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氦-3:比白金还要珍贵的核燃料

2012年6月15日


在新能源的开发探索中,人们对氦-3投入了极大热情,它的价值在被短暂埋没后,终于被世人认可并且推崇起来。这种被寄予厚望的未来能源,50年后或许能看到应用于商业的希望。
比金子还要珍贵
美国航天员登月后,带回了90公斤月球岩石,当时,科学家们对岩石中含有的大量氦-3不以为然,直到上个世纪80年代,科学家才开始提出使用氦-3发电,并逐步成为被世界公认的高效、清洁、安全、廉价的核聚变发电燃料,也逐渐成为探月工程的主要话题之一。 氘和氦-3进行核聚变的发电效能超过石油的千万倍,目前1克氦-3的价格比1克黄金高出几十倍。 美国MSNBC电视台日前报道说:“美国、中国、俄罗斯、印度和日本等国纷纷进行探月竞争,就是为了确保被认为是下一代核聚变发电燃料的‘氦-3’。”最近出版的美国工学专刊《Popular Mechanics》杂志指出,美国航天局(NASA)计划在月球建设有人基地是为了采集氦-3。 早在上个世纪60年代,探月就已纳入世界发达国家的太空计划,至80年代相对沉寂,但新世纪以来,各个大国又纷纷采取行动,再掀探月高潮。在21世纪初期开始的探月浪潮中,氦-3-直是各国竞相追捧的关键词。中国“嫦娥一号”的探月目标第三条明确指出研究重点——探索月球土壤的特性,研究其厚度,估算氦-3的资源量。
小元素大能量
这种被人类寄予厚望的未来能源,相比起正在使用的核电站要清洁很多,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。因此,氦-3成为全世界公认的化石能源最佳替代物。 氦3是氦的同位素,有许多特殊的性质。根据稀释制冷理论,当氦-3和氦-4以一定的比例混合后,温度可以降低到无限接近绝对零度(-273.15℃)。在温度达到2.18k(相当于-270.97℃)以下的时候,液体状态的氦-3还会出现“超流”现象,即没有粘滞性,它甚至可以从盛放的杯子中“爬”出去。氦大部分集中在颗粒小于50微米的富含钛铁矿的月壤中。据科学家估计,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(收益/投入)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(偿还比约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。 美国威斯康星大学核聚变研究所教授库辛斯基曾表示:“假设每桶油价为100美元,那么,1吨氦-3的价值达100亿美元。即使考虑从月亮上搬回的运费(约8亿美元),也有很大的经济价值。”
地球“甘拜下风”
无论从使用范围、能量大小还是价格成本来看,氦-3绝对可以成为未来能源利用的主力军。但是,针对氦-3的开发利用,目前最大的困难在于原料数量太少。 据估算,地球土壤中的氦-3估计只有1吨左右,而地球大气中理论上的氦-3总量仅有10—15吨,月球上的氦-3数量能达到100万吨。 造成这种差异的原因主要是太阳喷射出来的高速粒子流——太阳风达到不同星球表面的难易程度不同,太阳风是氦-3的重要来源,当其到达地球大气层时,由于地球本身的大气层和磁场,太阳风无法完全进入,只有少量氦-3进入地球土壤,其余大部分散发到太空中;而月球上几乎没有大气,太阳风直接吹到月球表面,日积月累,在月表的沙粒、岩石中,氦-3的含量越积越多,成了月壤重要的组成部分。 “虽然氦-3是一种潜在的清洁、安全的新型能源,但要想把这种能源用于商业化发电,还得需要几十年的时间。”中国科学院院士、中国探月工程首席科学家欧阳自远院士如此表示。他认为,现在各国在探索月球氦-3资源方面还处在初级阶段。
含量新发现
“阿波罗”号取回月壤样品后,美国科学家根据样本估算了氦-3的含量;苏联探月项目也采用类似方式取得了的氦-3含量估算值。而我国“嫦娥一号”探月工程采用了不同的办法——微波探测仪。因为微波穿透力强,可深入数米至十多米深的月壤,立体记录不同位置及深度的温度资料。 2008年4月,香港科技大学数学系教授陈炯林获得了“嫦娥一号”采得的微波探测原始数据,他在和同事们一起奋战一年后,首次发现月壤中有200个深层微波黑点。 另外,由于黑点主要在月壤表层向下10米左右的地方有分布,所以这次微波探测的结果其实也指示了氦-3主要存在于10米深左右的月壤。从月壤标本的分析得出的氦-3密度,以及微波探测仪显示的10米以下的月壤厚度,可以推算出“100万吨左右”的氦-3储量。
漫漫探月路
开发、运送月球上的能源还有很多难题需要解决。首先,要实现月球和地球之间的人、货运输,首先要有足够大推力的运载火箭,当年,因为没有研制出大推力的N-1巨型火箭,苏联在载人登月上败给美国。其次,要在没有大气包裹的月球表面着陆.主要靠反推火箭来缓冲,如何保障火箭安全也是一大难题。美国最新的“战神”大推力火箭极有可能担负这一重任,再次,就算解决了往返运载难题,如何从月壤中提出氦-3,怎样实现核聚变,科技上都还没有已知的答案。令人期待的是,目前核聚变的控制问题已进入攻坚战阶段,法国科学家最近宣布,2030年将使利用氦-3进行核聚变发电商业化。 虽然人类已经对月球进行了很多次探索,取得了大量的数据,但要在月球上建立基地,真正开发利用月球资源和环境,还需要一个漫长的过程。另外,氦-3广泛分布在月球土壤中,要开发利用必须把月球表面10米的土壤加热。但是在目前技术条件下,不单在月球上实现不了,就算在地球上,同样很难实施。 目前,各国科学家正围绕月球上氦-3的形成、储量、采掘、提纯、再贮存、运输及月球环境保护等问题悄然开展相关研究,一致的观点是,10年之内难以指望氦-3的应用于商业开采用途,50年后或许能看到希望。

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