Question

氦3如何聚变？

Answer 1

答：氦3是1969年美国科学家从月球带回的尘土中发现的。氦3是氦的同位素，普通氦的原子核有两个质子、两个中子，是氦4。而氦3的原子核也有两个质子，但只有一个中子。用氦3聚变成氦来发电的优势在于：核反应温度低，所以易于实现商用化。原子反应的燃料和生成物都是惰性气体，所以更安全，决不会发生事故。反应过程中不产生无法控制的中子，可以保护炉壁，无辐射，更环保。
利用氘和氚聚变发电，通常需要一亿度以上的高温，而容器的外壳通电的线圈为了实现超导，又需要零下二百多度的低温，如果改用氦3，中心高温有三千万度就够了，所以易于实现。地球上的氦气主要从天然气里提取，天然气中约含千分之三的氦气（美国的天然气中含氦气最多，有的地方竟高达17％），但天然气中的氦气中氦3却只有百万分之三，地球大气中虽有十几公斤氦3，但都在100公里高空的电离层下方，并且非常分散，几乎无法收集和提取，地球上总共氦3不足100公斤。

太阳上每时每刻都在产生大量的氦3，虽然也通过黑子爆发和日冕等形式不断向太空喷发，有些通过太阳风来到地球附近，但是却因为地球有大气和磁场，被引向南北两极，无法来到地球表面。

月亮就不同了，月球既无大气又无磁场，氦3可直接到达月球表面并在尘土中沉积，所以月球在40亿年漫长岁月的积累中，表面的尘土中含有丰富的氦3。据估计，月球的氦3储量有100万吨到500万吨，足够人类使用几千年。按照2006年的能量消费水平，美国每年使用25吨氦3就能保证全国用电量，中国用10吨就够了，全世界每年使用100吨氦3就能满足能量需求。这些氦3可以用一架航天飞机飞4到5个往返从月球运回，成本不足烧煤的十分之一。可见前景十分诱人。
氦3的应用遇到的最大的麻烦是：利用受控核聚变来发电的方法直至目前还没有研究出来，即便有了氦3也毫无用处。只有受控核聚变发电的方法成熟了，氦3就大有用武之地了。
其实，真的要到月亮上去开采氦3还有很多技术问题没有解决：在月球上10～15平方公里的面积上深3米的月球土壤才有1吨氦3，但同时还有2000吨氦4，如何把三千万立方到五千万立方月壤加热到800度让氦气跑出来？使用何种能源？另外， 如何从2000吨氦气中把这1吨氦3分离出来？航天飞机虽然能载货25吨没有问题，但氦3密度非常低，只有134.5 g/m3，是空气的九分之一，装25吨氦3就要18.6万立方米的大容器，得用一个直径50米，长100米的折叠式大皮囊挂在航天飞机后边拉回来，当接近地球时，麻烦就来了：根本落不到地面上来，航天飞机被上浮的气囊吊着，吊在一万五千米高空下不来，而且没法救援：直升机飞不了那么高，普通飞机又停不下。所以这个办法行不通。
如果加压至100公斤（10MPa），这样，用直径7米、长50米或直径5米、长100米的压力容器就可以了，但这要防止回地球时摩擦产生的高温使压力增高引起的容器爆炸，一旦爆炸，就是“鸡飞蛋打，人财两空”。若使用冷却成液氦也困难重重，主要是液氦3沸点太低了，只有-270.98°C。如何获得低温？

Answer 2

氦3是氦的同位素，首次在月壤中被发现，可以产生聚变。氦3在地球上含量极少，但在月球上含量极多，可以像氘氚聚变一样实施聚变，并且要求以及难度都比氘氚聚变小得多，月球上的氦3可供人类使用几百万年。

Answer 3

人类面临能源枯竭，到底什么物质能让人来拥有无限能源？

Answer 4

当氦星核中心的温度达到1亿开时，氦燃烧被点燃。
氦燃烧把三个氦原子核聚合成一个碳原子核。由此生成的碳原子核又可吸收一个氦原子核，生成氧原子核。氧原子核还可吸收一个氦原子核，生成氖原子核，不过发生这一反应的概率很低。至于氖原子核进一步吸收氦原子核的概率就更低了，可以忽略不计。恒星的氦燃烧速度比氢燃烧快得多，对于太阳，氦燃烧阶段只能持续大约20亿年。
氦-3是一种核聚变发电燃料。用氦-3进行核聚变反应具有很多优点：①反应产生的能量更大；②传统的氚核反应过程中，伴随核聚变能的产生，要产生大量的高能中子，而这些中子能够对核反应装置产生广泛的放射性损伤；相反的，若用氦- 3作为反应物，则主要产生高能质子而不是中子，对环境保护更为有利；③氚本身具有放射性，氦-3不仅没有放射性，而且反应过程易于控制。因此氦-3是一种清洁、高效、安全的核聚变发电燃料。
　　氦-3不仅是核聚变发电燃料，而且也是火箭和飞船的燃料，未来的载人火星飞船，可以从月球上添加这种燃料，然后飞往火星。另外，从月球土壤中每提取一吨氦-3，可得到6300吨氢、70吨氮和1600吨碳。氢也可以作火箭燃料，同时如与氧结合，还可以制成水。
　　月壤中氦-3的含量较为稳定。根据“阿波罗”飞行和月球探测器的结果计算分析，月壤中氦-3资源总量可达100万～500万吨。而地球上天然气可提取的氦-3 是非常少的，大约只有15～20吨。
　　建设一个500兆瓦的氦-3核聚变发电站，每年消耗的氦-3仅需50千克。如果美国全部采用氦-3核聚变发电, 年发电总量仅需消耗25吨的氦-3，而中国仅需要8吨。全世界的年总发电量约需100吨氦-3。换句话说，月壤中的氦-3可供应地球能源需求上千年。另外，氦-3 的能量回报率为270，原子能发电的能量回报率为20，煤为16。
　　将来如果在月球上建立核聚变发电站，将发出的电能传输到静止轨道上的中继卫星，再传送到位于地球上的接收站，然后再分配到各个地区，即可供用户使用。另外，也可以将月球表面的尘埃收集起来，从中分离出氦-3，然后将其变成液态带回地球。科学家计算，每年只需发射2～3艘载重50吨的货运飞船到月球上去，从月球上运回100至150吨的氦-3，即可供全人类作为替代能源使用一年，而它的运输费用只相当于目前核能发电的几十分之一