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去月球挖氦-3?傻

2019-01-29  珂江

随着嫦娥4号成功在月球背面软着陆,最近关于月球的话题又热了起来。

去月球挖氦-3?傻

嫦娥4号探测器着陆月球

月球上非常荒凉贫瘠,没有空气没有水,从公开的照片看,月球上除了遍地大小相叠的坑洞、厚厚的灰尘和石块,就什么都没有了。既然月球上如此荒芜,登一次月球要花很多很多的金钱,那么人类耗费巨资登月探索的意义又在哪里呢?按照美国阿波罗计划所耗费的资金来计算,即便月球上到处都是黄金,要想把它们运回来那也是天价,从经济的角度考虑也都是不合算的。

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荒凉的月球

有些人想出了一个非常好的开发月球的理由:月球上有丰富的氦-3,这是一种清洁的核聚变原料,如果将100吨氦-3全部拿来用作核聚变发电,它产生的电能就足够全世界用上一年。把月球上的氦-3都运回地球用来发电,可以供我们上万年的使用,岂不美哉!

事实果真如此吗?

下面我们来认真探讨一下氦-3和核聚变发电,看看将月球上的氦-3运回来发电是否可行。

为什么月球上会有大量氦-3?

氦-3作为氦的一种同位素气体,它广泛分布在宇宙中。据估算在我们地壳下方的地幔中大约含有10-100万吨的氦-3,但这些气体都被封闭在厚厚的地壳下方,除了火山喷发带出极少量的氦-3气体外,在地球表面能找到的氦-3极少,我们几乎找不到它的自然存在。

相比于地球,月球表面的氦-3分布就要多得多,这是由太阳风带来的。

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太阳和太阳风

太阳是一个巨大的火球,它主要由氢和氦组成。在太阳内部极高的温度和巨大的压力下,氢原子被相互挤压在一起变成了氦,它的原子核有两个质子和两个中子;还有一部分聚变成了氦-3,它有两个质子和一个中子。

太阳核聚变产生的巨大的能量向四周扩散开来,为太阳系供应了源源不绝的能源,同时也将大量的带电粒子以250~750公里/秒的速度向四周抛射出去,这就是太阳风。太阳风中裹挟着一部分太阳核聚变的产物,包括氦-3。

当太阳风到达地球时,因为地球磁场和大气层的阻挡,它无法抵达地面对地面物质造成影响,可以说我们地球的大气和磁场保护了我们,同时也拒绝了氦-3。

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太阳风被地球磁场阻挡

月球没有磁场也没有稠密的大气,它的表面只残留着极其稀薄的少量的气体,所以在太阳风带电粒子数十亿年持续不断的轰击下,在月球表层风化的月壤中就储存了一定数量的氦-3。

月球表面到底有多少氦-3,科学家们有许多不同的说法,有说75万吨、有说100万吨、有说150万吨,还有说更多的。近几十年来世界各国向月球发射了几十个不同的探测器,具体的数字并未见公布。我们从公开资料得知,月球表面阳光照射区的氦-3浓度大约在1.4~15ppb之间,在月球两极的永久阴影区内氦-3的浓度可能高达50ppb。

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月球两极永久阴影区可能有更多的氦-3沉积

换一个说法:在月球表面,如果你对1.5亿吨月壤进行提炼,将它们加热到700度以上,通过非常复杂的工序,大约可以萃取到1克重的氦-3。

很多吗?不多。

我们再来谈谈核聚变。

人类对核能的和平利用已经进行了将近70年,1951年美国建成了世界上第一座试验性核电站,紧接着1954年前苏联也建设成功发电功率为5000千瓦的试验性核电站。由于现有的核反应堆都是以核裂变产生热能推动蒸汽轮机进行发电,反应堆本身存在巨大的核辐射,其使用后剩余的核废料也存在放射性污染的风险,所以科学家们一直在寻求一种功率更高污染更低的发电方式,这就是可控核聚变反应堆发电。

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核聚变链式反应

如前文所诉,太阳的燃烧就是由氢原子的结合产生巨大的能量,科学家们通过计算,如果将氢的同位素氘和氚在特定条件下施加巨大的热量,它们的原子核就有机会相互结合生成一个氦核和一个中子,同时可以释放出17.6电子伏特的能量,这就是第一代的核聚变。

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氘-氚核聚变产生氦-4和一个中子,释放能量

由于人类目前无法实现太阳内部那样巨大的压力,所以只能以提高温度的办法来弥补。为了达到核聚变所需要的温度,美国人耗费巨资建设了一个惯性约束核聚变装置(国家点火装置),利用激光来约束和激发氘和氚。

