“未来能源”氦-3有啥用？真值得从月球开采运回来？

　　氦-3这种核素一度热到不行，因为它是一种可以用作清洁核聚变发电的原料。

　　氦有好几种同位素，从氦-2、氦-3、氦-4，一直到氦-10。但其中只有氦-3和氦-4是稳定的核素，其它的氦同位素都极短命，甚至氦-2和氦-9到目前为止还只是理论上有，没人能证明它们实际存在。

　　在宇宙中，氦-3和氦-4是极其丰富的，不像地球表面那么难找。

　　氦在元素周期表中的位置

　　氦的产生

　　科学家们认为，自从宇宙诞生之初，“大爆炸”之后，太空里就已经充满着氦了，因此氦跟氢一样，是“天生”的。

　　因为原子核里只有2个质子，氦是目前可观测宇宙中除氢之外第二轻的元素，氦在宇宙中的质量占了宇宙物质总质量的24%，是所有其它重元素质量总和的12倍多。这是因为氦的核结合能比较低，它比其它元素更容易合成。

　　除了“大爆炸”合成了绝大部分的氦核外，宇宙中其它的氦主要来源于恒星内部的核聚变和其它星际放射性物质的衰变释放的α粒子。

　　氦-3的原子核中有两个质子和一个中子，地球上氦-3主要来自氚的β衰变、锂散裂和宇宙射线对高层大气的影响。

　　太阳内部的核聚变产生大量的氦

　　氦的含量

　　宇宙中大部分的氦是氦-4，氢-3的含量只有氦-4的万分之三。这是科学家们通过测量木星大气氦的含量得出的结论，木星大气中的氦同位素比例说明了在早期太阳系星云中氦同位素的比例关系。这个比例应该与月球表面氦-4与氦-3的比值相同，但实际上月球表面已知的氦-3平均含量在1.4ppb左右，而月球表面氦-4平均含量大约在28ppm左右，氦-4比氦-3多出近2万倍。

　　即便月球上的氦-3看起来很少，但比起地球上氦-3的含量还是要丰富许多的。氦在地球上最初就有，但它的含量远低于宇宙中氦的含量，目前地球的地幔里有7%的原始氦，这是因为在地球形成的过程中，像氢和氦这样轻的气体都上升到大气层的上方，然后慢慢被太阳风吹到太空中去了。

　　地球形成之初，大量气体喷发并逃逸到太空中

　　地球内部大量的铀和钍在衰变的过程中可以释放氦-4，氦-4相比于氦-3一直在增加。据测算，地球岩石圈每年由于α衰变新产生3000吨氦，氦在地壳中的含量大约为十亿分之八，而海水中氦的含量只有万亿分之四，大量的氦原子只要一出地表，大部分通过大气层扩散出去了。

　　α衰变产生氦-4

　　目前全球氦的储量大约是500亿立方米，这些氦基本都是混杂在天然气田里，如果天然气储藏层的地下有更多的铀或钍，就有更高含量的氦。

　　大气中有少量氦-3，它们离散地分布于高层大气，所以想从大气层里获取氦-3难度极大成本极高。因此目前绝大多数天然的氦-3还是要从天然气里分离出来。按照氦-3在天然气里的浓度计算，美国现在每生产1亿立方米的天然气，大约可以分离出1.2~4.3千克氦-3，而阿尔及利亚每1亿立方米天然气则只能分离1千克左右氦-3。

　　由于分离成本高昂，大多数稀有气体都被释放到大气中了

　　氦-3拿来干嘛用？

　　目前情况下，氦-3的应用范围很窄，它主要用于中子检测以及肺部医学影像两个方面。

　　氦-3有很高的热中子吸收截面，所以它是中子检测仪里的转换器气体。当氦-3捕捉到一个中子时，它会转化为一个氚离子和一个氢离子（质子）同时释放0.764 MeV的能量，通过分析产生出的气体成分，就能判断放射性物质的中子辐射剂量。

　　未来氦-3还可以用于核聚变发电。

　　P-P融合反应链，它的下端就是第三代核聚变

　　科学家们知道，当一个氦-3原子核与氘原子核发生融合时，会产生一个氦-4原子核与一个质子，同时释放18.354 MeV的能量，这是第二代核聚变；

　　而当两个氦-3原子核发生融合，则会产生一个氦-4核与两个质子，释放12.86MeV的能量，这被称为第三代核聚变。

　　从上面的两个反应过程，我们注意到它们都没有产生中子，也就是说这个反应过程对外没有放射性物质产生，因此由氦-3参与的第二代核聚变以及第三代核聚变技术被称为“真正干净的核聚变”，氦-3身价暴涨，人们做梦都想为未来清洁的核能发电寻找氦-3这种清洁的原材料。

