Helio-3

Una propiedad importante de los átomos de helio-3, que los distingue del helio-4 más común, es que contienen un número impar de partículas de espín 1/2 y, por lo tanto , son fermiones compuestos . Esto es un resultado directo de las reglas de suma para el momento angular cuantizado. En contraste, los átomos de helio-4 son bosones , que contienen un número par de partículas de espín 1/2 . A bajas temperaturas (alrededor de 2,17 K), el helio-4 experimenta una transición de fase : una fracción de él entra en una fase superfluida que puede entenderse aproximadamente como un tipo de condensado de Bose-Einstein . Este mecanismo no está disponible para los átomos fermiónicos de helio-3. Muchos especularon que el helio-3 también podría convertirse en superfluido a temperaturas mucho más bajas, si los átomos formaran pares análogos a los pares de Cooper en la teoría BCS de la superconductividad . Cada par de Cooper, con espín entero, puede considerarse como un bosón. Durante la década de 1970, David Lee , Douglas Osheroff y Robert Coleman Richardson descubrieron dos transiciones de fase a lo largo de la curva de fusión, que pronto se identificaron como las dos fases superfluídas del helio-3. ^{[ 16 ] [ 17 ]} La transición a un estado superfluido ocurre a 2,491 milikelvins en la curva de fusión. Fueron galardonados con el Premio Nobel de Física de 1996 por su descubrimiento. Alexei Abrikosov , Vitaly Ginzburg y Tony Leggett ganaron el Premio Nobel de Física de 2003 por su trabajo en el perfeccionamiento de la comprensión de la fase superfluída del helio-3. ^{[ 18 ]} 

En ausencia de campo magnético, existen dos fases superfluídas distintas del ^³He : la fase A y la fase B. La fase B corresponde a baja temperatura y baja presión, y posee una brecha de energía isotrópica. La fase A corresponde a mayor temperatura y presión, y se estabiliza aún más mediante un campo magnético, presentando dos nodos puntuales en su brecha. La presencia de estas dos fases indica claramente que ^{el ³He} es un superfluido (superconductor) no convencional, ya que su existencia requiere la ruptura de una simetría adicional, distinta de la simetría de gauge. De hecho, se trata de un superfluido de onda p, con espín uno, S = 1 ħ , y momento angular uno, L = 1 ħ . El estado fundamental corresponde a un momento angular total cero, J = S + L = 0 (suma vectorial). Los estados excitados son posibles con un momento angular total distinto de cero, J > 0 , que corresponden a modos colectivos de pares excitados. Estos modos colectivos se han estudiado con mucha mayor precisión que en cualquier otro sistema de apareamiento no convencional, debido a la extrema pureza del ³He superfluido ^. Esta pureza se debe a que todas las fases de ^⁴He se separan por completo y todos los demás materiales se solidifican y se depositan en el fondo del líquido, lo que convierte a las fases A y B del ^³He en el estado de materia condensada más puro posible.

^{El ³He es una sustancia primordial en el} manto terrestre , que se cree que quedó atrapada durante la formación inicial del planeta. La proporción de ^³He a ^⁴He en la corteza y el manto terrestres es menor que la del disco solar (según estimaciones basadas en muestras de meteoritos y lunares), y los materiales terrestres generalmente contienen proporciones más bajas de ^³He / ^⁴He debido a la producción de ^⁴He por desintegración radiactiva.

³ He tiene una proporción cosmológica de 300 átomos por millón de átomos de ⁴ He, ^{[ 19 ]} lo que lleva a suponer que la proporción original de estos gases primordiales en el manto era de alrededor de 200–300  ppm cuando se formó la Tierra. A lo largo de la historia de la Tierra, se ha generado una cantidad significativa de ^{4 He por la} desintegración alfa del uranio, el torio y otros isótopos radiactivos, hasta el punto de que solo alrededor del 7% del helio que ahora está en el manto es helio primordial, ^{[ 19 ]} lo que reduce la proporción total de ³ He: ⁴ He a alrededor de 20 ppm. Las proporciones de ³ He: ⁴ He que exceden la proporción atmosférica son indicativas de una contribución de ³ He del manto. Las fuentes corticales están dominadas por el ⁴ He producido por desintegración radiactiva.

