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未来20年,航天也许将面临前所未有的突破.
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未来20年,航天也许将面临前所未有的突破

 

摘要

 

氦-3是一种氦的同位素,核内有两个质子和一个中子,不同于普通的氦-4,核内有两个质子和两个中子。

氦-3具有独特的性质,可以在热核反应堆中高效安全地使用。

氦-3在地球上极为稀缺,但在月球上相对丰富,是太阳风的产物。

氦-3可以成为太空飞行器和基地的强大能源,也可以从月球开采和运送到地球。

在未来20年内,预计太空探索将取得重大突破,与开发月球和利用氦-3有关。

 

引言

 

太空探索是人类活动中最有前景和令人兴奋的领域之一,它为探索和利用太空空间提供了无限的可能性。然而,太空探索也面临着严峻的技术和经济问题,阻碍了它的发展。其中一个问题就是能源问题。

 

能源问题是指太空旅行和探险需要大量的能源,而在太空环境中难以获得和使用。现有的太空能源方式有以下缺点:

 

化学火箭发动机是将太空飞行器送入轨道和星际轨道的最常用方式。但是化学火箭发动机效率低(比冲不超过450秒),需要大量的燃料(占火箭质量的大部分),并在发射时污染环境。

 

太阳能电池是为太空飞行器的舱内系统提供电力的最常用方式。但是太阳能电池效率低(不超过30%),依赖于距离太阳和太阳辐射入射角度,易于磨损和受到微陨石和太空尘埃的损害。

 

核反应堆是为远程和长期任务的太空飞行器提供电力的替代方式。但是核反应堆成本高,复杂重,需要特殊的安全措施和防辐射保护,并引起公众不满和政治争议。

 

因此,有必要寻找新的太空能源来源,它们应该是高效、安全、环保和经济的。其中一个来源就是氦-3。

 

什么是氦-3?

 

氦-3是一种氦的同位素,核内有两个质子和一个中子,不同于普通的氦-4,核内有两个质子和两个中子。氦-3是一种无色无味无臭无毒的气体,在温度低于3.2K(-269.8°C)时变为超流体。

 

氦-3具有独特的性质,可以在热核反应堆中高效安全地使用。热核反应是指轻核(如氢)融合成重核(如氦)时释放出巨大能量的反应。热核反应在恒星中发生,包括太阳,并且是宇宙生命的基础。

 

然而,在地球上启动热核反应需要非常高的温度(约100百万度)和压力(约1000亿帕),以克服正电荷的库仑斥力。为了达到这些条件,使用了不同的方法来加热和压缩等离子体——由自由电子和核组成的离子化气体。

 

有几种不同的热核反应可以用来获取能量。最研究和开发的是氘(D)和氚(T)的融合反应——氢的同位素,核内分别有一个和两个中子:

D + T -> He-4 + n + 17.6 MeV

 

这个反应在相对低的温度(约15百万度)下有最大的概率(截面),并且可以在托卡马克中实现——环形的带有磁线圈的室,产生强烈的磁场来制造强烈的磁场,囚禁和加热等离子体。

 

这个反应的缺点是它产生高能中子,它们可以穿透反应堆的壁,造成辐射损伤和放射性废物。此外,氚是一种放射性同位素,有毒且稀缺,需要通过锂的中子俘获来制造。另一个可能的热核反应是氦-3和氘的融合反应:He-3 + D -> He-4 + p + 18.4 MeV

 

这个反应的优点是它产生正电子(质子),它们可以被电磁场捕获和利用,而不会损坏反应堆的壁。此外,氦-3是一种非放射性同位素,无毒且安全,不需要通过其他反应来制造。

 

然而,这个反应的难度也更大,因为它需要更高的温度(约100百万度)和更大的概率(截面),才能克服氦-3和氘之间更强的库仑斥力。因此,这个反应需要更先进的技术来实现,例如惯性约束聚变(ICF)或激光聚变。

 

氦-3在哪里?

 

氦-3在地球上极为稀缺,因为它很难从自然界中产生或分离。地球上的氦-3主要来源于以下途径:

 

宇宙射线轰击:当高能宇宙射线与大气中的原子核碰撞时,会产生一系列的核反应,其中一些会生成氦-3。然而,这个过程非常低效,每年只能产生约300克的氦-3。

三氚衰变:三氚是一种放射性同位素,有两个质子和一个中子,在12.3年的半衰期内衰变为氦-3和电子。三氚可以在自然界中由锂、硼等元素的中子俘获产生,也可以在人工核反应堆中由锂或重水的中子俘获产生。然而,三氚的总储量也很有限,估计只有约20吨。

原子弹爆炸:在原子弹爆炸时,会产生大量的中子和高温高压的环境,有利于氦-3的生成。据估计,在20世纪进行的核试验中,共产生了约230吨的氦-3。然而,这些氦-3大部分散失在大气中,只有少部分被收集和储存。

 

