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氦-3｜一种未来新能源
发布时间：
2023-08-29
随着全球变暖引发的极端气候问题加剧，探寻新型能源对人类的持续发展具有重大意义，其中，氦-3（3He）将是未来理想能源之一。
氦有两种稳定同位素，4He和3He，4He是由铀和钍发生放射性衰变产生，3He来自太阳内部的核聚变。地球上的氦-3来自地球初始形成时积累下的原始氦，主要存在于地幔中。氦-3由两个质子、一个中子组成，外层有两个电子，构成氦-3的粒子数是奇数。氦-3也是唯一不能在标准大气压下被固化的物质，而且能够在相对低的温压条件下与氢同位素发生核聚变反应，无害地放出大量能量。由于在聚变过程中不产生中子，放射性小，因此氦-3可作为一种理想的可控核聚变发电燃料。
虽然在地球上氦属于稀有元素，但在宇宙中，氦元素占比为24％，排名第二，仅次于氢。太阳由90.0％的氢和8.9％的氦组成，其内部在高温高压环境下能够实现核聚变生成氦-3。核聚变又称质子-质子链反应，首先两个质子（1H）聚合生成一个双质子氦核，双质子氦核由于不稳定而快速衰变为氘（2H）。氘与质子发生聚变生成氦-3，大部分氦-3会继续发生核聚变产生较为稳定的氦-4（α粒子），少部分氦-3元素会脱离反应区到达太阳表面，经太阳风吹向四周广阔的宇宙。
受地球大气层与磁场的阻挡作用，太阳辐射中的氦-3原子很难到达地球。地球上的氦-3大都由氚核通过β衰变或者行星形成初期捕获保留在地幔以下深处。由于地球氦-3的丰度低且提纯成本高，因此地球上能够被人类利用的氦-3总量极少，仅500千克。而太阳风携带的粒子可以直达月球表面并由月壤颗粒吸附，因此月球上氦-3含量远高于地球。
氦-3的用途
地球上氦-3含量稀少，目前主要应用在同位素示踪、核聚变与中子测水等领域。氦-3主要为元素合成时形成的核素，随着星球演化与物质分异，地幔中包含了更多的原始气体。由于熔融物质与火山活动、深大断裂与水循环，地幔捕获的原始氦上升至地壳，幔源氦中相比放射成因氦含有更多的氦-3。因此氦-3与氦-4的比值（3He/4He）可作为判断天然气来源的重要依据。大气中3He/4He为1.4×10-6，壳源成因的氦比值为2×10-8，而幔源氦为1.1×10-5。而陨石中的俘获氦同位素比值分为太阳型和行星型两类，太阳型3He/4He为（3.79±0.40）×10-4，行星型为（1.43±0.40）×10-6。
因为氦的两种同位素的粒子构成不同，当两种氦的同位素冷却至足够低的温度时，它们的区别将大大显现出来。20世纪的物理学家发现，在2.2开[尔文]左右液氦-4的比热容是不连续的，从而逐渐发现了超流态现象。当温度低于0.0025开时，氦-3会变成超流体态，而氦-4变成超流体态的温度需要2.17开，几乎是氦-3的1000倍，在这样的低温下，液氦甚至能发生“水往高处流”的“喷泉效应”。氦-3超流体的发现帮助天体物理领域验证了宇宙中如何形成宇宙弦理论，同时对凝聚态物理的研究起到了推动作用。氦-3因为其更高的沸点、更低的密度、能够突破氦-4的λ点的温度限制、低超流转变温度等特点，一定能在未来的超低温等领域发挥更多的作用。
据统计，地球20%的电能来自核裂变，但核裂变往往伴随着大量核废料的产生，核废料几乎毫无用处且十分危险，目前发电后剩下的乏燃料只能掩埋处理。托卡马克磁约束装置是实现磁约束从而实现可控核聚变的几种类型之一，也是目前实现可控核聚变研究最深入的类型。未来实现可控核聚变技术后，不同于氘-氚核聚变会产生中子可能会对人体、环境造成危害，利用纯氦-3融合热核反应只会产生带正电的质子而不产生中子。1千克铀-235释放的能量相当于2500吨标准煤，而1千克氘发生核聚变的能量相当于288万吨标准煤。由于放射性危害较小，氦-3作为清洁、安全、高效的核聚变发电燃料将具有巨大的应用前景。氦-3用作核聚变材料与使用锂-6的氘氚聚变相比，在建造磁约束的聚变堆时氦-3只需要增加超导磁场材料，可以有效降低建造成本和运行成本。
