線を放出せず、また従来の核融合のようなはるかに高い温度も必要としない。[ 5 ]このプロセスは、周囲の物質を放射性にする他の反応を必然的に引き起こす可能性がある。[ 6 ]
ヘリウム3は、数十億年にわたって太陽風によってレゴリスの上層部に堆積したため、地球よりも月面に多く存在すると考えられているが[ 7 ] 、太陽系の巨大ガス惑星に比べるとその存在量は少ない[ 8 ] [ 9 ]。
ヘリウム 3 の存在は、1934 年にケンブリッジ大学キャベンディッシュ研究所で働いていたオーストラリアの原子核物理学者マーク・オリファントによって初めて提唱されました。オリファントは、高速重水素が重水素標的に衝突する実験を行いました(ちなみに、これは核融合の最初の実証でした)。[ 10 ]ヘリウム 3 の分離は、1939 年にルイス・アルバレスとロバート・コルノグによって初めて達成されました。[ 11 ] [ 12 ]ヘリウム 3 は、地球の大気と天然ガス井戸の両方から採取された、主にヘリウム 4である天然ヘリウムのサンプルにも含まれていることが判明するまで、放射性同位体であると考えられていました。[ 13 ]
ヘリウム3は原子質量が3.016 Daと小さいため、原子質量が4.0026 Daのヘリウム4とは異なる物理的性質を示します。ヘリウム原子間の弱い誘起双極子-双極子相互作用により、その微視的な物理的性質は主に零点エネルギーによって決定されます。また、ヘリウム3の微視的な性質により、零点エネルギーはヘリウム4よりも高くなります。これは、ヘリウム3がヘリウム4よりも少ない熱エネルギーで双極子-双極子相互作用を克服できることを意味します。
ヘリウム3とヘリウム4の量子力学的効果は大きく異なります。ヘリウム4は陽子2個、中性子2個、電子2個を持つため、全体のスピンはゼロとなり、ボソンになりますが、中性子が1つ少ないヘリウム3は全体のスピンが1/2となり、フェルミオンになります。
純粋なヘリウム3ガスは、ヘリウム4の4.23 Kに対して3.19 Kで沸騰し、臨界点もヘリウム4の5.2 Kに対して3.35 Kと低くなっています。ヘリウム3は、沸点における密度がヘリウム4の半分以下で、1気圧の圧力下ではヘリウム4の125 g/Lに対して59 g/Lです。蒸発潜熱も、ヘリウム4の0.0829 kJ/molに対して0.026 kJ/molとかなり低くなっています。[ 14 ] [ 15 ]
ヘリウム 3 原子の重要な特性は、より一般的なヘリウム 4原子と区別されるもので、奇数個のスピン1/2粒子を含み、したがって複合フェルミオンであることです。これは、量子化された角運動量の加算規則の直接的な結果です。対照的に、ヘリウム 4 原子は偶数個のスピン 1/2 粒子を含むボソンです。低温(約 2.17 K) では、ヘリウム 4 は相転移を起こします。その一部は、ボーズ・アインシュタイン凝縮の一種とおおよそ理解できる超流動相に入ります。このようなメカニズムは、フェルミオンであるヘリウム 3 原子には適用できません。多くの研究者は、原子が超伝導の BCS理論におけるクーパー対に類似したペアを形成すれば、ヘリウム 3 もはるかに低い温度で超流動になる可能性があると推測しました。整数スピンを持つ各クーパー対は、ボソンと考えることができます。 1970年代、デビッド・リー、ダグラス・オシェロフ、ロバート・コールマン・リチャードソンは、融解曲線に沿って2つの相転移を発見し、それがすぐにヘリウム3の2つの超流動相であることがわかった。[ 16 ] [ 17 ]超流動への転移は、融解曲線上の2.491ミリケルビンで起こる。彼らはその発見により1996年のノーベル物理学賞を受賞した。アレクセイ・アブリコソフ、ヴィタリー・ギンズブルグ、トニー・レゲットは、ヘリウム3の超流動相の理解を深める研究により2003年のノーベル物理学賞を受賞した。[ 18 ]
