百萬地球-氦-3是核聚變的理想燃料嗎？

其中，氦-3（Helium-3 ）代表了能源領域最重要的潛力，這種非放射性同位素被譽為聚變反應堆運行的最理想、最干凈的燃料。雖然它仍處于實驗階段，但在反應堆的安全殼中容納這種能量的能力可以使它成為一種可行的能源。

什么是氦-3？

讓我們從高中基礎開始：氦是宇宙中第二豐富的元素。它無色、無味、無臭。大約 24% 的宇宙是氦。最常見的氦氣類型被稱為 helium-4，因為它有兩個中子和兩個質子。

考慮到地球上 99.99986% 的氦氣都是這樣的，Helium-4 幾乎是人類對該元素的體驗。但在 1934 年，澳大利亞科學家馬克·奧利芬特（Mark Oliphant）在對重氫進行試驗時假設，許多人認為是放射性同位素的物質實際上會在天然氦中發現。奧利芬特提出存在一種穩定的氦同位素，它有兩個質子，但只有一個中子。1939 年，美國物理學家路易斯·阿爾瓦雷斯 ( Luis Alvarez )和羅伯特·科諾格(Robert Cornog ) 的最終發現證實了他的懷疑。

Helium-3 是原始的，可以追溯到行星體的早期。在地球上，它形成于地幔、地核之上和地殼之下。雖然它可以人工制造（人工制造氦-3 是可能的——例如，每當拆除核武器時就會發生這種情況），但它是地球上極其稀有的物質(主要是一些同位素（如鈾 238）中 α 衰變的產物)：一份報告顯示，地球上總共存在 0.5噸氦-3，而它僅占美國政府氦儲量的 0.0001%。

為什么說氦-3是核聚變的理想燃料？

這里簡單說說核電站的原理，俗稱的“燒開水”——核裂變反應堆的鈾核被分裂后釋放了能量，然后將水轉化為蒸汽再推動發電機發電。但是這過程也釋放了放射性物質和乏核燃料，這些燃料被再加工成鈾、钚和放射性廢物，這些廢物必須被安全地無限期地儲存。

40 多年來，科學家們一直致力于從核聚變中產生核能而不是核裂變。在目前的核聚變反應堆中，氫同位素氚、氘用作燃料，當它們的核聚變產生氦和中子時釋放原子能。核聚變有效地利用了為太陽和其他恒星提供燃料的相同能源，并且不會產生作為當前核裂變發電副產品的放射性和核廢料。

然而，以氚、氘為燃料的核聚變反應堆釋放的所謂“快”中子會導致大量能量損失，并且極難控制。一種潛在的解決方案可能是使用氦-3 和氘作為“中子”（沒有中子的動力）聚變反應堆中的燃料。當氦-3 和氘融合產生正常的氦和一個質子時，這里涉及的核反應會浪費更少的能量并且更容易控制。因此，使用氦-3 的核聚變反應堆可以提供一種高效的核能形式，幾乎沒有廢物和輻射。

為什么月球上的氦-3 如此豐富，而地球上卻少得可憐？

與使用氦-3 通過核聚變產生能量相關的眾多問題之一是，至少在地球上，氦-3 確實非常非常罕見——我們的大氣層和磁場阻止了任何這種氦-3 到達地球。

研究發現，太陽風的成分是在太陽等離子體中發現的材料的混合物，由電離的氫（電子和質子）和 8% 的氦（α粒子）組成，它的同位素包括 Helium-3 和大量的重離子和原子核：C、N、O、Ne、Mg、Si、S 和 Fe 在太陽外層大氣（即日冕）的加熱下被撕裂。即使一些 氦-3能夠通過這兩者，它最終也會變成 氦-4，這是我們用來填充氣球或加壓到一定程度的氦氣。而月球沒有自己的磁層，它不像地球那樣抵御太陽風，因此它的表面被構成太陽風的粒子轟擊，以至于沒有什么可以阻止氦-3 到達月球表面并被月球土壤吸收。

據估計，在月球表面幾米深的地方大約有 1100000 噸氦-3，而這種氦-3可以通過將月球塵埃加熱到600攝氏度左右來提取。另外NASA研究表明，大約 25 噸氦-3 ——或者一個滿載的航天飛機貨艙的價值——可以為美國提供一年的電力。這意味著氦-3 的潛在經濟價值約為每噸 30 億美元。

由于上述原因，人們對月球氦-3 產生了濃厚的興趣，這也許不足為奇。

那從月球上開采氦-3有可能成為現實嗎？

江湖傳言，實用的聚變能源還需要 30 年，而且永遠都是（目前的可控聚變反應還未能實現）。外媒宣稱中美俄之間就月球上的潛在資源展開了一場“秘密采礦戰”，這些資源可能為聚變反應堆提供非常清潔的燃料。別看現在核聚變的消息滿天飛，但有科學家信誓旦旦預測，至少在本世紀中葉之前，商業聚變反應堆的數量可能會保持為零。而且，無法保證可以使用氦-3 的反應堆類型——它需要比現在設想的氫燃料反應堆更高的溫度，技術上難度更高。

這并不是說不可能從月球獲得氦-3 或其他資源。顯然，人類可以在人類和探測器執行任務期間從月球上取回東西。但是不用考慮成本嗎？

一個簡單的例子，地球海洋中大約有 45000 到 150 萬噸黃金。但是黃金是如此分散，以至于提取它的成本遠遠高于黃金的價格。同樣，由于距離和低濃度的原因，從月球帶來氦-3 的成本將是巨大的。據悉，月球土壤中被稱為“風化層”的濃度約為十億分之 20 至 30，這意味著大量工作必須在月球表面進行，以提取值得運輸的數量。從技術上講，這項任務極具挑戰性和復雜性。

但我們可以滿懷期待——我國的“嫦娥計劃”打算在 2030 年之前讓宇航員登陸月球南極，其中還包括采礦作業建立一個持續的人類前哨基地的計劃。如果到時核聚變取得突破的話.....

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