開採月球上的氦3,對實現可控核聚變有何意義?

2020-12-11 優美生態環境保衛者

月球是地球唯一的衛星,不但承載著人類對外太空探索的希望,而且還可以作為人類向更加遙遠的深空進行星際探測和航行的中轉站。與此同時,隨著地球上資源、能源消耗量的不斷增加,將目光放到其它星體上進行能源資源開採越來越成為一種趨勢,而月球作為距離地球最近的星體,勢必會「近水樓臺先得月」,對月球資源的開發,估計在不久的將來將會成為一種熱潮。

從人類近幾十年向月球發射的眾多探測器作回的資料來看,月球上擁有豐富的資源,其中包括大量的水冰、鐵、鈦、鉀、鉻、鎳等金屬礦床以及稀土、磷礦、矽等,除了這些地球上常見的礦產資源以外,月球上還擁有著地球上非常稀有的氦-3。

大家都知道,太陽內部每時每刻都在發生著核聚變,在高溫高壓條件下,氫元素中的質子在量子隨穿效應的作用下,有一定機率進行質子-質子鏈式反應,兩個質子首先結合形成氘,然後氘與1個質子聚合形成氦-3,兩個氦-3再進一步聚合形成氦-4,在此鏈式反應中釋放出大量的能量。

從目前的科技水平來看,我們還無法完全還原太陽內部的核聚變反應,也就無法通過核聚變反應來獲得足夠多的能量。目前包括我國在內一些國家著力研究的可控核聚變技術(即「人造太陽」),還僅處於實驗及技術攻關階段,距離投入大規模的應用還差距甚遠,主要的技術瓶頸就是在特定的磁力約束裝置下,尋找非常耐高溫的材料比較困難,而且同時控制能量輸入輸出比,使其達到最終輸出能量大於輸入能量可控狀態的難度也非常大。

從太陽內部的鏈式聚變反應來看,從質子聚變為氘的反應條件相對最低,意味著最容易實現,不過在此過程中會產生中子和伽馬射線。如果我們在地球上模擬太陽內部的核聚變從質子聚合成氘開始(這也是常規實驗最常用的一種方式),那麼所釋放的中子在衰變過程中,會對反應裝置產生嚴重的破壞作用。如果我們選擇從鏈式反應的後端環節開始,即從氦-3聚變為氦-4,由於這個環節不會釋放出中子和伽馬射線,因此相對來說要清潔和安全得多。所以,現在開展可控核聚變的理想原材料無疑就是氦-3。

只可惜那些從太陽內核中逃逸出來的氦-3,在隨著太陽風傳送到地球時,絕大部分被地球的磁場所阻擋,所以地球上的氦-3資源非常稀少,滿打滿算才半噸左右,這些還都是依靠地球本身擁有的微量氚(重氫)通過β衰變而來。而月球幾乎沒有磁場,那些通過太陽風攜帶的氦-3可以輕而易舉地到達月球的表面,月球表面的巖石和月壤長時間地受到太陽風帶電粒子的轟擊,氦-3就逐漸在月球表面上被捕獲而富集起來。據科學家測算,月球上的氦-3資源總量可以達到70多萬噸,是地球總量的100多萬倍,理論上可以供人類使用上萬年。這對於未來能源越來越緊張的地球來說,勢必是潛力巨大、清潔高效的能源「補給站」,所以也成為許多大國想方設法要進行月球開發的動力之一。

所以,只要我們完全掌握了可控核聚變技術,屆時的科技發展水平肯定可以達到將月球資源大批量帶回地球的程度,而且從月球上帶回這些礦產資源,對月球的總質量影響也不會太大,月球圍繞地球公轉的軌道也不會發生什麼改變,對地球的潮汐作用也不會產生明顯影響,但是對於地球能源領域的深刻影響和巨大變革肯定起到重要的推動作用。

至於今後誰有權利在月球上開礦,這個問題,早在很多年前聯合國就有了明文規定,即任何國家對於地外空間,都不具有所有權,這也從根本上杜絕了以國家的名義,今後開展太空競爭特別是行星礦產資源爭奪的可能性。但是,聯合國卻沒有對以私人名義進行這項活動提出相關的限制措施,所以,以後通過國家支持有能力的企業進行這項活動,或許會成為一種趨勢。

綜上,我們可以看出,我們在地球上開展可控核聚變,一方面考慮的要以最低的條件進行操作,第二要考慮運行的成本,第三還要考慮能量的輸入輸出比,在一定條件下使用氦-3是最經濟、最安全、最高效的方式。我們並不是非得要用月球上的氦-3,只要技術水平達到了,像水星、火星上都可以開採到足夠的礦產,只不過從現在的情況看,月球距離地球最近,而且含量也不少,是一定時間內最有可能實現大規模開採的首選目標。