磁場がゼロの場合、³HeにはA相とB相という2つの異なる超流動相が存在する。B相は低温・低圧相であり、等方的なエネルギーギャップを持つ。A相は高温・高圧相であり、磁場によってさらに安定化され、ギャップ内に2つの点ノードを持つ。2つの相が存在することは、³Heが非従来型の超流動体（超伝導体）であることを明確に示している。なぜなら、 2つの相が存在するためには、ゲージ対称性以外の追加の対称性が破れる必要があるからである。実際、³Heはスピン1、S = 1ħ 、角運動量1、L = 1ħのp波超流動体である。基底状態は全角運動量ゼロ、J = S + L = 0 （ベクトル加算）に対応する。励起状態は、全角運動量がゼロでないJ > 0で存在し、励起ペア集団モードとなる。これらの集団モードは、超流動³Heの極めて高い純度のおかげで、他のどの非従来型ペアリングシステムよりもはるかに高い精度で研究されてきた。この純度は、すべての⁴Heが完全に相分離し、他のすべての物質が固化して液体の底に沈むことによって生じ、 ³HeのA相とB相が可能な限り最も純粋な凝縮物質状態となる。
3Heは地球のマントルに存在する原始的な物質であり、地球の初期形成時に閉じ込められたと考えられています。地球の地殻とマントルにおける3Heと4Heの比率は、太陽円盤における比率よりも低く（隕石や月のサンプルを用いて推定）、地球の物質は一般的に放射性崩壊による4Heの生成のため、3He/4He比が低くなっています。
3 He の宇宙論的比率は4 He の 100 万原子あたり 300 原子であり、[ 19 ] 地球が形成されたときのマントル内のこれらの原始ガスの元の比率は約 200 ～ 300 ppm であったと仮定されています。地球の歴史を通じて、ウラン、トリウム、およびその他の放射性同位体のアルファ崩壊によってかなりの量の4 He が生成され、現在マントル内のヘリウムの約 7% だけが原始ヘリウムであるほどになり、[ 19 ] 3 He: 4 He の比率は合計で約 20 ppm に低下しました。大気の比率を超える3 He : 4 He の比率は、マントルからの3 Heの寄与を示しています。地殻の供給源は、放射性崩壊によって生成された4 Heが支配的です。
地球上の天然源におけるヘリウム3とヘリウム4の比率は大きく変動する。[ 20 ] [ 21 ]サウスダコタ州エジソン鉱山産のリチウム鉱石スポジュメンのサンプルには、ヘリウム3が12、ヘリウム4が100万分の1含まれていることがわかった。他の鉱山のサンプルでは、100万分の2であった。[ 20 ]
ヘリウム自体は、一部の天然ガス源の最大 7% を占めており、[ 22 ]大規模な供給源では 0.5% を超えています (0.2% を超えると抽出が採算に合うようになります)。[ 23 ]米国で天然ガスから分離されたヘリウム中の3 Heの割合は、70 ～ 242 ppb の範囲であることがわかりました。 [ 24 ] [ 25 ]したがって、2002 年の米国の備蓄 10 万標準 m 3 [ 23 ]には、約12 ～ 43 キログラム (26 ～ 95ポンド)のヘリウム 3 が含まれていたことになります。米国の物理学者リチャード ガーウィンによると、米国の天然ガス流から分離するために、年間約26 立方メートル (920立方フィート)またはほぼ5 キログラム (11ポンド)の3 He が利用可能です。3 Heを分離するプロセスで、通常大量輸送や貯蔵に使用される液化ヘリウムを原料として使用できるとすると、追加エネルギーコストの見積もりは、 インフラと設備のコストを除いて、34～300 /L NTP。 [ 24 ]アルジェリアの年間ガス生産量は1億標準立方メートルと想定されており[ 23 ]、これは7 および 24 m 3のヘリウム 3 (約1～4 kg）同様の3He分率を仮定。
3 He は地球の大気中にも存在します。大気中のヘリウム中の3 Heの自然存在比は1.37 × 10⁻⁶ ( 1.37 ppm)。[ 1 ]地球大気中のヘリウムの分圧は約0.52 Paであり、したがってヘリウムは全圧力の 5.2 ppm を占める ( 地球の大気には101 325 Paの3が存在し、したがって大気の 7.2 ppt を占めています。地球の大気の質量は約 101 325 Pa です。5.14 × 10 18 kg、[ 26 ]地球の大気中の3 Heの質量は、これらの数値とヘリウム 3 と空気の分子量比 (3.016 対 28.95) の積であり、地球の大気中のヘリウム 3 の質量は 3815トンとなります。
