氦3是什么能源 月球上氦-3聚变燃料可满足人类1万年的能源需求

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1. 氦3是什么能源
2. 氦-3的性质和用途
3. 氦3聚变优缺点
4. 一吨月壤含多少氦3
5. 氦3如何聚变

氦-3是一种清洁、安全和高效率的核融合发电燃料。

氦-3作为清洁、安全、可控核聚变燃料，被公认为21世纪的“完美能源”。遗憾的是，氦-3在地球上储量非常稀少，月壤中却富含氦-3，月壤中的氦-3产生于太阳风。我们都知道太阳的巨大能量来自氢元素的核聚变，而氦-3就是其中的产物之一。

氦-3是一种氦气同位素气体，化学符号3He，气体具有无色，无味，无臭稳定的气体。一般储存于气瓶中的高压气体，天然氦-3含量是1.38x10-6。当其含量增加导致氧气含量低于19.5%时有可能引起窒息，需要配备自吸式呼吸面具。2022年4月6日消息，据国外媒体报道，一项新的建模研究显示，地核中仍存有大量氦-3，正在不断向外泄漏。

氦-3是一种无色、无味、无臭、性质稳定的氦同位素。1996年，科学家发现氦-3具有作为核聚变燃料的非凡性能。采用氦-3为燃料的核聚变比用氢做燃料进行核聚变还要安全、清洁，效率更高，容易控制，产生的放射性物质微乎其微。因此，即使将氦-3核电站建在闹市区内也是安全的。

可惜的是，氦-3在地球上却难觅踪影。据估算，氦-3在全世界的总储量不超过100千克，而且大部分是由核弹头中的氚衰变而成，即使加上深海气井和火山气中氚衰变的氦-3，全世界一年最多也仅能获得10～20千克。这点“产量”，即使用作科研也显得捉襟见肘，哪里还谈得上用于核聚变燃料来发电呢！

那么，氦-3还会藏在什么地方呢？科学家发现，氦-3在月球上储量巨大，估计有100万吨氦-3嵌附在月球表层，只需加热到合适的温度，90%以上的氦-3就会释放出来。据估计，每年只需在月球上开采1500吨氦-3就可满足全世界的能源需求了；整个月球上氦-3的总储量，大约可供人类使用700年，这是个多么诱人的数字啊！

氦-3罕见于地球，却在月球上大量储存，其主要原因在于，月球作为太阳风粒子的收集器，在形成至今的40亿年时间里，有2亿～5亿吨氦-3粒子打在月球表层10～50米深的土壤内。由于月球自身没有磁场，才使氦-3粒子能在月壤内“安营扎寨”。相比之下，地球上的氦-3粒子在地球磁场的作用下，沿着地球磁力线慢慢扩散，最终被大气层“俘获”而消失。

月球还是“冶炼”氦-3的绝佳场所。那里的环境是高真空，低引力（仅为地球引力的1/6），温度高，温差大（白天可达130℃，晚上可降到?183℃），正好可将月壤加热并实施氦-3和氦-4低温分离。虽然月地路程遥远，但在月球上开采、加工氦-3，然后将其运回地球发电，其性价比还是很高的，整个过程耗能和发电产能之比高达1∶250。据计算，飞船一次可从月球运回20吨液化氦-3，几乎可供应美国一年所需的电力用燃料。如果氦-3能在月球上直接发电，再输送回地球，还可省去飞船运输的费用呢！

氦3是1969年美国科学家从月球带回的尘土中发现的。氦3是氦的同位素，普通氦的原子核有两个质子、两个中子，是氦4。而氦3的原子核也有两个质子，但只有一个中子。用氦3聚变成氦来发电的优势在于：核反应温度低，所以易于实现商用化。

原子反应的燃料和生成物都是惰性气体，所以更安全，决不会发生事故。

反应过程中不产生无法控制的中子，可以保护炉壁，无辐射，更环保。

氦-3进行核聚变反应具有很多优点：

①反应产生的能量更大；

②传统的氚核反应过程中，伴随核聚变能的产生，要产生大量的高能中子，而这些中子能够对核反应装置产生广泛的放射性损伤；相反的，若用氦- 3作为反应物，则主要产生高能质子而不是中子，对环境保护更为有利；

③氚本身具有放射性，氦-3不仅没有放射性，而且反应过程易于控制。因此氦-3是一种清洁、高效、安全的核聚变发电燃料。

要看具体情况。

科学家棘轮推算月球上有110万吨氦3。但是这些氦3是怎么分布的，尚不能确定。人类采回的月壤中只是发现了含有极微量的氦3。氦是惰性气体，没有化合物。在哪儿？怎么采？都没有答案。

氦3被赋予第三代核聚变燃料的美称，似乎马上就能用了。实际上第一代最容易实现的可控聚变--氘氚聚变的应用还很遥远，第二代氘氘聚变难度更大，第三代氦3难上加难。从月球上采氦3只是一个美丽的设想。

