氦3的作用是什么？

【專家解說】：氦3是氦的一種同位素。氦原子核一般由2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子組成，即氦?4，而氦3則少1個(gè)中子，這使它成為核聚變材料。而且，用氦?3的聚變能發(fā)電比較安全。 　　在地球上，天然的氦?3很少，總量不過幾千克。用氫的同位素氚蛻變?yōu)楹?3，也只不過10～20千克。 　　我們知道，月球是由在地球受撞擊時(shí)飛濺出去的物質(zhì)集結(jié)而成的。那么，月球上的氦?3是從哪里來的呢?研究認(rèn)為，月球上的氦?3主要來自太陽(yáng)風(fēng)。 　　經(jīng)研究，太陽(yáng)風(fēng)中含有4%的氦，其中氦?3和氦?4的比例為5∶10000。由于月球沒有磁場(chǎng)，太陽(yáng)風(fēng)可直達(dá)月球表面。又由于月球沒有大氣，經(jīng)常受隕石撞擊，土壤疏松，氦?3到達(dá)后被土壤粒子包圍，就留在了那里。因?yàn)楹?3原能級(jí)較低，它們不會(huì)進(jìn)入很深的土壤。 科學(xué)家提出，在人類資源面臨短缺的今天，向地球外尋找新的能源，應(yīng)該是未來一條可以探索的發(fā)展之路，比如從月球表面開采氦氣，傳送到地球?qū)⒂兄诮鉀Q人類未來面臨的能源短缺難題。 　　從已經(jīng)收集到的月球表面礦物標(biāo)本看，月球表面土壤含有豐富的氦-3元素，氦-3元素通常被用作人造大氣層和鐳射媒體的組成部分，和用作制冷劑及飛行氣球的氣體。它在地球上是非常稀少的，而在月球上卻有大量的儲(chǔ)存。 　　美國(guó)田納西州行星地球科學(xué)研究院負(fù)責(zé)人勞倫斯.泰勒教授說：“氦可以與一種氫的同位素氘結(jié)合，發(fā)生裂變反應(yīng)，產(chǎn)生巨大的能量。月球有豐富的氦-3資源，太空飛船運(yùn)送25噸的氦元素，就足夠供給美國(guó)一年的電力需求。大約2億噸的月球土壤就能夠產(chǎn)生1噸的氦元素，而地球土壤僅僅能產(chǎn)生10公斤?！?　　在月球表面的氦-3元素是通過太陽(yáng)風(fēng)作用而被沉積的。如果對(duì)月球土壤和巖石進(jìn)行800°C的高溫加熱，就可以把它們從中提取出來。但泰勒教授也指出：“通過反應(yīng)堆技術(shù)把氦-3元素轉(zhuǎn)化成能量仍然處于未成熟階段，還需要科學(xué)家花費(fèi)數(shù)年的時(shí)間完善。” 　　除了技術(shù)問題，資金也是現(xiàn)在面臨的一項(xiàng)困難。泰勒說，在美國(guó)現(xiàn)在還沒有專項(xiàng)資金用在非石油能源項(xiàng)目的研究上。但他警告到2050年，煤、石油、天然氣等能源將面臨枯竭，所以我們應(yīng)該對(duì)這項(xiàng)研究投入更多的精力。與會(huì)的其他科學(xué)家也贊成，氦-3是一種安全的能源，可以作為未來的燃料，所以它的開發(fā)利用應(yīng)該受到重視。 　　科學(xué)家一致認(rèn)為，如何利用月球氦-3元素聚變反應(yīng)的技術(shù)可以在未來30的時(shí)間里基本成熟。在月球發(fā)現(xiàn)的潛在氦3資源可能將成為解決這一問題的關(guān)鍵。 　　儲(chǔ)量非常豐富 　　從月球采集的礦石樣本顯示，其中含有豐富的氦3。美國(guó)行星地質(zhì)研究所地球與行星科學(xué)部主任勞倫斯·泰勒說：“與地球相比，月球有著儲(chǔ)量驚人的氦3。氦3與(氫的同位素)氘相結(jié)合所產(chǎn)生的核聚變反應(yīng)能產(chǎn)生非常高的溫度，并釋放出巨大能量?！?　　“一艘航天飛機(jī)一次能運(yùn)載25噸氦3，這些氦3足以提供夠美國(guó)用一年的電量。”泰勒在印度北部城市烏代布爾舉行的月球開發(fā)國(guó)際會(huì)議上說。 　　他估計(jì)，大約每2億噸月球土壤中可以提煉出1噸氦3。相比之下，地球上所有的氦3加起來也只有大約10公斤。 　　