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  • 未來誰有權利開採月球?為啥可控核聚變一定要用月球上的氦-3?
    雖然月球上確實蘊藏著許多有價值的物質,但這些稀有的礦藏還不至於讓人類去月球上開採。但有兩種物質卻引起了人們的極大興趣,那就是水和氦。用水作為火箭燃料,或者可作為月球基地的水資源太空旅行是非常昂貴和需要大量資源的項目。
  • 月球土壤中的秘密:氦-3,用來發電足夠全地球使用1萬年
    除了在月球開展天文觀測以外,月球土壤蘊藏的大量「氦3」也意義重大,「氦3」是一種理想的清潔能源,但是在地球上的含量極低,地球上可供人類開採的氦3不足500千克,但是月球上至少有100萬噸的氦3,足夠全地球使用一萬年。
  • 氦-3是一種清潔核聚變原料,為什麼地球上這麼少,月球上這麼多?
    儘管氦-3是那種傳說中的核聚材料,但地球上卻極為稀少,甚至翻遍整個地球也只能提純半噸,這要比世上絕大部分物質都稀有!但月球卻相對比較豐富,當然並非只有月球上有,在水星上也有!只要是沒有大氣層的天體都會有,但距離太陽越近其沉澱濃度將更高一些!
  • 氦3是未來的清潔能源,為什麼地球上很少,而月球上很多? - 艾伯史密斯
    主要是由於地球大氣層和磁場,阻礙了太陽輻射中的氦-3原子到達地球。氦-3是最理想的核聚變清潔能源,不僅釋放能量很高,而且聚變過程沒有中子放出(3He+3He→4He+2(1H),ΔE=12.860MeV),一旦人類商用可控核聚變實現,那麼氦-3將是人類最重要的能源之一。
  • 月球上的氦3能夠為人類提供1萬年的能源,為什麼現在不去開採?
    氦3來源於太陽,太陽風帶著氦3向四周擴散。月球由於沒有大氣所以成為很好的氦3「收集器」,在月球誕生的45億多年的時間裡不停的收集著氦3。所以,月球表面存在著大量的氦3,估計儲量有100萬噸。按目前的世界能源需求,100噸氦3就能滿足全球的能源所需。按這種算法,足夠人類使用1萬年。
  • 月球上氦-3發電能夠供人類用幾萬年,可為什麼沒有人去採集呢?
    關於氦-3這種東西,很了解它的人並不多,實際上它是一種無色無味的氦氣同位素氣體,被公認為一種未來將被廣泛應用的核聚變能源燃料,因為氦-3可以和氫的同位素發生核聚變反應,但是與一般的核聚變反應不同,氦-3在聚變過程中不產生中子,所以放射性小,而且聚變反應過程易於控制,既環保又安全,所以有這種原材料做基礎的話
  • 《流浪地球》中的重元素核聚變技術是什麼?現實中能夠實現嗎?
    我們都知道恆星內部就是在不停發生著氫核聚變反應,由此可見它的能量有多麼強大了。科學家近幾十年來一直都在研究可控核聚變,重心放在氫元素的同位素氘上,因為它是一種相對更容易發生聚變反應的元素,然而這種技術也不是那麼容易突破的,科學家認為,人類想要實現可控核聚變技術,最少還需要50年。
  • 人類研究可控核聚變使用的是氚–氘,可以使用其他元素嗎?
    理論上任何低於鐵的元素都可以進行核聚變反應,並釋放大量能量,但是目前人類引發核聚變的手段,主要靠提高溫度,在所有核聚變當中,氫元素的核聚變反應所需溫度最低,其中又以氘-氚的聚變最容易實現。實際情況人類研究核聚變已有幾十年的時間,要實現可控核聚變還有很多技術有待攻克,實際考慮的情況也更為複雜,比如我們可以利用D-T生成高能中子,然後高能中子撞擊鋰結合生成氚核,可用於補充價格昂貴的氚。
  • 有了月球的氦-3,就能敞開用電,不怕拉閘限電了?
    「終極能源」江湖上有一種傳聞,說是月球上有一種東西叫「氦-3」,它是人類未來的終極能源,有了它,我們將有用不完的電,並且電費便宜到不可想像的地步。說起氦-3,你會很自然地想起核聚變,它是一種核聚變燃料。
  • 可控核聚變為什麼是終極能源?
    而核聚是較輕的核聚變為較重的核,主要原材料是氫的同位素氘和氚,其中氘在海水中的存儲量很大大約是十萬分之一,別看這個數字很小,0.03g氘聚變產生的能量相當於300升汽油,至於地球上的海水有多少我就不提了,總之這些氘聚變產生的能量足夠為我們人類提供上億年的保障,而且氘的提取方法還很便捷,這麼好的事那去找?