氦3是氦的同位素，含有两个质子和一个中子。氦3原本大量存在于太阳喷射出来的高能粒子流——太阳风中。在几乎没有大气的月球上，太阳风直接落到月球表面，日积月累，在月面的沙粒、岩石中，氦3的含量越积越多，成了月壤重要的组成部分。

氦3最吸引人类的就是它作为能源材料的优秀“潜质”。

氘和氦3可以进行核聚变，这种聚变不产生中子，所以放射性小，而且反应过程易于控制，可算是既无污染又安全。氦3不仅可用于地面核电站，而且特别适合作为火箭和飞船的燃料，用于宇宙航行。从月球土壤中每提取一吨氦3，可得到6300吨氢、70吨氮和1600吨碳。

1吨的氦3，足以保证一个功率1000万千瓦的发电机组工作1年。每燃烧1公斤氦3就可产生19兆瓦的能量，足够供莫斯科市照明用6年多。一个百万千瓦的火力发电站，每年消耗的煤是210万吨；如果这个发电厂是裂变核电站，它需要30吨的核燃料。可如果它是核聚变发电厂，燃料只需要600公斤。

据专家计算，如果采用氦3核聚变发电，美国年发电总量仅需消耗25吨氦3；中国1992年的年发电总量只需8吨氦3，全世界一年有100吨氦3就够了。以目前全球电价和空间运输成本算，1吨氦3的价值约40亿美元，而且随着空间技术发展，空间运输成本肯定将大大下降。

最近法国科学家宣布，2030年，利用氦3进行核聚变发电将实现商业化。据估算，月球上有300万到500万吨的氦3储量，能够支持地球7000年的电量！

相比目前正加速发展的利用氘和氚反应的热核聚变装置来说，用氦-3来进行核聚变反应具有比用氚作燃料有更多的优点，主要表现在：①反应产生的能量更大；②传统的氚核反应过程中，伴随核聚变能的产生，要产生大量的高能中子，而这些中子能够对核反应装置产生广泛的放射性损伤；相反的，若用氦-3作为反应物，则主要产生高能质子而不是中子，对环境保护更为有利；③氚本身具有放射性，而氦-3则没有。

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当氦星核中心的温度达到1亿开时，氦燃烧被点燃。 氦燃烧把三个氦原子核聚合成一个碳原子核。由此生成的碳原子核又可吸收一个氦原子核，生成氧原子核。氧原子核还可吸收一个氦原子核，生成氖原子核，不过发生这一反应的概率很低。至于氖原子核进一步吸收氦原子核的概率就更低了，可以忽略不计。恒星的氦燃烧速度比氢燃烧快得多，对于太阳，氦燃烧阶段只能持续大约20亿年。 氦-3是一种核聚变发电燃料。用氦-3进行核聚变反应具有很多优点：①反应产生的能量更大；②传统的氚核反应过程中，伴随核聚变能的产生，要产生大量的高能中子，而这些中子能够对核反应装置产生广泛的放射性损伤；相反的，若用氦- 3作为反应物，则主要产生高能质子而不是中子，对环境保护更为有利；③氚本身具有放射性，氦-3不仅没有放射性，而且反应过程易于控制。因此氦-3是一种清洁、高效、安全的核聚变发电燃料。 氦-3不仅是核聚变发电燃料，而且也是火箭和飞船的燃料，未来的载人火星飞船，可以从月球上添加这种燃料，然后飞往火星。另外，从月球土壤中每提取一吨氦-3，可得到6300吨氢、70吨氮和1600吨碳。氢也可以作火箭燃料，同时如与氧结合，还可以制成水。 月壤中氦-3的含量较为稳定。根据“阿波罗”飞行和月球探测器的结果计算分析，月壤中氦-3资源总量可达100万～500万吨。而地球上天然气可提取的氦-3 是非常少的，大约只有15～20吨。 建设一个500兆瓦的氦-3核聚变发电站，每年消耗的氦-3仅需50千克。如果美国全部采用氦-3核聚变发电, 年发电总量仅需消耗25吨的氦-3，而中国仅需要8吨。全世界的年总发电量约需100吨氦-3。换句话说，月壤中的氦-3可供应地球能源需求上千年。另外，氦-3 的能量回报率为270，原子能发电的能量回报率为20，煤为16。 将来如果在月球上建立核聚变发电站，将发出的电能传输到静止轨道上的中继卫星，再传送到位于地球上的接收站，然后再分配到各个地区，即可供用户使用。另外，也可以将月球表面的尘埃收集起来，从中分离出氦-3，然后将其变成液态带回地球。科学家计算，每年只需发射2～3艘载重50吨的货运飞船到月球上去，从月球上运回100至150吨的氦-3，即可供全人类作为替代能源使用一年，而它的运输费用只相当于目前核能发电的几十分之一