開採月球上的氦3,對實現可控核聚變有何意義?

2020-12-04 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。

相關焦點

  • 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。
  • 氦三是終極核聚變燃料,假如用氦三,會更容易實現可控核聚變嗎?
    可控核聚變是人類夢寐以求的能源,但即使到現在為止仍然依然在核聚變的門檻外徘徊,似乎有一隻腳已經跳到門檻裡,但距離真正的核聚變永遠都還有五十年!都說月球上氦三資源豐富,是核聚變理想的燃料,那麼將現在正在搗鼓的氘氚核聚變換成氦三,會更容易實現嗎?
  • 轉載:氦三是終極核聚變燃料,假如用氦三,會更容易實現可控核聚變嗎?
    可控核聚變是人類夢寐以求的能源,但即使到現在為止仍然依然在核聚變的門檻外徘徊,似乎有一隻腳已經跳到門檻裡,但距離真正的核聚變永遠都還有五十年!
  • 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。
  • 完美能源氦-3,地球只有半噸可用,月球卻有百萬噸
    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
  • 《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。
  • 將來會成為人類重要能源的月球資源「氦3」
    氦-3是氦的同位素之一,元素符號為3He,它的原子核由二顆質子和一顆中子所組成,是穩定同位素。根據一些科學家的看法,正是氦-3有可能成為人類將來首選的發電能源。氦-3的儲量在整個地球上最多只有500公斤,可是在月球的土壤裡儲量豐富。中國「嫦娥一號」的科學目標第三條明確指出了這一研究重點:探索月壤的特性,研究月壤的厚度,估算氦-3的資源量。
  • 完美能源氦-3,地球只有半噸可用,月球卻有百萬噸,我國已在行動
    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
  • 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
  • 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。
  • 月球上有氦-3,以後真能做到用電自由,不再怕拉閘限電嗎?
    「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。我們知道在太陽的中心時刻都在發生核聚變,因此大家習慣地將正在研製中的核聚變裝置稱為「人造太陽」,意思是它能為我們帶來源源不斷的清潔能源。
  • 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。
  • 嫦5返航,實現量子霸權,可控核聚變放電,中國發生啥大事了?
    去年9月份谷歌的量子計算機「懸鈴木」在處理特定問題上(隨機路線採樣)成功實現了量子霸權,這是量子計算機首次展現出了它驚人的快速計算能力。「量子霸權」這幾個字給人的感覺就非常的高大上,而且有種盛氣凌人的感覺,不過它在我國還有一個稱呼叫「量子優越性」。這聽起來就讓人感覺舒服多了。從名命就可以看出我們一般都比較低調。
  • 專家:開發利用月球氦-3能源的夢想幾十年內無法實現
    接受衛星通訊社採訪的專家認為,在月球開採氦-3並將其作為能源使用還是一個遙遠的夢想,幾十年內無法實現。據科學家估算,1噸氦-3進行熱核聚變釋放的能量相當於1500萬噸石油燃燒釋放的能量。地球上氦-3儲量極少,不具開發價值,月球上的氦-3儲量則可滿足地球五千年的能源需求。這也是科學家對月球興趣增加的原因之一。莫斯科物理技術學院應用紅外光譜實驗室主任亞歷山大羅金說:「很遺憾,目前該領域沒有任何商業價值,因為世界上沒有熱核聚變技術。」
  • 可控核聚變為什麼是終極能源?
    有了中子之後氘核在去跟氫核結合的時候雖然還是有排斥力,但是氘核中的中子會輔助把氫核拉過來,這樣就大大降低了聚變的難度,氘核跟氫核會聚變成氦三,就是大家都想去月球上搶的那個氦三,氦三接下來還會繼續發生聚變最終生成氦四。這就是太陽當中核聚變的整個過程了。
  • 中國將率先探測月球氦-3資源量
    作為中國首次月球探測的四項科學目標之一,月壤探測將通過月表微波特性,反演月表亮溫分布,估算全月球月壤結構與厚度,可以初步估算出全月球月壤中氦-3的資源量和分布,這對人類未來和平開發利用月球能源有著重要意義。據介紹,氦-3原本大量存在於太陽噴射出來的高能粒子流———太陽風中。在超高真空的月球表面,太陽風直接注入月球的月壤表面。經過46億年的日積月累,氦-3在月壤顆粒表面蘊藏豐富。
  • 可控核聚變能用在火箭上嗎?
    可控核聚變能用在火箭上嗎?能否幫助我們人類登上火星?可控核聚變是火星任務返回的關鍵自人類在1961年登上月球,浩浩蕩蕩的阿波羅任務在1972年結束後,我們就把目光投向了太陽系中最有可能存在生命的行星火星,火星也是我們人類下一個最有可能登陸的地外行星,在太陽系中除地球之外的所有行星中,沒有一個星球像火星那樣一直吸引科學家的注意力。
  • 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。
  • 嫦娥五號採樣歸來,不過別指望氦-3能開啟什麼核聚變能源變革之路
    而返回艙中珍貴的2Kg月球採樣「土特產」顯然是大家關注的焦點。特別是早已被不少媒體和網友宣傳的沸沸揚揚的,月球上的氦-3作為一種清潔核聚變燃料,在未來將可能是地球能源危機的終結者,甚至說將可能開啟核聚變能源變革之路。而此次嫦娥五號的月球採樣,正可以驗明月球上的氦-3儲量,為將來月球上建立氦-3採集基地提供研究數據支持。