由于很难直接探测到电中性的中子，因此可以通过中子核反应来检测反应生成的带电粒子从而实现中子探测，所以氦-3还可应用于慢、热中子的探测。利用氢原子对快中子的减速机理将氢原子数和热中子数联系起来。又根据水分子构成将水分含量与热中子数联系起来，得到水分含量。氦-3中子探测器具有效率高、性能稳定且无污染产物等优点，可以快速准确连续地测量出物料中的水分含量，测量过程不需取样，对物料无破坏且可以测出物料中水分分布状况。此外，氦-3中子测水可以在恶劣的环境下工作，这是其他很多测水技术所不具备的。中子测水技术在钢铁、玻璃、火电、建筑等领域都有极大的应用前景。
未来新能源
①氦-3是一种清洁、安全和高效率的核融合发电燃料。开发利用月球土壤中的氦-3将是解决人类能源危机的极具潜力的途径之一。
②氦-3是氦的同位素，含有两个质子和一个中子。它有许多特殊的性质。根据稀释制冷理论，当氦-3和氦-4以一定的比例相混合后，温度可以降低到无限接近绝对零度。在温度达到2.6mK以下的时候，液体状态的氦-3还会出现"超流"现象，即没有黏滞性，它甚至可以从盛放它的杯子中"爬"出去。然而，当前氦-3最被人重视的特性还是它作为能源的潜力。氦-3可以和氢的同位素发生核聚变反应，但是与一般的核聚变反应不同，氦-3在聚变过程中不产生中子，所以放射性小，而且反应过程易于控制，既环保又安全，但是地球上氦-3的储量总共不超过几百公斤，难以满足人类的需要。科学家发现，虽然地球上氦-3的储量非常少，但是在月球上，它的储量却是非常可观的。
③氦大部分集中在颗粒小于50微米的富含钛铁矿的月壤中。估计整个月球可提供71.5万吨氦-3。这些氦-3所能产生的电能，相当于1985年美国发电量的4万倍，考虑到月壤的开采、排气、同位素分离和运回地球的成本，氦-3的能源偿还比估计可达250。这个偿还比和铀235生产核燃料(偿还比约20)及地球上煤矿开采(偿还比不到16)相比，是相当有利的。此外，从月壤中提取1吨氦-3，还可以得到约6300吨的氢、70吨的氮和1600吨碳。这些副产品对维持月球永久基地来说，也是必要的。俄罗斯科学家加利莫夫认为，每年人类只需发射2到3艘载重100吨的宇宙飞船，从月球上运回的氦-3即可供全人类作为替代能源使用1年，而它的运输费用只相当于如今核能发电的几十分之一。据加利莫夫介绍，如果人类如今就开始着手实施从月球开采氦-3的计划，大约30年到40年后，人类将实现月球氦-3的实地开采并将其运回地面，该计划总似的费用将在2500亿到3000亿美元之间。
完美能源氦-3的获取， 中国已经在行动
He是氚衰变的产物，它是从核武器中收集而来的。在核武器中，氚被用来产生中子以提升钚的爆炸性。直到1988年，氚的制造一直是用于支持美国核武器计划，因为它是提升武器威力的一个关键组成部分。自冷战结束以来，美国已经减少其核武库，从而使得氚和He-3的量都减少。同时，He-3的需求却升高。
氦-3在地球上含量非常少，人们已经把目光投向了月球，2007年“嫦娥一号”的发射，再掀氦-3探测高潮。在对“嫦娥一号”探月卫星微波数据进行一年多的分析后，发现月壤的氦-3 (He-3)存量预计达100万吨，转化成核能后足够地球使用1万年。
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