La proporción de helio-3 a helio-4 en fuentes naturales terrestres varía considerablemente. ^{[ 20 ] [ 21 ]} Se encontró que muestras del mineral de litio espodumeno de la mina Edison, Dakota del Sur, contenían 12 partes de helio-3 por un millón de partes de helio-4. Las muestras de otras minas mostraron 2 partes por millón. ^{[ 20 ]}

El helio en sí está presente hasta en un 7% en algunas fuentes de gas natural, ^{[ 22 ]} y las grandes fuentes tienen más del 0,5% (por encima del 0,2% es viable extraerlo). ^{[ 23 ]} Se encontró que la fracción de ^3He en el helio separado del gas natural en los EE. UU. oscilaba entre 70 y 242 partes por mil millones. ^{[ 24 ] [ 25 ]} Por lo tanto, la reserva de EE. UU. de 2002 de 1000 millones de m³ normales ^{[ 23 ] habría} contenido entre 12 y 43 kilogramos (26 a 95 lb) de helio-3. Según el físico estadounidense Richard Garwin , hay disponibles anualmente unos 26 metros cúbicos (920 pies cúbicos ) o casi 5 kilogramos (11 lb) de ^3He para su separación del flujo de gas natural de EE. UU. Si el proceso de separación del ^3He pudiera emplear como materia prima el helio licuado que se usa normalmente para transportar y almacenar grandes cantidades, las estimaciones para el costo energético incremental oscilan entre    34 a 300  /L NTP, excluyendo el costo de infraestructura y equipo. ^{[ 24 ]} Se supone que la producción anual de gas de Argelia contiene 100 millones de metros cúbicos normales ^{[ 23 ]} y esto contendría entre7 y 24  m³ de ^helio -3 (aproximadamentede 1 a 4  kg ) suponiendo una fracción de ^{3He similar.}

^3He también está presente en la atmósfera terrestre . La abundancia natural de ^3He en el helio atmosférico es1,37 × 10 ⁻⁶ (1,37 partes por millón). ^{[ 1 ]} La presión parcial del helio en la atmósfera terrestre es aproximadamente0,52  Pa y, por lo tanto, el helio representa 5,2 partes por millón de la presión total (101 325  Pa ) en la atmósfera terrestre, y ³ He representa así 7,2 partes por billón de la atmósfera. Dado que la atmósfera de la Tierra tiene una masa de aproximadamente5,14 × 10 ¹⁸  kg , ^{[ 26 ]} la masa de ³ He en la atmósfera terrestre es el producto de estos números y la relación de peso molecular del helio-3 con el aire (3,016 a 28,95), lo que da una masa de 3815 toneladas de helio-3 en la atmósfera terrestre.

^{El ³He} se produce en la Tierra a partir de tres fuentes: espalación de litio , rayos cósmicos y desintegración beta del tritio ( ^³H ). La contribución de los rayos cósmicos es insignificante en todos los materiales, excepto en los más antiguos, y las reacciones de espalación de litio contribuyen en menor medida que la producción de ^⁴He por emisiones de partículas alfa .

La cantidad total de helio-3 en el manto puede estar en el rango de 0,1 a 1 megatoneladas . Parte del helio-3 encuentra su camino hacia arriba a través de volcanes de puntos calientes de origen profundo como los de las islas hawaianas , pero solo Se emiten 300 g al año a la atmósfera. Las dorsales oceánicas emiten otros 3  kg al año. Alrededor de las zonas de subducción , diversas fuentes producen helio-3 en depósitos de gas natural que posiblemente contengan mil toneladas de helio-3 (aunque podría haber 25 mil toneladas si todas las zonas de subducción antiguas tuvieran tales depósitos). Wittenberg estimó que las fuentes de gas natural de la corteza de Estados Unidos podrían tener solo media tonelada en total. ^{[ 27 ]} Wittenberg citó la estimación de Anderson de otras 1200 toneladas en partículas de polvo interplanetario en los fondos oceánicos. ^{[ 28 ]} En el estudio de 1994, la extracción de helio-3 de estas fuentes consume más energía de la que liberaría la fusión. ^{[ 29 ]}