3ヘリウムは地球上で、リチウムの核破砕、宇宙線、トリチウム（3 H）のベータ崩壊の3つの発生源から生成されます。宇宙線による寄与は、最も古いレゴリス物質を除いてすべて無視できるほど小さく、リチウムの核破砕反応による寄与は、アルファ粒子放出による4ヘリウムの生成よりも小さいです。
マントル中のヘリウム3の総量は0.1～1メガトンの範囲である可能性がある。ヘリウム3の一部はハワイ諸島などの深部起源のホットスポット火山を通って上昇するが、 年間300 gが大気中に放出される。中央海嶺から は年間3 kg が放出される。沈み込み帯周辺では、さまざまな発生源から天然ガス鉱床にヘリウム 3 が生成され、そこにはおそらく 1,000 トンのヘリウム 3 が含まれている (ただし、すべての古代の沈み込み帯にそのような鉱床があるとすれば 25,000 トンになる可能性がある)。ウィッテンバーグは、米国の地殻天然ガス源には合計でわずか 0.5 トンしかない可能性があると推定した。[ 27 ]ウィッテンバーグは、アンダーソンによる海底の惑星間塵粒子にさらに 1,200 トンのヘリウム 3 が含まれているという推定を引用した。[ 28 ] 1994 年の研究では、これらの発生源からヘリウム 3 を抽出するには、核融合で放出されるエネルギーよりも多くのエネルギーを消費する。[ 29 ]
月の表面にある物質には、日光の当たる場所では1.4 ～ 15 ppbの濃度のヘリウム 3 が含まれており、 [ 30 ] [ 31 ]永久影領域では最大 50 ppb の濃度が含まれている可能性があります。 [ 9 ] 1986 年のジェラルド クルチンスキー[ 32 ]を皮切りに、多くの人々が月を探査し、月のレゴリスを採掘してヘリウム 3 を核融合に利用することを提案してきました。ヘリウム 3 の濃度が低いため、採掘装置は非常に大量のレゴリスを処理する必要があり (1 グラムのヘリウム 3 を得るには 150 トン以上のレゴリスが必要)。[ 33 ]
2008年10月22日に打ち上げられたインド宇宙研究機関初の月探査機チャンドラヤーン1号の主な目的は、ヘリウム3を含む鉱物を求めて月の表面をマッピングすることだと一部の情報源で報じられた。[ 34 ]このプロジェクトの公式目標リストにはそのような目的は記載されていないが、搭載された科学ペイロードの多くはヘリウム3関連の用途を持っていた。[ 35 ] [ 36 ]
中国科学院の宇宙化学者で地球化学者の欧陽子源氏は、現在中国の月探査計画の責任者を務めているが、同計画の主な目標の一つはヘリウム3の採掘であり、その採掘によって「毎年3回のスペースシャトルミッションで世界中の全人類に必要な燃料を供給できる」と何度も述べている。[ 37 ]
2006年1月、ロシアの宇宙企業RKKエネルギアは、資金が見つかれば、月のヘリウム3を2020年までに採掘する可能性のある経済資源と見なしていると発表した。 [ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]
月面ヘリウム3の抽出が実現可能だと考える著者は全員ではないし、核融合のために需要があると考える著者もいない。ドウェイン・デイは2015年に『ザ・スペース・レビュー』誌に寄稿し、核融合に用いるための月面からのヘリウム3抽出を、実証されていない技術に関する非現実的な考えだと評し、地球上での生産と比較して月面からの抽出の実現可能性に疑問を呈している。[ 41 ]
ガス惑星からヘリウム3を採掘することも提案されている。 [ 42 ]例えば、英国惑星間協会の仮説的なプロジェクト・ダイダロス星間探査機の設計では、木星の大気中のヘリウム3鉱山が燃料として使用される予定だった。
太陽星雲における3 He と4 Heの原始的な比率の初期の推定値の一つは、ガリレオ大気突入プローブの質量分析計によって測定された木星大気中の比率の測定である。この比率は約 1:10000 [ 43 ] 、つまり4 He の100 分の3 Heである。これは、28 ppm のヘリウム 4 と 2.8 ppb のヘリウム 3を含む月のレゴリスの同位体の比率とほぼ同じである(これは、約 1.4 ppb から 15 ppb まで変動する実際のサンプル測定値の下限である)。地球上の同位体の比率は 100 分の 1 に低下しているが、これは主に、数十億年にわたるウラン、トリウム、およびそれらの崩壊生成物と消滅した放射性核種からのアルファ崩壊によってマントル中のヘリウム 4 ストックが濃縮されたためである。
