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每吨价格200亿的氦-3……月球储量高达500万吨……
氦-3作为可控核聚变的燃料,其产生的能量是开采所需能量的250倍,是铀-235核裂变反应的12.5倍,而且氦-3核聚变和氢不同,氢的核聚变反映的是其同位素氘和氚,需要一亿摄氏度的高温才能达到聚变条件。需要的输入能量很高不说,光这一亿摄氏度的高温都已经是很大的难题了。
氦-3核聚变简单很多,氦3发生核聚变反应只需要3000万度就够了,虽然还是很困难,但总比一亿度要强得多。此外,氦-3核聚变不会产生中子二次辐射危险,更清洁、更可控。因此,氦-3堪称完美的核聚变燃料,每吨价值估计高达30亿美元,相当于200亿元人民币。
氦-3被誉为“完美的核聚变燃料”
但遗憾的是,氦-3在地球上的储量极少,估计总共只有500公斤。因为氦-3主要来自太阳风,而地球磁场会偏转太阳风,所以氦-3到不了地球上。而月球没有磁场,太阳风可以直接吹到月球上,从而在月表留下大量的氦-3。
全世界同时使用的能量,如果用氦-3聚变来提供,那么一年仅仅需要100吨氦-3,而我们知道月球上的氦3含量达到100万吨~500万吨,这些氦3可供人类使用几千年。
氦-3极为重要的战略价值让人类对其进行了持续研究,而我们从月球带回来的土壤样品,也成了我们最重要的实验样品。中国科学院宁波材料技术与工程研究所、航天五院钱学森实验室、中国科学院物理研究所和南京大学等联合团队,对嫦娥五号月壤颗粒中的氦原子进行了探测和研究,发现月壤中钛铁矿颗粒表面都存在一层非晶玻璃。研究人员通过高分辨透射电镜结合电子能量损失谱法,在玻璃层中观测到了大量的氦气泡,直径大约为5~25nm,且大部分气泡都位于玻璃层与晶体的界面附近。
而在颗粒内部晶体中,基本没有氦气泡。鉴于氦在钛铁矿中的高溶解度,研究人员认为氦原子首先由太阳风注入钛铁矿晶格中,之后在晶格的沟道扩散效应下,氦会逐渐释放出来。而表层玻璃具有原子无序堆积结构,限制了氦原子的释放,被捕获并逐渐储存起来,形成了气泡。
嫦娥五号月壤颗粒中的氦原子
玻璃态材料特殊的无序原子堆积结构具有极高的稳定性,比如玻璃态琥珀可以将生物标本保存上亿年、氧化物玻璃可以将核废料储存上千年。这项工作表明钛铁矿玻璃也具有极高的稳定性,在月球上捕获并保存了丰富的氦-3资源。
研究表明,通过机械破碎方法有望在常温下提取气泡形式储存的氦-3,不需要加热至高温。而且钛铁矿具有弱磁性,可以通过磁筛选与其他月壤颗粒分开,便于在月球上原位开采。通过进一步计算,研究人员发现气泡中的氦气原子的密度达到50-192 He/nm3,具有极高的压力。
根据月球上钛铁矿总量估算,以气泡形式储藏的氦-3总量或高达26万吨,如果全部用于核聚变,可以满足全球2600年的能源需求。这些结果不但为月球上氦-3的富集机理提供了新的见解,也为未来月球氦-3的原位开采利用奠定了理论基础,对探寻月球资源的有效利用路径具有重要意义。

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