Los materiales de la superficie lunar contienen helio-3 en concentraciones de entre 1,4 y 15 ppb en zonas iluminadas por el sol, ^{[ 30 ] [ 31 ]} y pueden contener concentraciones de hasta 50 ppb en regiones permanentemente sombreadas. ^{[ 9 ]} Varias personas, comenzando con Gerald Kulcinski en 1986, ^{[ 32 ]} han propuesto explorar la Luna , extraer regolito lunar y utilizar el helio-3 para la fusión . Debido a las bajas concentraciones de helio-3, cualquier equipo de extracción necesitaría procesar cantidades extremadamente grandes de regolito (más de 150 toneladas de regolito para obtener un gramo de helio-3). ^{[ 33 ]}

Según algunas fuentes, el objetivo principal de la primera sonda lunar de la Organización India de Investigación Espacial , llamada Chandrayaan-1 , lanzada el 22 de octubre de 2008, era cartografiar la superficie lunar en busca de minerales que contuvieran helio-3. ^{[ 34 ]} Dicho objetivo no se menciona en la lista oficial de objetivos del proyecto, aunque muchas de sus cargas útiles científicas han tenido aplicaciones relacionadas con el helio-3. ^{[ 35 ] [ 36 ]}

El cosmoquímico y geoquímico Ouyang Ziyuan, de la Academia China de Ciencias, quien actualmente está a cargo del Programa Chino de Exploración Lunar, ya ha declarado en numerosas ocasiones que uno de los principales objetivos del programa sería la extracción de helio-3, a partir de cuya operación "cada año, tres misiones del transbordador espacial podrían traer suficiente combustible para todos los seres humanos del mundo". ^{[ 37 ]}

En enero de 2006, la empresa espacial rusa RKK Energiya anunció que considera el helio-3 lunar un recurso económico potencial que se puede extraer para 2020, ^{[ 38 ]} si se consigue financiación. ^{[ 39 ] [ 40 ]}

No todos los autores consideran factible la extracción de helio-3 lunar, ni siquiera creen que vaya a haber demanda para su uso en la fusión nuclear. Dwayne Day , en un artículo publicado en The Space Review en 2015, califica la extracción de helio-3 de la Luna para su uso en la fusión como una ilusión basada en una tecnología no probada, y cuestiona la viabilidad de la extracción lunar en comparación con la producción en la Tierra. ^{[ 41 ]}

También se ha propuesto extraer helio-3 de los gigantes gaseosos . ^{[ 42 ]} Por ejemplo, el diseño hipotético de la sonda interestelar Proyecto Dédalo de la Sociedad Interplanetaria Británica se alimentaba de minas de helio-3 en la atmósfera de Júpiter .

Una estimación temprana de la proporción primordial de ^3He a ^4He en la nebulosa solar ha sido la medición de su proporción en la atmósfera de Júpiter, medida por el espectrómetro de masas de la sonda de entrada atmosférica Galileo. Esta proporción es de aproximadamente 1:10000, ^{[ 43 ]} o 100 partes de ^3He por millón de partes de ^4He . Esta es aproximadamente la misma proporción de los isótopos que en el regolito lunar , que contiene 28  ppm de helio-4 y 2,8  ppb de helio-3 (que está en el extremo inferior de las mediciones de muestras reales, que varían de aproximadamente 1,4 a 15  ppb). Las proporciones terrestres de los isótopos son más bajas en un factor de 100, principalmente debido al enriquecimiento de las reservas de helio-4 en el manto por miles de millones de años de desintegración alfa del uranio , el torio , así como sus productos de desintegración y radionúclidos extintos .