現在、産業界で使用されるヘリウム3は、天然存在量が非常に少なく、コストも非常に高いため、ほぼ全てトリチウムの放射性崩壊によって製造されている。
米国におけるヘリウム3の生産、販売、流通は、米国エネルギー省（DOE）のDOE同位体プログラムによって管理されている。[ 44 ]
トリチウムの半減期には実験的に決定されたいくつかの異なる値があるが、NISTは4500 ± 8 日(12.32 ± 0.02 年）。[ 45 ]この核反応式に示すように、ベータ崩壊によってヘリウム 3 に崩壊します。
放出されたエネルギーの総量の中で18.6 keVでは、電子の運動エネルギーが占める割合は変化し、平均は5.7 keV のエネルギーが放出され、残りのエネルギーは検出不可能な電子反ニュートリノによって運ばれます。 トリチウムからのベータ粒子は空気を約6.0 ミリメートル (0.24インチ)しか透過できず、人間の皮膚の死んだ最外層を通過することはできません。[ 46 ]トリチウムのベータ崩壊で放出されるエネルギーが異常に低いため、この崩壊 (レニウム 187の崩壊とともに) は実験室での絶対ニュートリノ質量測定に適しています (最新の実験はKATRINです)。
トリチウムの放射線エネルギーが低いため、液体シンチレーション計数法を用いない限り、トリチウム標識化合物を検出することは困難である。
トリチウムは水素の放射性同位体であり、通常は原子炉内でリチウム6に中性子を照射することによって生成されます。リチウム原子核は中性子を吸収し、ヘリウム4とトリチウムに分裂します。トリチウムは半減期1000でヘリウム3に崩壊します。12.3 年という寿命を持つため、トリチウムが放射性崩壊するまで貯蔵するだけでヘリウム3を生成できます。トリチウムは酸素と安定な化合物（トリチウム水）を形成しますが、ヘリウム3は形成しないため、貯蔵・回収プロセスでは、貯蔵された物質から放出される物質を継続的に回収することができます。
トリチウムは核兵器の重要な構成要素であり、歴史的に見ても主にこの用途のために生産・備蓄されてきた。トリチウムがヘリウム3に崩壊すると核融合弾頭の爆発力が低下するため、蓄積されたヘリウム3は定期的に弾頭貯蔵庫や保管庫のトリチウムから除去する必要がある。この過程で除去されたヘリウム3は、他の用途向けに販売されている。
数十年にわたり、これは世界のヘリウム3の主要な供給源であり、現在もそうである。[ 47 ] 1991年のSTART I条約の署名以来、使用可能な核弾頭の数は減少している。[ 48 ] [ 49 ]これにより、この供給源から入手可能なヘリウム3の量が減少した。ヘリウム3の備蓄は、主に中性子線検出器や医療診断手順での使用を目的とした需要の増加により、さらに減少している。 [ 24 ]米国の産業におけるヘリウム3の需要はピークに達した。70,000リットル （約2008年には年間8 kg）でした。オークション価格は、歴史的に1リットルあたり約100ドルでしたが、1リットルあたり2000ドルにまで上昇しました。[ 50 ]それ以来、高コストとDOEによるリサイクルと代替品の探索の努力により、ヘリウム3の需要は年間約6000リットル に減少しました。密度を仮定すると、114 g/m 3 のヘリウム 3 は $100/L で、トリチウムの約 30 分の 1 の価格になります (約 $880/g 対約 $ヘリウム3は1グラムあたり30,000ドルであるのに対し、1リットルあたり2,000ドルであれば、トリチウム（1リットルあたり30,000ドル）の約半分の価格となる。17,540 / g 対 $30,000 /g）。
DOEはトリチウムとヘリウム3の両方の不足が深刻化していることを認識し、2010年にテネシー渓谷開発公社のワッツバー原子力発電所でリチウム照射によるトリチウムの生産を開始しました。 [ 24 ]このプロセスでは、通常のホウ素制御棒の代わりに、セラミック状のリチウムを含むトリチウム生成可燃性吸収棒（TPBAR）が原子炉に挿入されます。[ 51 ]定期的にTPBARが交換され、トリチウムが抽出されます。