印度總統(tǒng)阿卜杜勒·卡拉姆24日在這次會(huì)議上發(fā)言時(shí)說，整個(gè)月球大約共有100萬(wàn)噸氦3。“月球上以氦3形式蘊(yùn)藏的能量比地球上所有礦物燃料(石油、煤、天然氣)的總和還多10倍，”卡拉姆說。 　　技術(shù)尚未成熟 　　科學(xué)家認(rèn)為，月球上的氦3來源于太陽(yáng)風(fēng)，混雜于土壤和巖石之中。要利用這一資源就必須進(jìn)行提煉。例如，要從巖石中提煉氦3，就要把巖石加熱到800攝氏度以上。 　　不過，泰勒同時(shí)指出，把氦3轉(zhuǎn)換成能源的核聚變技術(shù)目前仍處在研發(fā)階段的初期，這項(xiàng)技術(shù)要成熟還需要多年時(shí)間。 　　“問題是，現(xiàn)在還沒有一種有效的核反應(yīng)堆來處理氦3。這種實(shí)驗(yàn)?zāi)壳斑€只能在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行。按照現(xiàn)在的研究進(jìn)度，還需要30年，”他說。 　　其他一些科學(xué)家說，這種開發(fā)中的核聚變反應(yīng)堆的一大優(yōu)勢(shì)是“安全”，甚至可以把它建在任何城市的鬧市區(qū)。這點(diǎn)與現(xiàn)有的核裂變反應(yīng)堆不同。 　　資金嚴(yán)重不足 　　美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室行星學(xué)家D·J·勞倫斯說：“月球上可能有儲(chǔ)量巨大的氦3。第一步是要進(jìn)行勘察，找到氦3的聚集地。這樣，當(dāng)核反應(yīng)堆技術(shù)成型后，我們就能作好準(zhǔn)備，提供準(zhǔn)確信息?！?　　“它(氦3)很安全，的確能被用作未來能源。這完全不是科幻小說。夢(mèng)想擺在眼前，現(xiàn)在的問題是，資金從何而來？如果人們團(tuán)結(jié)起來干這件事，毫無(wú)疑問就能成功，”他說。 　　泰勒也說，美國(guó)目前沒有人向從事非石油能源研究的項(xiàng)目提供資金。他警告說，石油、煤、天然氣等資源很快就將耗盡。 　　“到2050年，全球?qū)⒚媾R嚴(yán)重問題。我們必須未雨綢繆?，F(xiàn)在，我們做得還不夠。我們中有些人是在(未雨綢繆)。但那些負(fù)責(zé)決策和劃撥資金的人卻不是。他們考慮的只是下屆大選，”他說，“如果我們關(guān)注月球，并且有足夠資金，我們就能干得很快。如果財(cái)政資源得到保障，這可以在10年內(nèi)完成。”氦—3何以受寵 1985年，專家們通過分析“阿波羅”號(hào)載人登月飛船帶回的月球巖土樣品發(fā)現(xiàn)，月球上有大量地球上稀有的物質(zhì)氦—3。 月球上之所以富含氦—3，是由于氦—3大量存在于太陽(yáng)風(fēng)中，太陽(yáng)風(fēng)由90%的質(zhì)子（氫核）、7%的α粒子（氦核）和少量其他元素的原子核組成，月球上的氦—3正是太陽(yáng)風(fēng)中的α粒子。月球沒有磁場(chǎng)和大氣，太陽(yáng)風(fēng)粒子能直達(dá)月面。經(jīng)過億萬(wàn)年流星和微流星的撞擊，整個(gè)月球表面都不同程度地“吸附”上太陽(yáng)風(fēng)的粒子。 其實(shí)，月球上有硅、鐵、鋁、鈦和鈣等多種資源，可以用來直接生產(chǎn)建材建造房屋。另外，月球的兩極可能存有1100萬(wàn)至3.3億噸水冰，它們不僅可以滿足人在月球上生存的需要，水如果分解成氧和氫，還可以成為重要燃料。 但由于現(xiàn)在從地球到月球單程的運(yùn)輸費(fèi)約為每噸4000萬(wàn)美元左右，再加上采掘、提煉和運(yùn)回地球等費(fèi)用，開發(fā)成本太高。而開發(fā)月球上的氦—3是劃算的，因?yàn)樵诎l(fā)電量相同的情況下，使用月球能源氦—3的花費(fèi)只是目前核電站發(fā)電成本的10%，如以石油價(jià)格為標(biāo)準(zhǔn)，每噸氦—3價(jià)值約40億—100億美元，是月球上的超級(jí)“金礦”。