编者按：《新世纪飞天梦》是中国科学院力学研究所的王柏懿和林烈两位研究员撰写的一部科普小书。它图文并茂，以通俗的语言、严谨的分析和详实的史实，展示了人类不懈追求升空飞天的艰辛历程，说明了各类航天飞行器的基本原理和主要功能，还介绍了航天大师钱学森。承蒙作者的盛意，他们同意以网络书的形式在本网站上发表全书内容。该书主要是为小学高年级和初中的学生们编写的，有些较为专深的相关知识则采用“小贴士”“知识链接”和“你知道吗？”等框图形式在文中给出。

飞天征程上的第一站——飞往月球（之四）

林烈

6.4 开发月球上的宝藏——氦-3

1986年4月26日，苏联切尔诺贝利核电站的第4号核反应堆在进行半烘烤实验中突然失火，引发了大爆炸，爆炸引起了严重的核泄漏，事故中产生的放射性剂量相当于日本广岛原子弹爆炸产生放射性污染的400倍。爆炸使机组完全损坏，超过8吨的强辐射物质泄漏了出来，这些具有强放射性的尘埃随风飘散，致使俄罗斯、白俄罗斯和乌克兰许多地区遭到核辐射的严重污染。事故后，前3个月就有31人死亡，之后15年内陆续有6-8万人死亡，并有27万人得了与此有关的各种癌症。

2011年3月，日本福岛附近的海域发生了里氏9.0级大地震，造成福岛核电站中一台核电机组发生爆炸，爆炸后，部分放射性物质泄漏到了周围的环境中，引起了严重的核污染，同时随着一些受污染的废水排入到了附近的海洋，造成附近海域大面积的污染。事故发生后，电站周围30公里内的居民被迫撤离。这次核事故所产生的后果还在继续发酵，那些受核辐射影响的居民及其后代可能要为此付出惨痛的代价。现今，福岛核电站周围几十千米之内，已成了一座“鬼城”，到处是断墙残垣，满地的垃圾，当地的一些动物已经出现了与基因突变有关的变异。有些后果也许要到几十年后才会显现出来。

现在的核电站在发生事故时是如此之可怕，那么火力发电是否就很安全呢？虽然火力发电站不会产生核事故，但它们会带来严重的大气污染。那些以煤炭或重油为燃料的电厂，一天24小时都在向天空喷发出滚滚的浓烟，排放出无数有毒气体和各种可能会引发人们呼吸系统疾病的微粒。

再说，煤炭和石油的储量也有限，它们总有用尽的时候。据估算，地球上的煤炭资源还能供人类使用两、三百年，而石油资源则会在100年之内枯竭。那么，在石化资源枯竭以后，我们人类该用何种能源呢？除了风能、水能及太阳能等非矿物资源外，我们还得依赖核能。目前所有的核电站都采用重元素裂变的方法，可是，这种电站一当发生事故将会引起严重的后果，就如我们上述提到的日本福岛核电站和苏联切尔诺贝利核电站的惨剧。

那么，有没有既不使用煤炭及燃油等石化燃料，又不使用可能引发放射性污染的核燃料的发电方案呢？

有的，那就是下面要讲述的以氘和氦-3为燃料的聚变核电站。

我们知道，在可利用的核能中，除了重元素的裂变能以外，还有一种可利用的核能就是轻元素的聚变能，如氘和氚的聚变及氘和氦-3的聚变。现在地球上氘的藏量很丰富，是一种可利用的核聚变燃料。

之所以目前我们还未使用这种核聚变电站，是由于聚变电站的技术还不成熟。但是最近几年，可控核聚变的实验装置已取得了实质性的进展，再经过一段时间的努力，就有可能实用化。中国科学院合肥等离子体物理研究所是我国从事此项研究的主要单位之一，最近他们的人造小太阳——核聚变实验堆（EAST）已经有了重大的进展，再经过25年左右的努力，我们有希望建造一座试运行的商用核聚变电站。如一切顺利，那么在本世纪中叶，核聚变电站就可能得到全面的推广和应用。

这种核聚变电站的燃料为氘和氚，或者氘和氦-3，后者是一种更理想的燃料，它十分安全,基本无污染。那么，什么是氦-3 呢？氦是元素周期表中的第二号元素，它有两种同位素，即氦-4和氦-3。这两者的区别在于其原子核中的中子数量的差别，它们的原子核中都有两个质子，但氦-4的原子核中有两个中子，而氦-3的原子核中只有一个中子。