現在、トリチウム生産に使用されている商用原子炉はワッツバー原子力発電所1号機と2号機の2基のみですが、必要に応じて、国内の発電用原子炉をさらに利用することで、考えられるあらゆる需要を満たすためにプロセスを大幅に拡大することができます。CANDU原子炉 の重水減速材からも相当量のトリチウムとヘリウム3を抽出することができます。[ 24 ] [ 52 ]重水炉の保有数が最も多いインドとカナダは、減速材/冷却材の重水からトリチウムを抽出していることが知られていますが、その量は世界のトリチウムまたはヘリウム3の需要を満たすには到底足りません。
軽水炉のさまざまなプロセスでトリチウムも意図せず生成されるため（詳細はトリチウムを参照）、これらの発生源からの抽出はヘリウム3の別の発生源となる可能性がある。ラ・アーグ再処理施設のトリチウムの年間排出量（2018年のデータに基づく）を基準とすると、排出される量（31.2 グラム（ラ・アーグ）は、100％の回収が達成されたとしても、需要を満たすには到底十分ではない。
ヘリウム3は、表面ダイナミクスのスピンエコー実験を行うために使用でき、ケンブリッジのキャベンディッシュ研究所の表面物理グループとスウォンジー大学の化学科で現在進行中である。
ヘリウム3は、中性子検出装置において重要な同位体である。熱中性子ビームに対する吸収断面積が大きく、中性子検出器の変換ガスとして使用される。中性子は核反応によって変換される。
トリチウムイオン（T、3H）と水素イオン、または陽子（p、1H ）の荷電粒子に分解され、比例計数管またはガイガー・ミュラー管の阻止ガス中に電荷雲を生成することによって検出される。[ 55 ]
さらに、吸収プロセスはスピンに強く依存するため、スピン偏極したヘリウム3の体積は、一方のスピン成分を持つ中性子を透過させ、もう一方のスピン成分を持つ中性子を吸収することができます。この効果は、物質の磁気特性を調べる技術である中性子偏極分析に利用されています。 [ 56 ] [ 57 ] [ 58 ] [ 59 ]
米国国土安全保障省は、輸送コンテナ内のプルトニウムの密輸を中性子放出によって検出する検出器を配備することを望んでいたが、冷戦後の核兵器生産の縮小に伴う世界的なヘリウム3の不足により、ある程度これが妨げられた。[ 60 ] 2012年現在、国土安全保障省は、ホウ素10の商業供給により、中性子検出インフラをその技術に転換できると判断した。[ 61 ]
ヘリウム3冷凍機は、実験物理学において約0.2ケルビンまで温度を下げるために使用される装置です。[ 62 ] 1Kポットは、ヘリウム4の蒸発冷却によって、ヘリウム3ポットと呼ばれる小さな容器内の少量のヘリウム3を液化します。液体ヘリウム3の低圧蒸発冷却は、通常、ヘリウム3が高価であるため損失を避けるために密閉系に封入されているため、吸着によって駆動され、ヘリウム3ポットを1ケルビン未満まで冷却します。
希釈冷凍機は、ヘリウム3とヘリウム4の混合物を使用して、数千分の1ケルビンという極低温に到達します。 [ 63 ]ヘリウム3は、超伝導量子コンピューティングの主要な冷却剤です。[ 64 ]
ヘリウム3原子核は、固有核スピンが1/2ħであり、比較的高い磁気回転比を持つ。このため、核磁気共鳴（NMR）を用いてヘリウム3を観測することが可能である。この分析手法は、通常3He -NMRと呼ばれ、ヘリウム含有化合物の同定に利用できる。しかしながら、ヘリウム4に比べてヘリウム3の存在量が少ないため、NMR活性を持たないヘリウム4の存在量と比較して、この手法には限界がある。
ヘリウム3は、スピン交換光ポンピングなどの非平衡手段を用いて超偏極化することができる。 [ 65 ]この過程では、適切な波長に調整された円偏光赤外レーザー光を用いて、密閉されたガラス容器内のセシウムやルビジウムなどのアルカリ金属中の電子を励起する。角運動量は、衝突によってアルカリ金属の電子から希ガス原子核に伝達される。本質的に、このプロセスは核スピンを磁場と効果的に整列させ、NMR信号を強化する。