Prácticamente todo el helio-3 que se utiliza hoy en día en la industria se produce a partir de la desintegración radiactiva del tritio , dada su bajísima abundancia natural y su altísimo coste.

La producción, venta y distribución de helio-3 en los Estados Unidos son gestionadas por el Programa de Isótopos del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) . ^{[ 44 ]}

Si bien el tritio tiene varios valores diferentes determinados experimentalmente de su vida media , el NIST enumera4500 ± 8  días (12,32 ± 0,02  años ). ^{[ 45 ]} Se desintegra en helio-3 por desintegración beta como en esta ecuación nuclear:

Entre la energía total liberada de18,6  keV , la parte que toma la energía cinética del electrón varía, con un promedio de5,7  keV , mientras que la energía restante es transportada por el antineutrino electrónico casi indetectable . Las partículas beta del tritio pueden penetrar solo unos 6,0 milímetros (0,24 pulgadas) de aire, y son incapaces de atravesar la capa más externa muerta de la piel humana. ^{[ 46 ]} La energía inusualmente baja liberada en la desintegración beta del tritio hace que la desintegración (junto con la del renio-187 ) sea apropiada para mediciones absolutas de masa de neutrinos en el laboratorio (el experimento más reciente es KATRIN ). 

La baja energía de la radiación del tritio dificulta la detección de compuestos marcados con tritio, excepto mediante el uso de recuento por centelleo líquido .

El tritio es un isótopo radiactivo del hidrógeno y se produce típicamente bombardeando litio-6 con neutrones en un reactor nuclear. El núcleo de litio absorbe un neutrón y se divide en helio-4 y tritio. El tritio se desintegra en helio-3 con una vida media de12,3  años , por lo que el helio-3 se puede producir simplemente almacenando el tritio hasta que sufra desintegración radiactiva. Dado que el tritio forma un compuesto estable con el oxígeno ( agua tritiada ), mientras que el helio-3 no, el proceso de almacenamiento y recolección podría recoger continuamente el material que se desgasifica del material almacenado.

El tritio es un componente fundamental de las armas nucleares y, tradicionalmente, su producción y almacenamiento se destinaban principalmente a este fin. La desintegración del tritio en helio-3 reduce la potencia explosiva de la ojiva de fusión, por lo que periódicamente es necesario extraer el helio-3 acumulado de los depósitos de ojivas y el tritio almacenado. El helio-3 extraído durante este proceso se comercializa para otras aplicaciones.

Durante décadas, esta ha sido, y sigue siendo, la principal fuente mundial de helio-3. ^{[ 47 ]} Desde la firma del Tratado START I en 1991, el número de ojivas nucleares que se mantienen listas para su uso ha disminuido. ^{[ 48 ] [ 49 ]} Esto ha reducido la cantidad de helio-3 disponible de esta fuente. Las reservas de helio-3 se han visto aún más disminuidas por el aumento de la demanda, ^{[ 24 ]} principalmente para su uso en detectores de radiación de neutrones y procedimientos de diagnóstico médico. La demanda industrial estadounidense de helio-3 alcanzó un pico de70 000  litros (aproximadamente8  kg ) por año en 2008. El precio en subasta, históricamente alrededor de $100 por litro, llegó a alcanzar hasta $2000 por litro. ^{[ 50 ]} Desde entonces, la demanda de helio-3 ha disminuido a unos 6000 litros por año debido al alto costo y a los esfuerzos del DOE para reciclarlo y encontrar sustitutos. Suponiendo una densidad de114  g/m³ ^a $100/L de helio-3 sería aproximadamente una trigésima parte de caro que el tritio (aproximadamente $880/g frente a aproximadamente $30 000 por gramo), mientras que a 2000 dólares por litro, el helio-3 sería aproximadamente la mitad de caro que el tritio (17 540 /g frente a $30 000 /g).