&nbs p;滿足數(shù)千年能源需求 有關(guān)氦—3在地球和月球上的儲(chǔ)量目前說法不一：有的說在地球上氦—3儲(chǔ)量為半噸，也有的說是15噸；有的說月球蘊(yùn)藏的氦—3約為100萬(wàn)噸，也有說是沉積在月球上的氦—3大約有5億噸。俄羅斯專家估算，在10—15平方公里范圍內(nèi)挖掘并加工深度為3米的月壤，即可獲得約1噸氦—3，足以保證一個(gè)功率為1000萬(wàn)千瓦的發(fā)電機(jī)組工作1年。 由于100噸的核燃料氦—3就可以滿足地球上1整年的能源需求，所以即使月球蘊(yùn)藏氦—3約為100萬(wàn)噸，就可滿足全球數(shù)千年的電力需要。目前我國(guó)一年的核發(fā)電量中大約需要不超過10噸氦—3。 俄羅斯科學(xué)家認(rèn)為，每燃燒1千克氦—3便可產(chǎn)生19兆瓦的能量，足夠莫斯科市照明用6年多。美國(guó)航天專家指出，用航天飛機(jī)往返運(yùn)輸，一次可運(yùn)回20噸液化氦—3，可供美國(guó)一年的電力。 采掘、運(yùn)輸?shù)榷际请y點(diǎn) 開發(fā)、運(yùn)送月球上的能源還有很多難題需要解決。比如，要實(shí)現(xiàn)月球和地球之間的人、貨運(yùn)輸，首先要有足夠大推力的運(yùn)載火箭，當(dāng)年，因?yàn)闆]有研制出大推力的N—1巨型火箭，蘇聯(lián)在載人登月上敗給美國(guó)；另外，要在沒有大氣包裹的月球表面著陸，主要只能靠反推火箭來緩沖，如何保障安全是一個(gè)大難題。 就算解決了往返運(yùn)載難題，如何從月壤中提出氦—3，怎樣實(shí)現(xiàn)核聚變，科技上都還沒有已知的答案。目前，核聚變的控制問題已進(jìn)入攻堅(jiān)戰(zhàn)階段。法國(guó)科學(xué)家最近宣布，2030年將使利用氦—3進(jìn)行核聚變發(fā)電商業(yè)化。 雖然人類已經(jīng)對(duì)月球進(jìn)行了很多次探索，取得了大量的數(shù)據(jù)，但要在月球上建立基地，實(shí)際開發(fā)利用月球資源和環(huán)境，還有一個(gè)漫長(zhǎng)的過程。各國(guó)科學(xué)家正圍繞月球上氦—3的形成、儲(chǔ)量、采掘、提純、再貯存、運(yùn)輸及月球環(huán)境保護(hù)等問題悄然開展相關(guān)研究，但認(rèn)為10年之內(nèi)難以指望。 在月球建核電站 未來解決地球能源不足的主要出路有兩個(gè)：一個(gè)是核能，另一個(gè)是太陽(yáng)能。為了解決運(yùn)輸問題，降低成本，不少國(guó)家設(shè)想直接在月球上建造核電站，電站發(fā)出的巨大電力除供月球基地使用外，還將通過激光或微波輸送到位于近地軌道上的能量中繼衛(wèi)星，再由中繼衛(wèi)星仍以激光或微波形式傳送給地球。在月球上建核電站也不用擔(dān)心核泄漏。 也有人提出在月球上建太陽(yáng)能基地，因?yàn)樵虑虮砻鎺缀鯖]有大氣，太陽(yáng)輻射可以長(zhǎng)驅(qū)直入，而且很容易滿足用目前光電技術(shù)進(jìn)行太陽(yáng)能發(fā)電需要占用大片光照充足的土地的要求。 每年到達(dá)月球范圍內(nèi)的太陽(yáng)光輻射能量大約為12萬(wàn)億千瓦，相當(dāng)于目前地球上一年消耗的各種能源所產(chǎn)生的總能量的2.5萬(wàn)倍。假設(shè)在月球上使用目前光電轉(zhuǎn)化率為20％的太陽(yáng)能發(fā)電裝置，則每平方米太陽(yáng)能電池每小時(shí)可發(fā)電2.7千瓦時(shí)，若采用1000平方米的電池，則每小時(shí)可產(chǎn)生2700千瓦時(shí)的電能。這不但解決了未來月球基地的能源供應(yīng)問題，而且隨著人類空間轉(zhuǎn)換裝置技術(shù)和地面接收技術(shù)的發(fā)展與完善，還可以用微波傳輸太陽(yáng)能，為地球提供源源不斷的能源。