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Over-seriousness is a warning sign for mediocrity.
受控核聚变 -3- 登月的理由
作者:同人于郊 提交日期:2007-5-20 17:46:00 酷 | 分类: | 访问量:6630

『中国政府计划于2009年把宇航员送上月球,并最早在2015年开始开采氦3。』 - 摘自国外某研究生2006年选修《聚变与等离子体》课程的学期报告。

我不知道这哥们从哪看到的中国登月计划,反正他比所有中国人都乐观。如果你在1960年代问肯尼迪美国为什么要登月,他很可能会回答你因为不能让苏联先登月。这个回答放在今天不算特别漂亮,给人感觉很像形象工程。所以如果现在你问中国政府为什么要登月,答案一定会提到氦3。

氦3是一种聚变能源。前文中我们曾经提到四个最容易实现的聚变反应:



其中的最后一个就是氘核与氦3原子核反应,生成一个氦4和一个质子,并释放大约18MeV的能量。"正常"的氦原子核是氦4,里面是两个质子和两个中子,而氦3则只有两个质子和一个中子。

氦是一种很常见的东西,比如做广告用的那中大气球和飞艇里面就是氦气,它比空气轻,但比氢气安全得多。地球大气之中氦气的含量挺高,是百 万 分之5.2。看来广告气球里面的氦气不太可能直接从空气中提取,但总之氦气肯定很便宜。可惜地球上基本上没有天然氦3。地球上大约每一百万个氦原子之中,只能找到一个氦3原子。

氦3相比于氦4这么稀少的原因在于来源不同。地球上的氦4主要来自于核裂变反应。我们曾经介绍过氦4原子核也叫阿尔法粒子,产生氦4的裂变反应叫做阿尔法衰变。天然放射性物质的衰变就会产生氦4。而宇宙中氦3则主要来自于聚变。地球上显然没有天然聚变反应,不过也有一点氦3。这些氦3来自于氚的衰变。我们知道氚不稳定自然界没有天然氚,但是制作核武器需要氚,比如说通过中子跟锂反应:



得到的氚是不稳定的,每隔12.3年就会有一半的氚衰变成氦3和一个电子(应该还有一个电子中微子,根据轻子数守恒)(图中红的是质子):



所以目前地球人手里的氦3主要都是维护核武器的副产品。美国的氦3战略储备大约是29公斤,另有187公斤跟其他气体混合保存。(这些数据可都是google出来的啊,原文在http://www.asi.org/adb/02/09/he3-intro.html…不过从这个数据难道不可以推算美国一共有多少氢弹么?)可见如果谁想拿氦3做个聚变试验(已经有人做了),原材料是比较珍贵的。

在太阳的聚变反应中,大约每产生一万个氦4,就会产生一个氦3。这些万里挑一的氦3还到不了地球,因为他们处于带电的离子状态,接近地球的时候会被地球外面的磁场所俘获。

好在它们可以被太阳风吹到月球。据估计月球上大约有100万到500万吨的氦3,足够地球人用上一万年,土星和木星外面的则多得多。大量氦3存在于月球表面阴影区(也叫"海")中,跟月球土壤混在一起。好像也有一些文章说是被岩石所吸附,但主流意见是土壤。具体怎么个情况还得等中国宇航员上去看看:)

提供相当于现在美国一年消耗的电量差不多需要25吨氦3。为了在月球上得到1吨氦3,根据现在对月球土壤中氦3含量的估计,需要把月球上11平方公里的土地全部下挖3米,再把得到的这些土壤加热到600摄氏度。然后把得到的氦3液化,装载罐子里运回地球,据某个中文科普文章说一架航天飞机一次能运30吨。怎么说这似乎都不太像2015年能完成的任务。不过你在加热过程中还能得到一些副产品,比如说水。如果愿意加热到900度,甚至还能得到一些氧气。未来世界如果真有上月球开采氦3的那一天,其景象可能是这样的:



根据目前的能源价格,氦3的"使用价值"是每吨差不多30亿美元。一顿黄金才2000多万美元,如果谁有氦3可以以150倍于黄金的价格出售。但如果考虑到宇宙航行的运输价格,再加上在月球开采的价格,真不知道30亿能不能打住。

跟"主流"的氘氚聚变相比,氦3聚变的原材料显然是天价,而且实现氦3聚变要求的温度还要高得多。那么为什么还有人考虑氦3?

所有科普文章对这个问题的回答都是因为氘氚(D-T)聚变会产生一个中子,中子被视为一种污染,因此这个反应不是绝对干净的。而氘和氦3的聚变则只会产生一个质子,质子可以用电磁场控制,所以这个反应是干净的(其实只要有氘就不是完全干净,因为氘和氘也可能聚变产生一个中子,但跟氘氚聚变相比总量非常少)。关于中子的污染我有可能下一章会说说。

氦3反应的另一个优势是产生的都是带电粒子,而带电粒子的能量可以直接转化,具体怎么转化的我就不知道了,反正Lawrence Livermore国家实验室做的实验可以把100KeV的高速离子的能量实现60% 到 70%的转化。对于氘氚聚变,能量转化效率大约只有30%。

可是这两点能构成追求氦3的理由么?氘氚就算再有污染,也比现有的任何核反应堆都干净的多;就算能量转化效率再低,可是原料太便宜了啊!有一种观点认为如果将来在星际航行中用聚变能源,那么因为氘氚反应防护中子很麻烦,为了节省飞行器空间,必须使用氦3。这的确是个站得住脚的理由,但问题是我们距离那个时代还早着呢。

氦3是个热门话题。据说日本政府1994年也宣布了要上月球找氦3。到底为什么这么急着考虑氦3?这个问题困扰了我很长时间。我猜测必然存在某种技术上的理由,使得氦3聚变实际上比氘氚聚变还要容易!

为此我做了一点调查研究,最后得到了一个略感惊讶的答案。

(待续)

严肃评论,请去新版: www.geekonomics10000.com
#日志日期:2007-5-20 星期日(Sunday) 晴

评论人:嵩阳没密码 评论日期:2007-5-20 22:18
60年代制订登月计划时,肯尼迪提出的观点是:“如果你不能在下一步超越对手,那就着眼于后两步。”,因此并不急于发射载人飞船,而是——登月。

老万可别扯出“cold fusion”来。

评论人:天涯网友(游客) 评论日期:2009-3-20 14:13
ddddfasdffsafdasf

评论人:天涯网友(游客) 评论日期:2009-3-20 14:18
ceshidda

评论人:天涯网友(游客) 评论日期:2009-4-8 17:49
新闻

评论人:天涯网友(游客) 评论日期:2009-4-8 17:50
新闻

评论人:天涯网友(游客) 评论日期:2009-4-8 17:51
新闻


评论人:天涯网友(游客) 评论日期:2009-4-21 10:51
abddd

评论人:天涯网友(游客) 评论日期:2009-4-21 10:52
fdsafsa

评论人:天涯网友(游客) 评论日期:2009-12-11 11:27
中文



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