El DOE reconoció la creciente escasez de tritio y helio-3, y comenzó a producir tritio mediante irradiación de litio en la central nuclear Watts Bar de la Autoridad del Valle de Tennessee en 2010. ^{[ 24 ]} En este proceso, se insertan en el reactor barras absorbentes quemables productoras de tritio (TPBAR) que contienen litio en forma cerámica, en lugar de las barras de control de boro normales. ^{[ 51 ]} Periódicamente, las TPBAR se reemplazan y se extrae el tritio.

Actualmente, solo dos reactores nucleares comerciales (las unidades 1 y 2 de la planta nuclear de Watts Bar) se utilizan para la producción de tritio, pero el proceso podría, de ser necesario, ampliarse enormemente para satisfacer cualquier demanda imaginable simplemente utilizando más reactores de potencia del país. También se podrían extraer cantidades sustanciales de tritio y helio-3 del moderador de agua pesada en los reactores nucleares CANDU . ^{[ 24 ] [ 52 ]} Se sabe que India y Canadá, los dos países con la mayor flota de reactores de agua pesada , extraen tritio del agua pesada moderadora/refrigerante, pero esas cantidades no son suficientes para satisfacer la demanda mundial de tritio o helio-3.

Como el tritio también se produce inadvertidamente en varios procesos en reactores de agua ligera (ver Tritio para más detalles), la extracción de esas fuentes podría ser otra fuente de helio-3. Si se toma como base la descarga anual de tritio (según cifras de 2018) en la planta de reprocesamiento de La Hague , las cantidades descargadas (Los 31,2  g registrados en La Hague no son ni de lejos suficientes para satisfacer la demanda, incluso si se logra una recuperación del 100 %.

El helio-3 puede utilizarse para realizar experimentos de eco de espín sobre la dinámica de superficies , que están en marcha en el Grupo de Física de Superficies del Laboratorio Cavendish en Cambridge y en el Departamento de Química de la Universidad de Swansea .

El helio-3 es un isótopo importante en la instrumentación para la detección de neutrones . Tiene una alta sección transversal de absorción para haces de neutrones térmicos y se utiliza como gas convertidor en detectores de neutrones. El neutrón se convierte a través de la reacción nuclear.

n + ³ He → ³ H + ¹ H + 0,764  MeV

en partículas cargadas iones de tritio (T, ³ H) e iones de hidrógeno , o protones (p, ¹ H) que luego se detectan creando una nube de carga en el gas de frenado de un contador proporcional o un tubo Geiger-Müller . ^{[ 55 ]}

Además, el proceso de absorción depende fuertemente del espín , lo que permite que un volumen de helio-3 polarizado en espín transmita neutrones con un componente de espín mientras absorbe el otro. Este efecto se emplea en el análisis de polarización de neutrones , una técnica que investiga las propiedades magnéticas de la materia. ^{[ 56 ] [ 57 ] [ 58 ] [ 59 ]}

El Departamento de Seguridad Nacional de Estados Unidos esperaba desplegar detectores para identificar plutonio de contrabando en contenedores de envío mediante sus emisiones de neutrones, pero la escasez mundial de helio-3, consecuencia de la reducción de la producción de armas nucleares desde la Guerra Fría , lo ha impedido en cierta medida. ^{[ 60 ]} En 2012, el DHS determinó que el suministro comercial de boro-10 permitiría adaptar su infraestructura de detección de neutrones a dicha tecnología. ^{[ 61 ]}

Los refrigeradores de helio-3 son dispositivos utilizados en física experimental para obtener temperaturas de hasta aproximadamente 0,2 kelvin . ^{[ 62 ]} Mediante enfriamiento evaporativo de helio-4, un crisol de 1 K licúa una pequeña cantidad de helio-3 en un recipiente pequeño llamado crisol de helio-3. El enfriamiento evaporativo a baja presión del helio-3 líquido, generalmente impulsado por adsorción ya que, debido a su alto precio, el helio-3 generalmente se contiene en un sistema cerrado para evitar pérdidas, enfría el crisol de helio-3 a una fracción de kelvin.

