月球|氦-3被称作完美能源，但真值得从月球开采运回来？( 二 ) 氦-3这种核素一度热到不行

未来氦-3还可以用于核聚变发电。

文章图片
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18.354MeV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。

文章图片
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+HeHe+1p+18.3MeV
这相当于每1摩尔（3g）He约可以产生493兆瓦时（4.93×10W·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。

文章图片
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。

文章图片
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。