氦-3

氦-3 (He-3)氣體 無色，無味，無臭穩定的氦氣同位素氣體，一般儲存於氣瓶中的高壓氣體，天然氦-3含量是1.38x10^-6。當其含量增加導致氧氣含量低於19.5%時有可能引起窒息，需要配備自吸式呼吸面具。 分子量 3.01603 標準體積 6.032 m3/kg 沸點 -452°F(-270°C)。氚衰變可得到氦-3並放出β射線。

基本介紹

• 中文名：氦-3
• 英文名：He-3
• 分子量：3.01603
• CAS登錄號：14762-55-1
• 沸點：3.19K
• 外觀：無色的氣體
• 套用：氦-3與氘進行熱核反應

未來能源

氦-3的提取是一個極其複雜的過程。人們首先需要將月球土壤加熱到700攝氏度以上，才可以從中提取到氦-3。開發、運送月球上的能源也有很多難題需要解決。比如，需實現月球和地球之間的人、貨運輸，首先要有足夠大推力的運載火箭。另外，要在沒有大氣包裹的月球表面著陸，主要只能靠反推火箭來緩衝，如何保障安全是一大難題。此外，氦-3提取成功後如何利用呢？這同樣是一個技術難題。

因為使用氦-3的熱核反應堆中沒有中子（氦-3與氘進行熱核反應只會產生沒有放射性的質子），故使用氦-3作為能源時不會產生輻射，不會為環境帶來危害。但是因為地球上的氦-3儲量稀少，無法大量用作能源。幸好，根據月球探測的結果，月球上的氦-3含量估計約100萬噸以上。

100噸氦-3便能提供全世界使用一年的能源總量。

氦-3的作用

進入到21世紀，新一輪的登月計畫再次席捲全球，其中有一個很重要的原因，是為人類社會的持續發展尋找新的能源。在一部非常著名的科幻電影《月球》中，我們看到了月球上的氦-3採集基地。月球上的採集員常駐月球採集氦-3，定期把氦-3送回地球，在那一時期，氦-3已經成了地球重要的能源。月球上氦-3含量豐富，但是月球上的氦-3真的可以為我們所用嗎？

月球上氦3分布圖

隨著世界石油價格的持續飛漲，越來越多的國家和組織開始把目光轉向了月球，各國科學家正圍繞月球上氦-3的儲量、採掘、提純、運輸及月球環境保護等問題悄然開展相關研究。這種在地球上很難得到的特別清潔、安全和高效的核聚變發電燃料，被科學家們稱為“完美能源”。也許在未來的某一天，月球將會猶如20世紀中葉的波斯灣。

安全性

安全資料：無毒，會導致窒息。

燃燒性：不燃燒氣體

氣瓶材質：鐵合金，鋁

DOT 標籤：Green, Nonflammable Gas

DOT 危險等級：2.2

UN No.： UN 1046

CAS No. ：7440-59-7

發現

1996年，戴維·李（David M. Lee, 1931~ )、道格拉斯·奧謝羅夫（Douglas D. Osheroff, 1945~）和羅伯特·理查森（Richard C. Richardson, 1937~ ）因發現了氦-3（³He）中的超流動性，共同分享了1996年度的諾貝爾物理學獎。

具體介紹

在自然界，存在著³He和⁴He兩種同位素。⁴He的原子核有兩個質子和兩個中子；而³He只有一個中子。20世紀30年代末期，卡皮查發現⁴He的超流動性。朗道從理論上解釋了這種現象，他認為當溫度在絕對溫度2.17K時，⁴He原子發生玻色愛因斯坦凝聚，成為超流體，而像³He這樣的費米子即使在最低能量下也不能發生凝聚，所以不可能發生超流動現象。金屬的超導理論（BCS理論）的提出使得人們認為在極低溫度下³He也可能會形成超流體。但是人們一直未能在實驗上發現³He的超流動性。20世紀70年代，戴維·李領導的康奈爾低溫小組首次發現了³He的超流動性，不久，其它的研究小組也證實了他們的發現。

氦氣

³He超流體的發現在天體物理學上有著奇特的套用。人們使用相變產生的³He超流體來驗證關於在宇宙中如何形成所謂宇宙弦的理論。研究小組用中微子引起的核反應局部快速加熱超流體³He，當它們重新冷卻後，會形成一些渦旋球。這些渦旋球就相當於宇宙弦。這個結果雖然不能作為宇宙弦存在的證據，但是可以認為是對3He流體渦旋形成的理論的驗證。³He超流體的發現不僅對凝聚態物理的研究起了推動作用，而且在此發現過程中所使用的核磁共振的方法，開創了用核磁共振技術進行斷層檢驗的先河，今天核磁共振斷層檢驗已發展成為醫療診斷的普遍手段。