Un refrigerador de dilución utiliza una mezcla de helio-3 y helio-4 para alcanzar temperaturas criogénicas tan bajas como unas pocas milésimas de kelvin. ^{[ 63 ]} El helio-3 es el refrigerante principal para la computación cuántica superconductora . ^{[ 64 ]}

Los núcleos de helio-3 poseen un espín nuclear intrínseco de 1/2 ħ y una relación giromagnética relativamente alta . Por ello, es posible utilizar la resonancia magnética nuclear (RMN) para observar el helio-3. Esta técnica analítica, generalmente denominada RMN de ^³He , permite identificar compuestos que contienen helio. Sin embargo, se ve limitada por la baja abundancia de helio-3 en comparación con el helio-4, que no es reactivo a la RMN. 

El helio-3 puede hiperpolarizarse mediante métodos de no equilibrio, como el bombeo óptico por intercambio de espín. ^{[ 65 ]} Durante este proceso, se utiliza luz láser infrarroja polarizada circularmente , sintonizada a la longitud de onda adecuada, para excitar los electrones de un metal alcalino , como el cesio o el rubidio, dentro de un recipiente de vidrio sellado. El momento angular se transfiere de los electrones del metal alcalino a los núcleos del gas noble mediante colisiones. En esencia, este proceso alinea eficazmente los espines nucleares con el campo magnético para potenciar la señal de RMN.

El gas hiperpolarizado puede almacenarse a presiones de 10  atm durante un máximo de 100 horas. Tras la inhalación, las mezclas de gases que contienen helio-3 hiperpolarizado pueden visualizarse mediante resonancia magnética (RM) para obtener imágenes anatómicas y funcionales de la ventilación pulmonar. Esta técnica también permite obtener imágenes del árbol bronquial, localizar defectos no ventilados, medir la presión parcial de oxígeno alveolar y la relación ventilación/perfusión . Esta técnica puede ser fundamental para el diagnóstico y el tratamiento de enfermedades respiratorias crónicas como la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) , el enfisema , la fibrosis quística y el asma . ^{[ 66 ]}

Debido a que un átomo de helio, o incluso dos átomos de helio , pueden estar encapsulados en jaulas similares a los fullerenos , la espectroscopia de RMN de este elemento puede ser una sonda sensible para cambios en el marco de carbono que lo rodea. ^{[ 67 ] [ 68 ]} El uso de la RMN de carbono-13 para analizar los fullerenos en sí mismos es complicado debido a tantas diferencias sutiles entre los carbonos en cualquier cosa que no sean las estructuras más simples y altamente simétricas.

Tanto el tokamak Alcator C-Mod del MIT como el Joint European Torus (JET) han experimentado con la adición de una pequeña cantidad de helio-3 a un plasma H-D para aumentar la absorción de energía de radiofrecuencia (RF) y calentar los iones de hidrógeno y deuterio, un efecto de "tres iones". ^{[ 69 ] [ 70 ]}

El ³He ^se puede producir mediante la fusión a baja temperatura de (Dp) ² H + ¹ p → ³ He + γ + 4,98 MeV. Si la temperatura de fusión es inferior a la de fusión de los núcleos de helio, la reacción produce una partícula alfa de alta energía que adquiere rápidamente un electrón, generando un ion de helio ligero y estable que puede utilizarse directamente como fuente de electricidad sin producir neutrones peligrosos.

El 3He ^se puede utilizar en reacciones de fusión mediante cualquiera de las reacciones ² H + ³ He → ⁴ He + ¹ p + 18,3 MeV , o ³ He + ³ He → ⁴ He + 2 ¹ p + 12,86MeV.  