　　从理想回到现实

　　氦-3发电真的那么完美吗？

　　其实，第二代核聚变发电是有中子产生的，因为在氦-3与氘融合产生氦-4的同时，还有一部分氘与氘之间也会产生融合反应。当两个氘核融合时，有可能会产生一个氦-3和一个中子，中子具有放射性，跟第一代聚变反应一样被认为不够清洁。与此同时，第二代和第三代核聚变由于需要克服更强的库仑势垒，需要更高的能量才能完成融合，聚变所产生能量中的大部分要被聚变本身消耗。到目前为止人类还无法完全掌握第一代核聚变技术，科学界最乐观的估计，将第一代核聚变技术用于商业发电需要到2050年（30年以后）。更高能级的核聚变还处于设想与研究阶段，距离现实还有相当长的路要走。

　　世界各国参加的ITER项目目前只是第一代核聚变试验堆

　　我们需要多少氦-3？

　　我们以未来相对容易实现的第二代聚变反应为例来做一个计算：

　　H + He → He + 1 p + 18.3 MeV

　　这相当于每1摩尔（3g）He约可以产生493 兆瓦时（4.93×10 W·h） 的能量，如果这些能量100%地转化为电能，一个100万千瓦的核电站每小时约需要消耗6克氦-3，这个电站每发电一年需要消耗52.5千克的氦-3。任何核电站要做到100%的能源转化效率是不可能的，能做到30%就相当不错了，因此这个电站年氦-3实际需求量将超过157千克。

　　2018年咱大陆地区全社会用电量约为6.84万亿千瓦时，如果这些电能全部由第二代核聚变产出，我们当年至少需要332吨的氦-3原料，且需要至少建设2100座百万千瓦级的核聚变电站。

　　美国核电站巨大的冷却塔

　　前面介绍过，自然界的氦-3储量主要在天然气田，每1亿立方米天然气最多可以分离出1.2~4.3千克氦-3，取中位数3千克。2018年全球天然气产量约为3.6万亿立方米，即使其中所有氦-3都被提取，也只能得到108吨。事实上以目前的探测结果与技术，我们能取得10吨就已经顶天了，许多天然气田里根本就没有氦-3。

　　月球表面有多少氦-3？

　　太空中有无尽的氦，虽然氦-3在其中仅占万分之三，但由于氦的总量极大，氦-3仍可以说是取之不尽的。问题是它们太分散，富集的地方环境又太恶劣，无论太阳大气层还是木星大气层，我们都无法接近。最近的地方只有月球。

　　月球表面贫瘠荒芜，采矿难度极大、成本极高

　　据估计，月球表面阳光照射区域的月壤中约含有浓度在1.4到15ppb（十亿分之一浓度）之间的氦-3，而在月球两极永久阴影区域的氦-3浓度可能达到50ppb。我们是否可以去月球开采氦-3运回地球发电呢？按照浓度计算，我们平均需要对1500吨月球土壤和岩石进行提纯才能获得1克氦-3，而2006年国际市场氦-3的价格仅为1500美元/克。地球上品位最高的金矿，每吨矿石中含金不到50克，普通的每吨矿石中只有3~4克黄金，储量稀少、开采成本高被认为是黄金宝贵的重要原因。

　　遂昌金矿

　　月球上氦-3浓度只有地面金矿的万分之一，开采和提纯难度更高；无论是将庞大的设备和工厂搬去月球还是运营维护它们都需要极庞大的成本；每天至少需要运回1吨氦-3才能满足一国之需，这需要每天至少挖掘、粉碎和提纯15亿吨的月球岩石；并且由于氦-3分布离散，你需要把整个月球表面都刨一遍。你还认为去月球采矿是合算的吗？

　　荒芜的月球

　　总结

　　一、氦-4与氦-3在宇宙中的含量丰富，但在地球表面它们的储量极低。
　　二、地幔物质中被认为有氦，但我们无法开采；氦气通常与天然气伴生，其中氦-3的含量极低，每1亿立方米天然气仅能提取到1.2千克左右氦-3。
　　三、第二、第三代核聚变技术尚在研究中，需要走的路还很长，并且大规模发电需要大量氦-3，地球自然储量无法满足需求。
　　四、月球表面氦-3含量相对比较高，但开采难度极大成本极高，从商业角度是不合算的。
　　五、未来人类可以以多种方式获得能源，除了现有发电方式外，第一代核聚变技术不需要担心氘原料不足；并且在太空建设太阳能电站也可以提供无尽的能源。

　　综合以上分析，证明去月球开采氦-3并不是我们明智的选择。