[科普中國(guó)]-氦聚變

氦3是氦的同位素，含有兩個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子。氦3原本大量存在于太陽(yáng)噴射出來(lái)的高能粒子流——太陽(yáng)風(fēng)中。只要溫度足夠高，任何兩種比鐵輕的原子之間都可以發(fā)生聚變反應(yīng)，其中又以氫-3和氫-2 之間的聚變需要的條件最低，只需要數(shù)千萬(wàn)度的溫度，但是氫-3是半衰期為12.4年的放射性元素，自然界并不存在氫-3。氦燃燒把3個(gè)氦原子核聚合成一個(gè)碳原子核。

氦燃燒把三個(gè)氦原子核聚合成一個(gè)碳原子核，為28MeV。由此生成的碳原子核又可吸收一個(gè)氦原子核，生成氧原子核。氧原子核還可吸收一個(gè)氦原子核，生成氖原子核，不過(guò)發(fā)生這一反應(yīng)的概率很低。至于氖原子核進(jìn)一步吸收氦原子核的概率就更低了，可以忽略不計(jì)。恒星的氦燃燒速度比氫燃燒快得多，是氫的11—14倍。對(duì)于太陽(yáng)，氦燃燒階段只能持續(xù)大約10億年。而極少數(shù)情況下會(huì)依次有鈹元素、硼元素、碳元素、氮元素等生成，直至鐵元素生成，聚變反應(yīng)便徹底停止。

氦3最吸引人類(lèi)的就是它作為能源材料的優(yōu)秀“潛質(zhì)”。氘和氦3可以進(jìn)行核聚變，這種聚變不產(chǎn)生中子，所以放射性小，而且反應(yīng)過(guò)程易于控制，可算是既無(wú)污染又安全。氦3不僅可用于地面核電站，而且特別適合作為火箭和飛船的燃料，用于宇宙航行。從月球土壤中每提取一噸氦3，可得到6300噸氫、70噸氮和1600噸碳。

1噸的氦3，足以保證一個(gè)功率1000萬(wàn)千瓦的發(fā)電機(jī)組工作1年。每燃燒1公斤氦3就可產(chǎn)生19兆瓦的能量，足夠供莫斯科市照明用6年多。一個(gè)百萬(wàn)千瓦的火力發(fā)電站，每年消耗的煤是210萬(wàn)噸；如果這個(gè)發(fā)電廠是裂變核電站，它需要30噸的核燃料。可如果它是核聚變發(fā)電廠，燃料只需要600公斤。

據(jù)專(zhuān)家計(jì)算，如果采用氦3核聚變發(fā)電，美國(guó)年發(fā)電總量?jī)H需消耗25噸氦3；中國(guó)1992年的年發(fā)電總量只需8噸氦3，全世界一年有100噸氦3就夠了。以全球電價(jià)和空間運(yùn)輸成本算，1噸氦3的價(jià)值約40億美元，而且隨著空間技術(shù)發(fā)展，空間運(yùn)輸成本肯定將大大下降。法國(guó)科學(xué)家宣布，2030年，利用氦3進(jìn)行核聚變發(fā)電將實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。據(jù)估算，月球上有300萬(wàn)到500萬(wàn)噸的氦3儲(chǔ)量，能夠支持地球7000年的電量！

相比正加速發(fā)展的利用氘和氚反應(yīng)的熱核聚變裝置來(lái)說(shuō)，用氦-3來(lái)進(jìn)行核聚變反應(yīng)具有比用氚作燃料有更多的優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：①反應(yīng)產(chǎn)生的能量更大；②傳統(tǒng)的氚核反應(yīng)過(guò)程中，伴隨核聚變能的產(chǎn)生，要產(chǎn)生大量的高能中子，而這些中子能夠?qū)朔磻?yīng)裝置產(chǎn)生廣泛的放射性損傷；相反的，若用氦-3作為反應(yīng)物，則主要產(chǎn)生高能質(zhì)子而不是中子，對(duì)環(huán)境保護(hù)更為有利；③氚本身具有放射性，而氦-3則沒(méi)有。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李煒煒 - 高級(jí)工程師 - 環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心