  • 研究發現,月球上還有比氦3更重要的東西,它將改變未來太空探索
    經過了我國嫦娥五號的採樣返回任務,我們已經了解到了為什麼我們要大力的發展航天科技,為什麼要去往月球?因為月球上有我們未來想要的東西,它就是氦-3,這是氦元素的一種同位素,比氦元素少了一個中子,沒有放射性,它可以取代氘、氚這兩種元素,使得人類更好、更容易、更安全的實現核聚變反應。
  • 1噸相當1500萬噸石油能量,月球氦-3開採要等幾十年?中國超前?
    而從人類發展至今,月球也只有三個國家能夠上去,分別為俄羅斯,美國,中國。雖然在以色列、印度等國都進行過月球登陸,但是最終都是以失敗而告終了。所以說全球有能力登陸月球的第四個國家暫時還未出現,這個可能還需要繼續等待。不過在3月,印度也再次宣布了月球探測器「月船三號」的計劃,在時間上來說又推遲了。
  • 月球上氦-3發電夠全人類用上萬年,為什麼沒有人運回地球?
    現代的航天發射成本有多高,大家都是知道的,這一來一回,不知道要花多少錢呢?氦3目前是屬於用不到的能源,也無需提前做好準備把它們拉回來,什麼時候用什麼時候去取,在月球那裡,沒人可以搶的到。可控核聚變是人類的能源夢想,現代的核電站都是採用核裂變原理,但核聚變釋放的能量遠遠高於核裂變。目前世界上主要大國都在進行著可控核聚變方面的實驗。2017年7月3日,位於我國安徽合肥的全超導託卡馬克裝置約束等離子體運行的時長超過了100秒,達到了101.2秒,打破了世界紀錄。
  • 氦-3被稱為完美能源,為何月球有100萬噸以上,地球卻只有0.5噸?
    受限於科技水平,目前的相關研究工作只能從最初級的核聚變開始,根據科學家的設想,未來的可控核聚變主要有三種類型,即:氘和氚的核聚變、氘和氦3的核聚變以及氦-3和氦-3的核聚變。需要指出的是,前兩種類型的核聚變總是會伴隨著中子輻射的,而中子輻射會給人們帶來很大的麻煩。
  • 如果說月球是地球的一部分,月球有大量的氦3,地球為什麼沒有?
    說起這個問題要先說一下太陽,太陽核心進行著劇烈的核聚變,形成新物質的(氦)的同時不斷向外噴發能量,因此導致部分帶電粒子脫離太陽,能夠吹拂太陽周圍100多天文單位的範圍。太陽由於核聚變活動,氫聚變變成氦,其中一部分氦就是氦的同位素氦-3。
  • 100噸球氦-3是全球一年能源量?嫦娥5號探月,細品氦-3未來
    把月球土壤樣品加熱到2000攝氏度後,科學家還發現有惰性氣體從月壤中逸出,其中有氦、氬、氖、氙等放射性粒子。更可喜的是,月球上還富含地球上少有的清潔能源氦-3,它是核聚變反應堆的理想燃料。它就是今天我們要分享的重點。氦-3至今一直被人們稱為人類的未來能源。
  • 新一代「人造太陽」反超美國,中國會不會率先實現可控核聚變?
    新聞不是剛剛的報導:中國新一代「人造太陽」中國環流器二號M裝置,在成都建成並實現首次放電了嗎?這是個好消息哈,聽說技術已經反超美國了。我們會不會是最早實現可控核聚變的國家?什麼時候可以實現呢?答案,你看完這篇文章,也許心中就有數了。今天我們就通俗的來聊一聊「什麼是可控核聚變?」
  • 嫦娥五號去月球挖氦3,美國40年前阿波羅登月,花了多少資金?
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  • 如果核聚變成功了,一度電降到1毛錢,到時會產生什麼影響?
    其實是核聚變,核聚變有幾大優勢: 1、核聚變能量非常高效,比如對於中國這樣一個大國來說,只需要8噸氦-3核聚變原料就足夠供應全國一年的用電。 2、放射性低,目前人類已經掌握的核電技術是核裂變,而核裂變潛在的安全風險非常大,一旦洩露了就會產生很多輻射,比如福島核電站洩露就是非常嚴重的事情。
  • 太陽核聚變只要1500萬度,可控核聚變卻要1億度,這是什麼原因?
    稍懂科學常識的人都知道,太陽一直是依靠核聚變源源不斷的產生著巨大能量,我們才能夠得到它的光和熱。太陽中心溫度只有1500萬℃,就可以維持源源不斷的核聚變。可一些科學報導總說,現在正在試驗的可控核聚變溫度達到了1億℃,這又是為什麼呢?為什麼不可以像太陽那樣,用較低溫度實現可控核聚變,這樣不是容易很多嗎?