氦-3有什麼用，從月球開採可行嗎？

氦-3這種核素一度熱到不行，因為它是一種可以用作清潔核聚變發電的原料。

氦有好幾種同位素，從氦-2、氦-3、氦-4，一直到氦-10。但其中只有氦-3和氦-4是穩定的核素，其它的氦同位素都極短命，甚至氦-2和氦-9到目前為止還只是理論上有，沒人能證明它們實際存在。

在宇宙中，氦-3和氦-4是極其豐富的，不像地球表面那麼難找。

氦在元素週期表中的位置

氦的產生

科學家們認為，自從宇宙誕生之初，“大爆炸”之後，太空裡就已經充滿著氦了，因此

氦跟氫一樣，是“天生”的

。

因為原子核裡只有2個質子，氦是目前可觀測宇宙中除氫之外第二輕的元素，氦在宇宙中的質量佔了宇宙物質總質量的24%，是所有其它重元素質量總和的12倍多。這是因為氦的核結合能比較低，它比其它元素更容易合成。

除了“大爆炸”合成了絕大部分的氦核外，

宇宙中其它的氦主要來源於恆星內部的核聚變和其它星際放射性物質的衰變釋放的α粒子

。

氦-3的原子核中有兩個質子和一箇中子，地球上氦-3主要來自氚的β衰變、鋰散裂和宇宙射線對高層大氣的影響。

太陽內部的核聚變產生大量的氦

氦的含量

宇宙中大部分的氦是氦-4，氫-3的含量只有氦-4的萬分之三

。這是科學家們透過測量木星大氣氦的含量得出的結論，木星大氣中的氦同位素比例說明了在早期太陽系星雲中氦同位素的比例關係。這個比例應該與月球表面氦-4與氦-3的比值相同，但實際上

月球表面已知的氦-3平均含量在1.4ppb左右

，而月球表面氦-4平均含量大約在28ppm左右，氦-4比氦-3多出近2萬倍。

即便月球上的氦-3看起來很少，但比起地球上氦-3的含量還是要豐富許多的。氦在地球上最初就有，但它的含量遠低於宇宙中氦的含量，目前地球的地幔裡有7%的原始氦，這是因為在地球形成的過程中，像氫和氦這樣輕的氣體都上升到大氣層的上方，然後慢慢被太陽風吹到太空中去了。

地球形成之初，大量氣體噴發並逃逸到太空中

地球內部大量的鈾和釷在衰變的過程中可以釋放氦-4，氦-4相比於氦-3一直在增加。

據測算，地球岩石圈每年由於α衰變新產生3000噸氦，氦在地殼中的含量大約為十億分之八，而海水中氦的含量只有萬億分之四，大量的氦原子只要一出地表，大部分透過大氣層擴散出去了。

α衰變產生氦-4

目前全球氦的儲量大約是500億立方米，這些氦基本都是混雜在天然氣田裡，如果天然氣儲藏層的地下有更多的鈾或釷，就有更高含量的氦。

大氣中有少量氦-3，它們離散地分佈於高層大氣，所以想從大氣層裡獲取氦-3難度極大成本極高

。因此目前絕大多數天然的氦-3還是要從天然氣裡分離出來。按照氦-3在天然氣裡的濃度計算，

美國現在每生產1億立方米的天然氣，大約可以分離出1.2~4.3千克氦-3

，而阿爾及利亞每1億立方米天然氣則只能分離1千克左右氦-3。

由於分離成本高昂，大多數稀有氣體都被釋放到大氣中了

氦-3拿來幹嘛用？

目前情況下，氦-3的應用範圍很窄，它主要用於中子檢測以及肺部醫學影像兩個方面。

氦-3有很高的熱中子吸收截面，所以它是中子檢測儀裡的轉換器氣體。當氦-3捕捉到一箇中子時，它會轉化為一個氚離子和一個氫離子（質子）同時釋放0。764 MeV的能量，透過分析產生出的氣體成分，就能判斷放射性物質的中子輻射劑量。

未來氦-3還可以用於核聚變發電。

P-P融合反應鏈，它的下端就是第三代核聚變

科學家們知道，當一個氦-3原子核與氘原子核發生融合時，會產生一個氦-4原子核與一個質子，同時釋放18。354 MeV的能量，這是第二代核聚變；

而當兩個氦-3原子核發生融合，則會產生一個氦-4核與兩個質子，釋放12。86MeV的能量，這被稱為第三代核聚變。

從上面的兩個反應過程，我們注意到它們都沒有產生中子，也就是說這個反應過程對外沒有放射性物質產生，因此

由氦-3參與的第二代核聚變以及第三代核聚變技術被稱為“真正乾淨的核聚變”