因此,地球上的氦-3总储量非常有限,估计只有约30吨。如果要用它作为热核能源,就需要寻找其他来源。而最有可能的来源就是月球。

 

月球上的氦-3主要来源于太阳风。太阳风是由太阳表面不断喷发的高能带电粒子组成的流动,其中包含约1%的氦-3原子核。由于月球没有大气层和磁场,太阳风可以直接轰击月球表面,并将氦-3等元素植入到月壤中。经过数十亿年的积累,月球表层形成了一层富含氦-3的薄膜。

据估计,月球表层的氦-3含量约为10-15 ppm,即每吨月壤中含有10-15克的氦-3。如果将月球表层的前3米挖掘出来,可以获得约110万吨的氦-3。这相当于地球上所有化石燃料的能量的几百倍。

 

氦-3的用途

 

氦-3可以作为一种强大而清洁的能源,为太空探索和地球发展提供动力。氦-3的主要用途有以下几个方面:

 

太空飞行器的推进:使用氦-3和氘的热核反应,可以为太空飞行器提供高效而持久的推进力。相比于化学火箭发动机,氦-3热核发动机可以大大降低质量比和比冲,从而提高有效载荷和飞行速度。例如,使用氦-3热核发动机,可以在几天内从地球飞到火星,而不是几个月。

 

太空基地的供电:使用氦-3和氘的热核反应,可以为太空基地提供稳定而充足的电力。相比于太阳能电池,氦-3热核反应堆可以不受太阳光照和温度变化的影响,而且占用空间更小,维护更简单。例如,使用氦-3热核反应堆,可以为月球基地或火星基地提供长期而可靠的能源。

 

地球的供电:使用氦-3和氘的热核反应,可以为地球提供清洁而安全的电力。相比于传统的裂变或聚变反应堆,氦-3热核反应堆不会产生放射性废物,也不会造成核泄漏或核扩散的风险。例如,使用1吨的氦-3和0.67吨的氘,可以产生19.6吉焦(5.4兆瓦时)的能量,足以满足100万人一年的用电需求。

 

结论

 

氦-3是一种具有巨大潜力的太空能源,它可以解决太空探索和地球发展中面临的能源问题。然而,要实现这一目标,还需要克服许多技术和经济的障碍,例如:

 

开采和运输:要从月球上获取氦-3,需要建立有效和可持续的开采和运输系统,包括月球车、月球轨道器、返回舱等设备。这些设备需要高度的自动化和可靠性,以降低人力和物力的消耗。

存储和处理:要在地球上使用氦-3,需要建立安全和高效的存储和处理系统,包括冷却罐、分离装置、纯化装置等设备。这些设备需要高度的密封和监控,以防止氦-3的泄漏和浪费。

聚变技术:要利用氦-3进行聚变反应,需要建立先进和稳定的聚变技术,包括惯性约束聚变或激光聚变等方法。这些方法需要高度的精确度和控制,以达到所需的温度和压力。

 

在未来20年内,预计太空探索将取得重大突破,与开发月球和利用氦-3有关。一些国家和组织已经制定了相关的计划和目标,例如:

 

中国:中国于2013年成功发射了嫦娥三号探测器,实现了月球软着陆和巡视探测。中国还计划在2024年发射嫦娥五号探测器,实现月球采样返回。中国的长期目标是在2030年前建立月球基地,并开展氦-3的开采和利用。

 

印度:印度于2008年成功发射了月船一号探测器,实现了月球轨道探测。印度还计划在2023年发射月船二号探测器,实现月球软着陆和巡视探测。印度的长期目标是在2030年前建立月球基地,并开展氦-3的开采和利用。

 

俄罗斯:俄罗斯于2011年失败地发射了奔月号探测器,试图实现月球轨道探测和采样返回。俄罗斯还计划在2025年发射奔月二号探测器,实现月球南极的软着陆和巡视探测。俄罗斯的长期目标是在2030年前建立月球基地,并开展氦-3的开采和利用。

 

美国:美国于2009年成功发射了月球勘测轨道飞行器(LRO)和月球坠落撞击探测器(LCROSS),实现了月球轨道探测和南极撞击分析。美国还计划在2024年发射阿尔忒弥斯计划的宇航员,实现人类重返月球。美国的长期目标是在2030年前建立月球基地,并开展氦-3的开采和利用。

 

欧盟:欧盟于2018年成功发射了小行星与月球探测器(SMART-1),实现了月球轨道探测。欧盟还计划在2025年发射小行星与月球探测器二号(SMART-2),实现月球南极的软着陆和巡视探测。欧盟的长期目标是在2030年前建立月球基地,并开展氦-3的开采和利用。

 

综上所述,氦-3是一种具有巨大潜力的太空能源,它可以为太空探索和地球发展提供动力。然而,要实现这一目标,还需要克服许多技术和经济的障碍,以及与其他国家和组织的合作与竞争。氦-3的未来将取决于人类对太空的渴望和努力。

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