套用前景

氦-3的巨大套用前景以及登月計畫

月球是解決地球能源危機的理想之地，“氦-3”是一種如今已被世界公認的高效、清潔、安全、廉價的核聚變發電燃料。根據科學統計表明，10噸氦-3就能滿足我國全國一年所有的能源需求，100噸氦-3便能提供全世界使用一年的能源總量。但氦-3在地球上的蘊藏量很少，人類已知的容易取用的氦-3全球僅有500千克左右。而根據人類已得出的初步探測結果表明，月球地殼的淺層內竟含有上百萬噸氦-3。如此豐富的核燃料，足夠地球人使用上萬年。我國探月工程的一項重要計畫，就是對月球氦-3含量和分布進行一次由空間到實地的詳細勘察，為人類未來利用月球核能奠定堅實的基礎 。

我國的探月計畫中，有一件事情是外國從未涉足的：我國計畫測量月球的土壤層到底有多厚，這對於我們計算月球氦-3含量意義重大，如果工程順利，我們估算氦-3的資源含量可能要比前人前進一步。最後，我們將研究地月空間環境，這對於地球環境和人類社會的發展都是至關重要的。

2015年4月，我國科學家利用嫦娥三號“玉兔”月球車的測月雷達數據首次給出了較為可靠的月壤厚度估計，認為前人的估計方法可能普遍低估了月壤厚度和氦-3總儲量。

日本報導

日本《外交學者》網站1月7日刊文稱，許多國家都在悄悄的為第四代核武器尋找氦-3材料，得到這種無放射性沉降物的材料將成為世界新的霸主，而中國在這場競爭中，獲得了勝利。

未來新能源

① 氦-3是一種清潔、安全和高效率的核融合發電燃料。開發利用月球土壤中的氦-3將是解決人類能源危機的極具潛力的途徑之一。

② 氦-3是氦的同位素，含有兩個質子和一個中子。它有許多特殊的性質。根據稀釋製冷理論，當氦-3和氦-4以一定的比例相混合後，溫度可以降低到無限接近絕對零度。在溫度達到2.6mK以下的時候，液體狀態的氦-3還會出現“超流”現象，即沒有黏滯性，它甚至可以從盛放它的杯子中“爬”出去。然而，當前氦-3最被人重視的特性還是它作為能源的潛力。氦-3可以和氫的同位素發生核聚變反應，但是與一般的核聚變反應不同，氦-3在聚變過程中不產生中子，所以放射性小，而且反應過程易於控制，既環保又安全，但是地球上氦-3的儲量總共不超過幾百公斤，難以滿足人類的需要。科學家發現，雖然地球上氦-3的儲量非常少，但是在月球上，它的儲量卻是非常可觀的。

③ 氦大部分集中在顆粒小於50微米的富含鈦鐵礦的月壤中。估計整個月球可提供71.5萬噸氦-3。這些氦-3所能產生的電能，相當於1985年美國發電量的4萬倍，考慮到月壤的開採、排氣、同位素分離和運回地球的成本，氦-3的能源償還比估計可達250。這個償還比和鈾235生產核燃料（償還比約20）及地球上煤礦開採（償還比不到16）相比，是相當有利的。此外，從月壤中提取1噸氦-3，還可以得到約6300噸的氫、70噸的氮和1600噸碳。這些副產品對維持月球永久基地來說，也是必要的。俄羅斯科學家加利莫夫認為，每年人類只需發射2到3艘載重100噸的宇宙飛船，從月球上運回的氦-3即可供全人類作為替代能源使用1年，而它的運輸費用只相當於如今核能發電的幾十分之一。據加利莫夫介紹，如果人類如今就開始著手實施從月球開採氦-3的計畫，大約30年到40年後，人類將實現月球氦-3的實地開採並將其運回地面，該計畫總似的費用將在2500億到3000億美元之間。

分離方法

氦-3等同位素氣體的分離主要方法有氣體擴散法離子交換法、氣體離心法，另外還有蒸餾法、電解法、電磁法、電流法等，其中以氣體擴散法最成熟。“濃縮”的使用涉及旨在提高某一元素特定同位素豐度的同位素分離過程，例如從天然鈾生產濃縮鈾或從普通水生產重水。

氣體擴散法——這是商業開發的第一個濃縮方法。該工藝依靠不同質量的同位素在轉化為氣態時運動速率的差異。在每一個氣體擴散級，當高壓氣體透過在級聯中順序安裝的多孔鎳膜時，其輕分子氣體的氣體更快地通過多孔膜壁。這種泵送過程耗電量很大。已通過膜管的氣體隨後被泵送到下一級，而留在膜管中的氣體則返回到較低級進行再循環。在每一級中，濃度比僅略有增加。濃縮到反應堆級的鈾-235豐度需要1000級以上。

氣體離心法——在這類工藝中，氣體被壓縮通過一系列高速旋轉的圓筒，或離心機。同位素重分子氣體比輕分子氣體更容易在圓筒的近壁處得到富集。在近軸處富集的氣體被導出，並輸送到另一台離心機進一步分離。隨著氣體穿過一系列離心機，其同位素分子被逐漸富集。與氣體擴散法相比，氣體離心法所需的電能要小很多，因此該法已被大多數新濃縮廠所採用。