El proceso convencional de fusión deuterio + tritio (" D–T ") produce neutrones energéticos que vuelven radiactivos los componentes del reactor con productos de activación . El atractivo de la fusión de helio-3 radica en la naturaleza aneutrónica de sus productos de reacción. El helio-3 en sí mismo no es radiactivo. El único subproducto de alta energía, el protón , puede ser contenido mediante campos eléctricos y magnéticos. La energía del momento de este protón (creado en el proceso de fusión) interactuará con el campo electromagnético que lo contiene, lo que resulta en la generación directa de electricidad neta. ^{[ 76 ]}

Debido a la mayor barrera de Coulomb , las temperaturas requeridas para la fusión ^2H + ^3He son mucho más altas que las de la fusión D-T convencional . Además , dado que ambos reactivos deben mezclarse para fusionarse, se producirán reacciones entre núcleos del mismo reactivo, y la reacción D-D ( ^2H + ^2H ) produce un neutrón . Las tasas de reacción varían con la temperatura, pero la tasa de reacción D- 3He ^nunca supera 3,56 veces la tasa de reacción D-D (véase el gráfico). Por lo tanto, la fusión utilizando combustible D- 3He a ^la temperatura adecuada y una mezcla de combustible pobre en deuterio puede producir un flujo de neutrones mucho menor que la fusión D-T, pero no es limpia, lo que anula parte de su principal atractivo.

La segunda posibilidad, la fusión de ³He ^consigo mismo ( ^³He + ^³He ), requiere temperaturas aún más elevadas (ya que ahora ambos reactivos tienen una carga de +2), y por lo tanto es aún más difícil que la reacción D- ³He ^. Ofrece una reacción teórica que no produce neutrones; los protones cargados producidos pueden ser contenidos en campos eléctricos y magnéticos, lo que a su vez genera electricidad directamente. La fusión ^³He + ^³He es factible , como se ha demostrado en el laboratorio, y tiene enormes ventajas, pero su viabilidad comercial está aún a muchos años vista. ^{[ 77 ]}

Las cantidades de helio-3 necesarias como sustituto de los combustibles convencionales son sustanciales en comparación con las cantidades actualmente disponibles. La cantidad total de energía producida en la reacción ² D + ³ He es de 18,4 MeV , lo que corresponde a unos 493 megavatios-hora (4,93 × 10⁸ ^W ·h) por tres gramos (un mol ) de ³ He . Si la cantidad total de energía pudiera convertirse en energía eléctrica con una eficiencia del 100 % (una imposibilidad física), correspondería a unos 30 minutos de producción de una planta eléctrica de gigavatios por mol de ³ He . Por lo tanto, la producción de un año (a 6 gramos por cada hora de funcionamiento) requeriría 52,5 kilogramos de helio-3. La cantidad de combustible necesaria para aplicaciones a gran escala también puede expresarse en términos de consumo total: el consumo de electricidad de 107 millones de hogares estadounidenses en 2001 ^{[ 78 ]} ascendió a 1.140 mil millones de kW·h (1,14 × 10 ¹⁵  W⋅h ). Suponiendo nuevamente una eficiencia de conversión del 100%, se requerirían 6,7 toneladas por año de helio-3 para ese segmento de la demanda de energía de los Estados Unidos, de 15 a 20 toneladas por año dada una eficiencia de conversión de extremo a extremo más realista.

Un enfoque de segunda generación para la energía de fusión controlada implica la combinación de helio-3 y deuterio, ² D . Esta reacción produce una partícula alfa y un protón de alta energía . La ventaja potencial más importante de esta reacción de fusión para la producción de energía, así como para otras aplicaciones, radica en su compatibilidad con el uso de campos electrostáticos para controlar los iones combustibles y los protones de fusión. Los protones de alta velocidad, como partículas con carga positiva, pueden convertir su energía cinética directamente en electricidad , mediante el uso de materiales de conversión de estado sólido y otras técnicas. Podrían ser posibles eficiencias de conversión potenciales del 70%, ya que no es necesario convertir la energía de los protones en calor para accionar un generador eléctrico impulsado por turbina .

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