氦3如何聚变?

如题所述

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?
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第1个回答  2022-12-16
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。
第2个回答  2020-12-27

人类面临能源枯竭,到底什么物质能让人来拥有无限能源?

第3个回答  推荐于2019-08-13
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本回答被网友采纳