氦3的作用是什么？

?晓高? 2024-06-05 16:37:22

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氦3是氦的一种同位素。氦原子核一般由2个质子和2个中子组成，即氦?4，而氦3则少1个中子，这使它成为核聚变材料。而且，用氦?3的聚变能发电比较安全。在地球上，天然的氦?3很少，总量不过几千克。用氢的同位素氚蜕变为氦?3，也只不过10～20千克。我们知道，月球是由在地球受撞击时飞溅出去的物质集结而成的。那么，月球上的氦?3是从哪里来的呢?研究认为，月球上的氦?3主要来自太阳风。经研究，太阳风中含有4%的氦，其中氦?3和氦?4的比例为5∶10000。由于月球没有磁场，太阳风可直达月球表面。又由于月球没有大气，经常受陨石撞击，土壤疏松，氦?3到达后被土壤粒子包围，就留在了那里。因为氦?3原能级较低，它们不会进入很深的土壤。科学家提出，在人类资源面临短缺的今天，向地球外寻找新的能源，应该是未来一条可以探索的发展之路，比如从月球表面开采氦气，传送到地球将有助于解决人类未来面临的能源短缺难题。从已经收集到的月球表面矿物标本看，月球表面土壤含有丰富的氦-3元素，氦-3元素通常被用作人造大气层和镭射媒体的组成部分，和用作制冷剂及飞行气球的气体。它在地球上是非常稀少的，而在月球上却有大量的储存。美国田纳西州行星地球科学研究院负责人劳伦斯.泰勒教授说：“氦可以与一种氢的同位素氘结合，发生裂变反应，产生巨大的能量。月球有丰富的氦-3资源，太空飞船运送25吨的氦元素，就足够供给美国一年的电力需求。大约2亿吨的月球土壤就能够产生1吨的氦元素，而地球土壤仅仅能产生10公斤。在月球表面的氦-3元素是通过太阳风作用而被沉积的。如果对月球土壤和岩石进行800°c的高温加热，就可以把它们从中提取出来。但泰勒教授也指出：“通过反应堆技术把氦-3元素转化成能量仍然处于未成熟阶段，还需要科学家花费数年的时间完善。除了技术问题，资金也是现在面临的一项困难。泰勒说，在美国现在还没有专项资金用在非石油能源项目的研究上。但他警告到2050年，煤、石油、天然气等能源将面临枯竭，所以我们应该对这项研究投入更多的精力。与会的其他科学家也赞成，氦-3是一种安全的能源，可以作为未来的燃料，所以它的开发利用应该受到重视。科学家一致认为，如何利用月球氦-3元素聚变反应的技术可以在未来30的时间里基本成熟。在月球发现的潜在氦3资源可能将成为解决这一问题的关键。储量非常丰富从月球采集的矿石样本显示，其中含有丰富的氦3。美国行星地质研究所地球与行星科学部主任劳伦斯·泰勒说：“与地球相比，月球有着储量惊人的氦3。氦3与(氢的同位素)氘相结合所产生的核聚变反应能产生非常高的温度，并释放出巨大能量。“一艘航天飞机一次能运载25吨氦3，这些氦3足以提供够美国用一年的电量。泰勒在印度北部城市乌代布尔举行的月球开发国际会议上说。他估计，大约每2亿吨月球土壤中可以提炼出1吨氦3。相比之下，地球上所有的氦3加起来也只有大约10公斤。印度****·卡拉姆24日在这次会议上发言时说，整个月球大约共有100万吨氦3。“月球上以氦3形式蕴藏的能量比地球上所有矿物燃料(石油、煤、天然气)的总和还多10倍，”卡拉姆说。技术尚未成熟科学家认为，月球上的氦3来源于太阳风，混杂于土壤和岩石之中。要利用这一资源就必须进行提炼。例如，要从岩石中提炼氦3，就要把岩石加热到800摄氏度以上。不过，泰勒同时指出，把氦3转换成能源的核聚变技术目前仍处在研发阶段的初期，这项技术要成熟还需要多年时间。“问题是，现在还没有一种有效的核反应堆来处理氦3。这种实验目前还只能在实验室中进行。按照现在的研究进度，还需要30年，”他说。其他一些科学家说，这种开发中的核聚变反应堆的一大优势是“安全”，甚至可以把它建在任何城市的闹市区。这点与现有的核裂变反应堆不同。资金严重不足美国洛斯**莫斯**实验室行星学家d·j·劳伦斯说：“月球上可能有储量巨大的氦3。第一步是要进行勘察，找到氦3的聚集地。这样，当核反应堆技术成型后，我们就能作好准备，提供准确信息。“它(氦3)很安全，的确能被用作未来能源。这完全不是科幻小说。梦想摆在眼前，现在的问题是，资金从何而来？如果人们团结起来干这件事，毫无疑问就能成功，”他说。泰勒也说，美国目前没有人向从事非石油能源研究的项目提供资金。他警告说，石油、煤、天然气等资源很快就将耗尽。“到2050年，全球将面临严重问题。我们必须未雨绸缪。现在，我们做得还不够。我们中有些人是在(未雨绸缪)。但那些负责决策和划拨资金的人却不是。他们考虑的只是下届大选，”他说，“如果我们关注月球，并且有足够资金，我们就能干得很快。如果财政资源得到保障，这可以在10年内完成。氦—3何以受宠
