核聚变的理想燃料,为什么月球表面有上百万吨,地球却一吨不到?

原标题:核聚变的理想燃料,为什么月球表面有上百万吨,地球却一吨不到?

自 1969 年以来,关于人类重返月球任务似乎从未如此接近。尽管科学技术继续蓬勃发展,但各国的太空计划几十年来一直放弃登月,转而支持国际空间站和探索太阳系的任务。在中美日益激烈的竞争的主导下,重返月球的动机之一是出于研究和可能利用那里可以找到的资源的愿望。

其中,氦-3(Helium-3 )代表了能源领域最重要的潜力,这种非放射性同位素被誉为聚变反应堆运行的最理想、最干净的燃料。虽然它仍处于实验阶段,但在反应堆的安全壳中容纳这种能量的能力可以使它成为一种可行的能源。

什么是氦-3?

让我们从高中基础开始:氦是宇宙中第二丰富的元素。它无色、无味、无臭。大约 24% 的宇宙是氦。最常见的氦气类型被称为 helium-4,因为它有两个中子和两个质子。

考虑到地球上 99.99986% 的氦气都是这样的,Helium-4 几乎是人类对该元素的体验。但在 1934 年,澳大利亚科学家马克·奥利芬特(Mark Oliphant)在对重氢进行试验时假设,许多人认为是放射性同位素的物质实际上会在天然氦中发现。奥利芬特提出存在一种稳定的氦同位素,它有两个质子,但只有一个中子。1939 年,美国物理学家路易斯·阿尔瓦雷斯 ( Luis Alvarez )和罗伯特·科诺格(Robert Cornog ) 的最终发现证实了他的怀疑。

Helium-3 是原始的,可以追溯到行星体的早期。在地球上,它形成于地幔、地核之上和地壳之下。虽然它可以人工制造(人工制造氦-3 是可能的——例如,每当拆除核武器时就会发生这种情况),但它是地球上极其稀有的物质(主要是一些同位素(如铀 238)中 α 衰变的产物):一份报告显示,地球上总共存在 0.5吨氦-3,而它仅占美国政府氦储量的 0.0001%。

为什么说氦-3是核聚变的理想燃料?

这里简单说说核电站的原理,俗称的“烧开水”——核裂变反应堆的铀核被分裂后释放了能量,然后将水转化为蒸汽再推动发电机发电。但是这过程也释放了放射性物质和乏核燃料,这些燃料被再加工成铀、钚和放射性废物,这些废物必须被安全地无限期地储存。

40 多年来,科学家们一直致力于从核聚变中产生核能而不是核裂变。在目前的核聚变反应堆中,氢同位素氚、氘用作燃料,当它们的核聚变产生氦和中子时释放原子能。核聚变有效地利用了为太阳和其他恒星提供燃料的相同能源,并且不会产生作为当前核裂变发电副产品的放射性和核废料。

然而,以氚、氘为燃料的核聚变反应堆释放的所谓“快”中子会导致大量能量损失,并且极难控制。一种潜在的解决方案可能是使用氦-3 和氘作为“中子”(没有中子的动力)聚变反应堆中的燃料。当氦-3 和氘融合产生正常的氦和一个质子时,这里涉及的核反应会浪费更少的能量并且更容易控制。因此,使用氦-3 的核聚变反应堆可以提供一种高效的核能形式,几乎没有废物和辐射。

为什么月球上的氦-3 如此丰富,而地球上却少得可怜?

与使用氦-3 通过核聚变产生能量相关的众多问题之一是,至少在地球上,氦-3 确实非常非常罕见——我们的大气层和磁场阻止了任何这种氦-3 到达地球。

研究发现,太阳风的成分是在太阳等离子体中发现的材料的混合物,由电离的氢(电子和质子)和 8% 的氦(α粒子)组成,它的同位素包括 Helium-3 和大量的重离子和原子核:C、N、O、Ne、Mg、Si、S 和 Fe 在太阳外层大气(即日冕)的加热下被撕裂。即使一些 氦-3能够通过这两者,它最终也会变成 氦-4,这是我们用来填充气球或加压到一定程度的氦气。而月球没有自己的磁层,它不像地球那样抵御太阳风,因此它的表面被构成太阳风的粒子轰击,以至于没有什么可以阻止氦-3 到达月球表面并被月球土壤吸收。

据估计,在月球表面几米深的地方大约有 1100000 吨氦-3,而这种氦-3可以通过将月球尘埃加热到600摄氏度左右来提取。另外NASA研究表明,大约 25 吨氦-3 ——或者一个满载的航天飞机货舱的价值——可以为美国提供一年的电力。这意味着氦-3 的潜在经济价值约为每吨 30 亿美元

由于上述原因,人们对月球氦-3 产生了浓厚的兴趣,这也许不足为奇。

那从月球上开采氦-3有可能成为现实吗?

江湖传言,实用的聚变能源还需要 30 年,而且永远都是(目前的可控聚变反应还未能实现)。外媒宣称中美俄之间就月球上的潜在资源展开了一场“秘密采矿战”,这些资源可能为聚变反应堆提供非常清洁的燃料。别看现在核聚变的消息满天飞,但有科学家信誓旦旦预测,至少在本世纪中叶之前,商业聚变反应堆的数量可能会保持为零。而且,无法保证可以使用氦-3 的反应堆类型——它需要比现在设想的氢燃料反应堆更高的温度,技术上难度更高。

这并不是说不可能从月球获得氦-3 或其他资源。显然,人类可以在人类和探测器执行任务期间从月球上取回东西。但是不用考虑成本吗?

一个简单的例子,地球海洋中大约有 45000 到 150 万吨黄金。但是黄金是如此分散,以至于提取它的成本远远高于黄金的价格。同样,由于距离和低浓度的原因,从月球带来氦-3 的成本将是巨大的。据悉,月球土壤中被称为“风化层”的浓度约为十亿分之 20 至 30,这意味着大量工作必须在月球表面进行,以提取值得运输的数量。从技术上讲,这项任务极具挑战性和复杂性。

但我们可以满怀期待——我国的“嫦娥计划”打算在 2030 年之前让宇航员登陆月球南极,其中还包括采矿作业建立一个持续的人类前哨基地的计划。如果到时核聚变取得突破的话……

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