，氦-3身價暴漲，人們做夢都想為未來清潔的核能發電尋找氦-3這種清潔的原材料。

從理想回到現實

氦-3發電真的那麼完美嗎？

其實，

第二代核聚變發電是有中子產生的，因為在氦-3與氘融合產生氦-4的同時，還有一部分氘與氘之間也會產生融合反應。當兩個氘核融合時，有可能會產生一個氦-3和一箇中子，中子具有放射性，跟第一代聚變反應一樣被認為不夠清潔

。與此同時，第二代和第三代核聚變由於需要克服更強的庫侖勢壘，需要更高的能量才能完成融合，聚變所產生能量中的大部分要被聚變本身消耗。到目前為止人類還無法完全掌握第一代核聚變技術，科學界最樂觀的估計，將第一代核聚變技術用於商業發電需要到2050年（30年以後）。更高能級的核聚變還處於設想與研究階段，距離現實還有相當長的路要走。

世界各國參加的ITER專案目前只是第一代核聚變試驗堆

我們需要多少氦-3？

我們以未來相對容易實現的第二代聚變反應為例來做一個計算：

²H + ³He → ⁴He + 1 p + 18。3 MeV

這相當於每1摩爾（3g）³He約可以產生493 兆瓦時（4。93×10⁸ W·h） 的能量，

如果這些能量100%地轉化為電能，一個100萬千瓦的核電站每小時約需要消耗6克氦-3

，這個電站每發電一年需要消耗52。5千克的氦-3。任何核電站要做到100%的能源轉化效率是不可能的，能做到30%就相當不錯了，因此這個電站年氦-3實際需求量將超過157千克。

2018年咱大陸地區全社會用電量約為6。84萬億千瓦時，

如果這些電能全部由第二代核聚變產出，我們當年至少需要332噸的氦-3原料，且需要至少建設2100座百萬千瓦級的核聚變電站

。

美國核電站巨大的冷卻塔

前面介紹過，自然界的氦-3儲量主要在天然氣田，每1億立方米天然氣最多可以分離出1。2~4。3千克氦-3，取中位數3千克。2018年全球天然氣產量約為3。6萬億立方米，即使其中所有氦-3都被提取，也只能得到108噸。事實上以目前的探測結果與技術，我們能取得10噸就已經頂天了，許多天然氣田裡根本就沒有氦-3。

月球表面有多少氦-3？

太空中有無盡的氦，雖然氦-3在其中僅佔萬分之三，但由於氦的總量極大，氦-3仍可以說是取之不盡的。問題是它們太分散，富集的地方環境又太惡劣，無論太陽大氣層還是木星大氣層，我們都無法接近。最近的地方只有月球。

月球表面貧瘠荒蕪，採礦難度極大、成本極高

據估計，

月球表面陽光照射區域的月壤中約含有濃度在1.4到15ppb（十億分之一濃度）之間的氦-3，

而在月球兩極永久陰影區域的氦-3濃度可能達到50ppb。我們是否可以去月球開採氦-3運回地球發電呢？

按照濃度計算，我們平均需要對1500噸月球土壤和岩石進行提純才能獲得1克氦-3，而2006年國際市場氦-3的價格僅為1500美元/克

。地球上品位最高的金礦，每噸礦石中含金不到50克，普通的每噸礦石中只有3~4克黃金，儲量稀少、開採成本高被認為是黃金寶貴的重要原因。

巨大的露天金礦

月球上氦-3濃度只有地面金礦的萬分之一，開採和提純難度更高；無論是將龐大的裝置和工廠搬去月球還是運營維護它們都需要極龐大的成本；每天至少需要運回1噸氦-3才能滿足一國之需，

這需要每天至少挖掘、粉碎和提純15億噸的月球岩石；並且由於氦-3分佈離散，你需要把整個月球表面都刨一遍。

你還認為去月球採礦是合算的嗎？

荒蕪的月球

總結

一、氦-4與氦-3在宇宙中的含量豐富，但在地球表面它們的儲量極低。

二、地幔物質中被認為有氦，但我們無法開採；氦氣通常與天然氣伴生，其中氦-3的含量極低，每1億立方米天然氣僅能提取到1。2千克左右氦-3。

三、第二、第三代核聚變技術尚在研究中，需要走的路還很長，並且大規模發電需要大量氦-3，地球自然儲量無法滿足需求。

四、月球表面氦-3含量相對比較高，但開採難度極大成本極高，從商業角度是不合算的。

五、未來人類可以以多種方式獲得能源，除了現有發電方式外，第一代核聚變技術不需要擔心氘原料不足；並且在太空建設太陽能電站也可以提供無盡的能源。

綜合以上分析，證明去月球開採氦-3並不是我們明智的選擇。