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完美的核聚变燃料——氦资源

完美的核聚变燃料——氦资源 中科富海
2023-11-14
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背景:据中国自然资源报报道全国首口氦气专属探井渭河盆地“氦气1号井”于今年4月顺利完钻,发现独立的氦气气藏存在。

据媒体报道,根据一篇于发表在《自然》杂志上的研究显示,科学家在位于加拿大巴芬岛(Baffin)的火山岩里检测到了“惊人数量”的稀有氦同位素——氦-3(helium-3),这一发现为“惰性气体正在从地核泄漏”提供了有力支撑。相关科学家表示,氦-3可能在1亿年前甚至更早的时候,就已经开始从地核中泄露,地核中的氦-3气体到底从何而来,为什么科学家会如此关注这件事呢?



地球结构示意图

地核被发现正在“漏气”



科学家在巴芬岛的火山岩中发现了氦-3,这种稀有的氦同位素的出现为地核泄漏提供了证据。相对于常见的氦-4,氦-3在地球上非常罕见,它更常在宇宙中的其他地方被找到。主要研究者、伍兹霍尔海洋研究所的福雷斯特·霍顿(Forrest Horton)博士解释说,整个宇宙的氦-3含量都极少,而地球的岩石部分会像锅炉上的热水一样发生对流现象,氦气在冷却阶段会流失到大气层中,再流失到太空中。


氦-3进入地核的过程可能可以追溯到宇宙“大爆炸”时期,大爆炸宇宙论认为宇宙是由一个致密炽热的奇点于137亿年前的大爆炸后膨胀形成的。在这个过程中,大量的氢和氦被释放,随着时间的推移,这些元素参与了星体,包括地球的形成。当地球形成时,氦元素可能被锁在了地核中,使地核成为了这一惰性气体的储存库。



氦-3是什么?



氦气是一种无色无味,密度很小的单原子气体,它的化学性质稳定,不容易与其他物质发生化学反应。氦元素在整个元素周期表中排第二位,根据氦原子核内中子数量的不同,又细分成了多种同位素。地球上,绝大多数的氦原子核都是由两个质子和两个中子组成,也就是氦-4,其比例占到了地球上所有氦元素的99.99986%。此外,氦原子核的另一种稳定结构仅由两个质子和一个中子组成,称为氦-3,其含量仅占0.000137%。



氦-4与氦-3的原子核结构


地核中的氦-3与地球起源有什么关系?



氦-3的生成方式有很多,比如,我们可以利用氚的放射性衰变来获得。不过,氚的半衰期较长,有十二年之久,用这种方式产生氦-3的效率很低。其实,宇宙中绝大部分氦-3都来自于138亿年前的宇宙大爆炸,它与地球起源有什么关联呢?


宇宙中的星云是由气体和尘埃组成的,大部分是氢气,其次是氦气,还有其他金属和非金属元素。太阳系的前身正是一团体积庞大、不断旋转的星云。



太阳星云

学术界普遍认为,地球是在太阳星云向太阳星系转变的过程中应运而生的,它不断聚合那些漂浮在星云中的岩石和尘埃,然后挤压成形。在这一发展过程中,地球产生的引力将星云中的气体吸引到地球周围,漂浮在太阳系中的氦-3也顺理成章地被带入到了地球内核之中。


此次在地核中侦测到不断向外泄漏的氦-3就是这一地球起源学说的有力证明。



地核泄漏对地球有无负面影响?



霍顿博士解释,从地核泄漏的氦-3不会对地球产生任何负面影响。惰性气体不会与其他物质产生化学反应,因此不会对人类或环境产生影响。这次的发现提出了新的研究方向和问题,比如地核是否还是碳和氢等元素的主要储存库,这些元素在地球的演化史中又扮演着怎样的角色。


霍顿博士表示,他们团队很期待能够研究类似的问题,并且通过氦-3,可能还能追踪到穿过地幔边界的其他元素,为我们理解地球的内部结构和演化提供更多的信息。


这项研究不仅为我们揭示了地球内部的一些秘密,也为未来的地球科学研究打开了新的窗口,让我们能够更加深入地理解这颗星球的内部运作机制。


氦-3—完美的核聚变燃料



科学家对氦-3气体如此关注,不仅是因为这种气体极其稀有,更重要的是氦-3本身还是一种开发潜力巨大的能源。

目前,人类进行的关于核聚变的研究是建立在以氘和氚为核燃料的基础上的,这两种核燃料虽然反应条件苛刻,但是它们在地球上的储量可观,且释放的能量大,受到了科学家们的青睐。



氘氚的核聚变反应


美中不足的是,氘和氚聚变过程中会释放出大量的中子,这些中子本身不带电荷,无法被磁场所束缚。这些中子带有极高的能量,会直接轰击到内壁材料上,材料表面出现大量缺陷,造成内壁损伤,影响材料的力学性能,带来很严重的安全隐患。因此,科学家们希望能找到一种更安全的核燃料来推进核能源的开发和生产。


而氦-3恰恰就是这样一种近于完美的核燃料,其聚变反应过程不会向外释放中子,只会释放带正电荷的质子。质子在磁场中可以得到有效的磁约束,因此聚变反应的安全性大大提高,不会产生过多的核废料。只可惜地球上的氦-3含量太少,已探明可供人类开采的储量仅仅只有500千克左右,根本无法投入大规模生产。


氦原子的核聚变反应


答案在月球



难道人类注定要与这种理想的核燃料擦肩而过吗?这个问题的答案可能在月球!


一直以来,月球对人类都有着巨大的吸引力。从上世纪开始,以美国和苏联为首的各个国家就开始争先恐后地向月球发射探索卫星,特别是美国曾先后多次从月球带回土壤样本进行研究,极大地提高了人类对月球的认识。目前月球被探测到至少拥有100万吨的氦-3储量,足够人类使用1万年之久!

2020年,嫦娥5号探测器成功发射,首次完成对月球的自动采样返回工作,带回了1731克月球土壤。通过对这些土壤的研究,我们对如何提取月壤中丰富的氦-3资源有了更多的想法。



嫦娥五号探测器


相信随着核工业技术和航空航天事业的发展,对于月球氦-3等资源的开发一定能够实现。或许就在不远的将来,在月球与地球之间,来来往往的宇宙飞船正向人类输送着丰富的氦-3资源,到那时,人类对于宇宙的探索和认识必将迈入一个崭新的阶段。


文章转载于《北京科学中心》,非商用途,仅作为科普传播素材。如有侵权请系:Jo0729,承诺三天内删除。 

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