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“国家点火装置”将要轰击的氘氚靶丸

然而这个建设了15年、耗资35亿美元、占地面积达到3个足球场的庞大设备最后在2012年9月30日以点火失败告终。随后美国国家点火装置放弃了惯性约束核聚变的研究,转向材料研究和为军方进行高爆炸药的研究试验。

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庞大的“国家点火装置”

另一种核聚变的尝试是托卡马克装置,它利用超导体制造一个磁环,用强大的磁场来约束氘和氚,然后通过施加1亿度以上的高温等离子流使其中的氘和氚产生聚变反应。

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托卡马克环

其中一个最具有代表性的实验装置就是在中国合肥中科院等离子体所的全超导托卡马克装置(EAST),尽管EAST已经可以将等离子体加热到了1亿度的高温,但距离实现稳定可控核聚变的目标依然十分遥远,距离实现核聚变商业化发电运营的目标还需要更漫长的时间。

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中国EAST装置被称为“人造太阳”

无论是美国已经失败的国家点火装置还是中国已经部分试验成功的托卡马克装置,都是将氢的核素氘和氚作为原料进行聚变反应,这个反应的过程中会产生一定数量的中子(氘与氘聚变会产生中子),这些中子轰击周围的物质后会有少量辐射物质产生,这通常被称为第一代核聚变。

第二代核聚变是将氘与氦-3进行聚变反应,它比氘氚核聚变的好处是只产生少量中子,放射性要少许多。

而第三代核聚变则是单纯利用氦-3进行聚变使之产生氦-4和氢,这个过程完全不产生中子,也没有核辐射,因此被称为最干净的核聚变。如果第三代核聚变成为现实,人们将可以在闹市中心建造核电站。

第二代和第三代核聚变需要使用氦-3,由于氦的外围有两个电子,要想将其融合在一起所需要的能量将更大,到目前为止人类还不能实现第一代可控核聚变,现在设想到月球上大规模采集氦-3搞第二、第三代核聚变发电是不现实的。

科学探索可以不计成本,但商业的原则是追求利润。

美国现在每年对氦-3的商业需求量超过0.8公斤(约7000升),美国最高峰的时候一年生产了8公斤的氦-3。这些氦-3并不是用来发电,而是用于制造科学研究设备、制造中子扫描仪和磁共振成像扫描仪(MRI)。美国市场上氦-3的价格最低时为100美元/升,现在涨到约2000美元/升,也就是大约17500美元/克。

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磁共振成像扫描仪(MRI)

还记得在月球上为了要得到1克的氦-3,我们需要提纯多少吨月壤吗?1.5亿吨!为了得到0.8公斤(美国现在一年的需求量)的氦-3,需要在月球上处理1200亿吨的月壤,你还觉得这笔买卖是合算的吗?

相比于氦-3,我们现在已经可以很便宜地从海水中获得大量氘。 在天然水中,重水的含量约占0.02%,重水就是由两个氘原子和一个氧原子组成的化合物。使用减容电解法、 氨—氢交换法或硫化氢加压交换法都可以比较方便地将重水从水中分离出来,然后将重水电解就可以得到氘。

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重水结冰后放在普通的水里会沉底,不会浮在水面上

从一公升海水里提取出的氘,在完全的聚变反应中可释放相当于燃烧300公升汽油的能量,氚的制备在目前情况下也比较容易实现,所以只要我们第一代核聚变反应堆能够制造出来,作为核聚变发电的原料氘和氚都是比较容易获得的。

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重水反应堆已经广泛用于核电站的建设中

氘-氚核聚变具有资源无限、不污染环境、不产生高放射性核废料等优点,是人类未来能源的主导形式之一,也是目前认识到的可以最终解决人类社会能源问题和环境问题、推动人类社会可持续发展的重要途径之一。

事实上,我们现在就已经可以工业化制备氦-3了。

氢的同位素氚是核弹头中的重要组成原料,因为氚会衰变成氦-3,从而降低核弹头的爆炸威力,所以核大国每年都需要对放在仓库里的核弹头进行维护保养,把里边的氦-3收集起来;或者将氚放在密封的容器里继续衰变,12年半之后容器里的氚就都变成氦-3了。

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维护核弹头需要定期抽取其中的氦-3气体

如果没有核弹头,也可以将含有锂的吸收棒(TPBAR)插入到核电站反应堆中,让反应堆产生的中子去轰击锂,这样也可以收集到氚,然后把氚密封起来,也可以得到氦-3。

既然我们未来可以容易地提取氘和氚并将其核聚变发电,既然我们现在就可以用相对比较便宜的方法来制备氦-3,为什么还要大费周章地把机器设备运到月球上去挖土呢?

去月球建基地提炼氦-3,这不是神话,是傻话。

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