1985年，专家们通过分析“阿波罗”号载人登月飞船带回的月球岩土样品发现，月球上有大量地球上稀有的物质氦—3。月球上之所以富含氦—3，是由于氦—3大量存在于太阳风中，太阳风由90%的质子（氢核）、7%的α粒子（氦核）和少量其他元素的原子核组成，月球上的氦—3正是太阳风中的α粒子。月球没有磁场和大气，太阳风粒子能直达月面。经过亿万年流星和微流星的撞击，整个月球表面都不同程度地“吸附”上太阳风的粒子。其实，月球上有硅、铁、铝、钛和钙等多种资源，可以用来直接生产建材建造房屋。另外，月球的两极可能存有1100万至3.3亿吨水冰，它们不仅可以满足人在月球上生存的需要，水如果分解成氧和氢，还可以成为重要燃料。但由于现在从地球到月球单程的运输费约为每吨4000万美元左右，再加上采掘、提炼和运回地球等费用，开发成本太高。而开发月球上的氦—3是划算的，因为在发电量相同的情况下，使用月球能源氦—3的花费只是目前核电站发电成本的10%，如以石油价格为标准，每吨氦—3价值约40亿—100亿美元，是月球上的超级“金矿”。nbs
p;满足数千年能源需求
有关氦—3在地球和月球上的储量目前说法不一：有的说在地球上氦—3储量为半吨，也有的说是15吨；有的说月球蕴藏的氦—3约为100万吨，也有说是沉积在月球上的氦—3大约有5亿吨。俄罗斯专家估算，在10—15平方公里范围内挖掘并加工深度为3米的月壤，即可获得约1吨氦—3，足以保证一个功率为1000万千瓦的发电机组工作1年。由于100吨的核燃料氦—3就可以满足地球上1整年的能源需求，所以即使月球蕴藏氦—3约为100万吨，就可满足全球数千年的电力需要。目前我国一年的核发电量中大约需要不超过10吨氦—3。俄罗斯科学家认为，每燃烧1千克氦—3便可产生19兆瓦的能量，足够莫斯科市照明用6年多。美国航天专家指出，用航天飞机往返运输，一次可运回20吨液化氦—3，可供美国一年的电力。采掘、运输等都是难点
开发、运送月球上的能源还有很多难题需要解决。比如，要实现月球和地球之间的人、货运输，首先要有足够大推力的运载火箭，当年，因为没有研制出大推力的n—1巨型火箭，**在载人登月上败给美国；另外，要在没有大气包裹的月球表面着陆，主要只能靠反推火箭来缓冲，如何保障安全是一个大难题。就算解决了往返运载难题，如何从月壤中提出氦—3，怎样实现核聚变，科技上都还没有已知的答案。目前，核聚变的控制问题已进入攻坚战阶段。法国科学家最近宣布，2030年将使利用氦—3进行核聚变发电商业化。虽然人类已经对月球进行了很多次探索，取得了大量的数据，但要在月球上建立基地，实际开发利用月球资源和环境，还有一个漫长的过程。各国科学家正围绕月球上氦—3的形成、储量、采掘、提纯、再贮存、运输及月球环境保护等问题悄然开展相关研究，但认为10年之内难以指望。在月球建核电站
未来解决地球能源不足的主要出路有两个：一个是核能，另一个是太阳能。为了解决运输问题，降低成本，不少**设想直接在月球上建造核电站，电站发出的巨大电力除供月球基地使用外，还将通过激光或微波输送到位于近地轨道上的能量中继卫星，再由中继卫星仍以激光或微波形式传送给地球。在月球上建核电站也不用担心核泄漏。也有人提出在月球上建太阳能基地，因为月球表面几乎没有大气，太阳辐射可以长驱直入，而且很容易满足用目前光电技术进行太阳能发电需要占用大片光照充足的土地的要求。每年到达月球范围内的太阳光辐射能量大约为12万亿千瓦，相当于目前地球上一年消耗的各种能源所产生的总能量的2.5万倍。假设在月球上使用目前光电转化率为20％的太阳能发电装置，则每平方米太阳能电池每小时可发电2.7千瓦时，若采用1000平方米的电池，则每小时可产生2700千瓦时的电能。这不但解决了未来月球基地的能源供应问题，而且随着人类空间转换装置技术和地面接收技术的发展与完善，还可以用微波传输太阳能，为地球提供源源不断的能源。 20210311

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