下面我们来看看氘和氚的聚变反应及氘和氦-3的聚变反应有什么不同，以氦-3作燃料的核聚变电站有哪些优势。

氘和氚及氘和氦-3的核反应过程可以用下面两个反应式来表示：

大家知道，氘包含一个质子及一个中子，氚包含一个质子及两个中子。在氘和氚的核反应过程中，除了生成氦外，还要释放出一个中子，这种中子具有很高的能量并带有放射性，是对人体有严重伤害的一种粒子，因此以氘和氚为燃料的核电站不是百分之百的安全。而氘和氦-3进行的核聚变反应过程中不产生中子，因此是一种很安全的核能，完全无污染，又很容易控制，不仅可用于地面核电站，而且特别适合用于未来的宇宙飞船。另外，氚本身还有放射性，而氦-3没有。当然，以氘和氦-3为燃料的核聚变反应，其点火温度要比氘和氚为燃料的反应要高一些，但前者的防护措施却要简单得多。

氦-3这种理想的核燃料，在地球上却非常稀少，据估计，地球上氦-3的总量也只有200-300千克。但科学家发现在月球上的藏量却很丰富，它大部分集中在富含钛铁矿的月壤中，估计总量达一百万吨。据专家计算，如果采用以氦-3为燃料的聚变发电，那么，美国一年只要25吨氦-3就能满足需求，而全世界一年大约有100吨氦-3也就够了。这就是说，月球上氦-3的储量，能够解决我们地球上一万年的发电需求！因此，现在许多大国已经将获取氦-3作为开发月球的重要目标之一。

下面，我们来说说为什么地球上的氦-3很少，而月球上却很丰富。月球上的氦-3来自哪里？

我们知道太阳在不断地进行着氢的聚变反应，在聚变过程中除了产生氦-4外，也产生大量的氦-3。

几十亿年来，太阳内部一直在进行着核反应，同时也在不断地向外喷射各种粒子，其中也包含了大量的氦-3，我们将这种粒子流称为“太阳风”。“太阳风”到达月球表面时，氦-3就会在月球表面的月壤中积累起来。月球和我们的地球一样，已经存在了四十多亿年，在这四十多亿年的时间里，在月球表面的月壤中已积累了大量的氦-3。当然“太阳风”也会吹向地球，那么为什么地球表面的土壤中没有氦-3呢？因为地球有磁场及一层厚厚的大气层，这些带正电荷的氦-3被地磁场及大气层所阻挡，有些被吹向了太空，有些留在了大气层中，这样，它当然就无法到达地面了，而月球没有磁场、也没有大气层，所以月球上的氦-3能储存在月壤之中。

要使月球上的氦-3资源为我们人类服务，就必须将它们运回地球，但这可不是一件容易的事。氦-3在月壤里的含量只有千分之几，如要将大量原始的月壤运回地球显然不太现实，我们只能将它富集以后再运回来，因此首先要在月球上建立富集氦-3的加工厂。要在月球上开设工厂，第一步要解决人在月球上的生存问题，在没有空气、没有液态水、没有食物来源的月球上生存，显然有太多的问题需要解决。因此，我们必须想方设法在月球上建立永久基地，使人类可以在月球上长期生存。

同时，要开发月球上的氦-3资源，还需要大量的能量，正好月球上还有另一种廉价的能源——太阳能，它可以为我们提供服务。

可以说，月球上的太阳能取之不尽、用之不竭。地球虽然很大，可以接收大量的太阳能，但是地球表面70%是水面，而且地球上由于有浓密的大气层，因此经常有浓云密布及刮风下雨的时候，此时的太阳能接收板就无法工作。但是在月球上没有这些问题，月球没有大气层，因此也就没有云彩的遮挡，也不会有刮风下雨的天气，它那里整日艳阳高照。如果在月球上安装太阳能接收装置，那么它的效率一定非常高。据估计，月球上每年接收到的太阳辐射能量为12万亿千瓦时，这相当于我国10000个三峡电站的发电量，数量非常可观。这为将来人类建设月球基地，为人类在月球上开展各种活动，提供了充足的能源。特别是我们在月球上要从月壤中提取氦-3时，需要消耗大量的能量，此时月球上的太阳能就可以为我们提供充足的能量。

如何从月壤中提取氦-3呢？科学家已有了一个初步的设想。我们可以用机械化铲车铲取月壤，将这些月壤送进粉碎机进行粉碎，这些已被粉碎了的月壤再送进加热炉加热，将月壤中的氦-3驱赶出来，然后将氦-3气体收集起来。在这个过程中，可能得到的是氦-3和氦-4的混合物，那么我们还需要进行同位素分离。最后将氦-3气体冷冻、加压、液化，储存于耐压的钢瓶中。这样我们就可以将它运回地球，充当我们地球上核聚变电站急需的核燃料。当然，这里可能还会有一些具体问题需要解决，但是，我们聪明的科学家和工程师一定能找到解决问题的办法。

在新世纪里，月球上的宝藏——氦-3将得到充分的开发和利用，它将为我们地球人提供既方便又干净的优质能量，它还会造福于地球人的子孙后代。

（未完待续）