超偏極ガスは、10気圧の圧力で最大100時間保存できます。吸入後、超偏極ヘリウム3ガスを含む混合ガスをMRIスキャナで画像化することで、肺換気の解剖学的および機能的画像を作成できます。この技術は、気道樹の画像を作成したり、換気されていない欠損部を特定したり、肺胞酸素分圧を測定したり、換気/灌流比を測定したりすることもできます。この技術は、慢性閉塞性肺疾患（COPD）、肺気腫、嚢胞性線維症、喘息などの慢性呼吸器疾患の診断と治療管理に重要になる可能性があります。[ 66 ]
ヘリウム原子、あるいは2つのヘリウム原子がフラーレンのようなケージに包まれているため、この元素のNMR分光法は、その周囲の炭素骨格の変化を感度よく検出するプローブとなり得る。[ 67 ] [ 68 ]炭素13 NMRを用いてフラーレン自体を分析することは、最も単純で対称性の高い構造以外では、炭素間の微妙な違いが非常に多いため複雑である。
MITのAlcator C-ModトカマクとJoint European Torus（JET）はどちらも、水素イオンと重水素イオンを加熱するための高周波（RF）エネルギーの吸収を増やすために、H-Dプラズマに少量のヘリウム3を加える実験を行っており、これは「3イオン」効果と呼ばれています。[ 69 ] [ 70 ]
3 He は、(Dp) 2 H + 1 p → 3 He + γ + 4.98 MeVの低温核融合によって生成できます 。核融合温度がヘリウム原子核が融合する温度よりも低い場合、この反応によって高エネルギーのアルファ粒子が生成され、それがすぐに電子を獲得して安定した軽いヘリウムイオンを生成します。このイオンは、危険な中性子を生成することなく、直接電力源として利用できます。
3 He は、 2 H + 3 He → 4 He + 1 p + 18.3 MeVまたは3 He + 3 He → 4 He + 2 1 p + 12.86のいずれかの反応によって核融合反応に使用できます。
従来の重水素＋三重水素（「D–T」）核融合プロセスでは、高エネルギーの中性子が生成され、原子炉の構成要素が放射化生成物によって放射性になります。ヘリウム3核融合の魅力は、その反応生成物が中性子を生成しない点にあります。ヘリウム3自体は非放射性です。唯一の高エネルギー副産物である陽子は、電場と磁場によって閉じ込めることができます。この陽子（核融合プロセスで生成されたもの）の運動エネルギーは、閉じ込められた電磁場と相互作用し、直接的な正味の発電につながります。[ 76 ]
クーロン障壁が高いため、 2H + 3He核融合に必要な温度は、従来のD–T核融合に必要な温度よりもはるかに高くなります。さらに、両方の反応物を混合して融合させる必要があるため、同じ反応物の原子核間で反応が起こり、D–D反応（2H + 2H）では中性子が生成されます。反応速度は温度によって変化しますが、D– 3He反応速度はD–D反応速度の3.56倍を超えることはありません（グラフ参照）。したがって、適切な温度でD–3He燃料とDの少ない燃料混合物を使用した核融合では、D –T核融合よりもはるかに低い中性子束を生成できますが、クリーンではないため、主な魅力の一部が失われます。
2番目の可能性である 3He 同士の融合( 3He + 3He )は、さらに高い温度 (両方の反応物が +2 の電荷を持つため) を必要とするため、D-3He 反応よりもさらに困難です。この反応は中性子を生成しない理論上の反応であり、生成された荷電陽子は電場と磁場に閉じ込められ、それが直接電気を生成します。3He + 3He核融合は実験室で実証されているように実現可能であり、大きな利点がありますが、商業的に実現可能になるのは何年も先のことです。[ 77 ]
従来の燃料の代替として必要なヘリウム 3 の量は、現在入手可能な量と比較して相当な量である。 2 D + 3 He反応で生成されるエネルギーの総量は18.4 MeV であり、これは3 He 3グラム(1モル)あたり約 493メガワット時(4.93×10 8 W·h)に相当する。 エネルギーの総量を 100% の効率で電力に変換できると仮定すると (物理的に不可能)、 3 He 1モルあたりギガワット発電所の約 30 分間の出力に相当する。 したがって、1 年間の生産 (1 時間の運転につき 6 グラム) には 52.5 キログラムのヘリウム 3 が必要となる。 大規模な用途に必要な燃料の量は、総消費量の観点からも表すことができる。2001 年に米国の 1 億 700 万世帯の電力消費量は合計1,140億kW·h (1.14 × 10 15 W⋅h )。ここでも変換効率を 100% と仮定すると、米国のエネルギー需要のその部分には年間 6.7トンのヘリウム 3 が必要となり、より現実的なエンドツーエンドの変換効率を考慮すると年間 15 ～ 20 トンになります。
制御型核融合発電の第2世代アプローチでは、ヘリウム3と重水素2Dを結合させます。この反応により、アルファ粒子と高エネルギー陽子が生成されます。発電やその他の用途におけるこの核融合反応の最も重要な潜在的利点は、静電場を用いて燃料イオンと核融合陽子を制御することとの互換性にあります。高速陽子は正電荷を持つ粒子であるため、固体変換材料やその他の技術を用いることで、その運動エネルギーを直接電気エネルギーに変換できます。タービン駆動の発電機を駆動するために陽子エネルギーを熱に変換する必要がないため、70%の変換効率が実現する可能性があります。
ヘリウム3発電所の能力については多くの主張がなされてきた。支持者によれば、重水素とヘリウム3で稼働する核融合発電所は、技術的な複雑さが少なく、変換効率が高く、規模が小さく、放射性燃料がなく、大気や水質汚染がなく、低レベル放射性廃棄物の処理要件のみであるため、競合する発電所よりも設備投資と運転コストが低くなる。最近の推定では、最初のヘリウム3核融合発電所の開発と建設には約60億ドルの投資資本が必要になるとされている。現在の卸売電力価格（1キロワット時あたり5米セント）で損益分岐点に達するのは、5つの1ギガワット発電所が稼働し、古い従来の発電所を置き換えるか、新しい需要を満たす場合である。[ 79 ]
現実はそれほど単純ではない。世界で最も先進的な核融合プログラムは、慣性閉じ込め核融合（国立点火施設など）と磁気閉じ込め核融合（ ITERやヴェンデルシュタイン7-Xなど）である。前者の場合、発電への確固たるロードマップはない。後者の場合、商業発電は2050年頃まで期待されていない。[ 80 ]どちらの場合も、議論されている核融合の種類は最も単純なD-T核融合である。その理由は、この反応のクーロン障壁が非常に低いからである。D+ 3Heの場合、障壁ははるかに高く、3He-3Heの場合はさらに高い。ITERや国立点火施設のような原子炉の莫大なコストは、主にその巨大なサイズによるものであるが、より高いプラズマ温度にスケールアップするには、さらにずっと大きな原子炉が必要になるだろう。 D– 3He核融合では、14.7 MeVの陽子と3.6 MeVのアルファ粒子が生成され、さらに変換効率も高いため、D–T核融合（17.6 MeV）よりも1キログラムあたりの発電量は多くなりますが、それほど大きな差はありません。さらに、ヘリウム3核融合反応の反応速度はそれほど高くないため、同じ量の電力を生成するには、さらに大型の原子炉、あるいはより多くの原子炉が必要になります。
D–T 核融合では経済的にならない可能性さえある巨大な発電所の問題を回避しようと試み、さらに困難な D– 3 He 核融合ではなおさら、Fusor 、Polywell、Focus fusionなど、他の多くの原子炉が提案されているが、これらの概念の多くは、正味のエネルギー利得を達成する上で根本的な問題を抱えており、一般的に熱的不均衡での核融合を達成しようとしているが、これは潜在的に不可能であることが判明する可能性があり、[ 81 ]その結果、これらの実現可能性の低いプログラムは、予算が少ないにもかかわらず、資金を集めるのに苦労する傾向がある。このようなシステムが機能すれば、「大型」で「高温」の核融合システムとは異なり、より高い障壁の無中性子燃料にスケールアップできるため、その支持者は、ヘリウム 3 などの特殊な燃料を必要としないpB 核融合を推進する傾向がある。
ヘリウム 3 採掘への信仰は、有人宇宙飛行への大きな熱狂に組み込まれた神話の好例であり、ささやかれるものの、実際に議論されることはめったにない魔法の呪文である。