“终极能源”

江湖上有一种传闻，说是月球上有一种东西叫“氦-3”，它是人类未来的终极能源，有了它，我们将有用不完的电，并且电费便宜到不可想象的地步。

说起氦-3，你会很自然地想起核聚变，它是一种核聚变燃料。我们知道在太阳的中心时刻都在发生核聚变，因此大家习惯地将正在研制中的核聚变装置称为“人造太阳”，意思是它能为我们带来源源不断的清洁能源。

中国托卡马克聚变实验装置

核电站不是清洁能源

目前在全球运行着接近450座核反应堆，每年大约提供2600太瓦时（TWh）的电力，约占全球电力供应量的10%，这些核反应堆都是依靠放射性物质铀或钚在衰变过程中产生热、用热能烧开水，再通过水蒸气推动蒸汽轮机来发电。尽管核电站在运行的过程中不释放二氧化碳，但它会产生放射性的中子，并且当核燃料烧到一定程度后它产生的热量不足以推动发电机全功率运行，发电厂就要把这些核燃料取出来换上新的燃料棒。全球核电站每年会产生约1.2万吨核废料，替换下来的核废料依然有放射性，不能随便丢弃，加工处理它既费钱又费时费力，于是成为全球的安全隐患。因此，核电属于低碳能源，但并不是清洁能源。

放射性污染威胁人类健康和安全

核聚变怎么样呢？

宇宙中亿万颗恒星每时每刻都在燃烧氢，通过将氢聚变成氦来产生光和热。氢气和氦气都没有放射性，许多人就认为可控核聚变是清洁的。其实并非如此。

我们以太阳举例。太阳的中心压力超过3000亿个大气压和1500万℃的高温，在如此强大的温度和压力下，氢原子核很容易被挤压在一起变成氦原子核，在这个过程中，它会释放出更多的能量，这就是核聚变。

太阳内部的核聚变链

氢在变成氦的过程中还会同时释放三种物质：中子、中微子和伽马射线。对于生物而言，中子和伽马射线都是有害的，因此太阳内部的核聚变并不安全。

氘和氚的DT核聚变

不过，当我们将氢的同位素氘（D）和氚（T）放在一起施加高温高压，情况就变得不同，这两种原子核会直接聚变成一个氦原子核，同时释放出一个中子和强大的能量。只要我们想办法把中子吸收掉，就可以得到清洁的能源。但这只是理想状态，事实上中子因为不带电，它不受磁场约束，也不容易被捕获，并且中子会轰击反应堆里的管道和线圈、使它们产生辐射、甚至造成淬火和故障。

聪明的你一定想到了氦-3，两个氦-3能聚变成一个氦-4，同时释放两个氢原子核。这中间没有产生有害的中子，也没有伽马射线，看起来是非常清洁的聚变方式。果真如此吗？你忘了它产生的两个质子，它们也会同时发生聚变反应并产生中子、并进一步发射出伽马射线！

氦-3核聚变产生的质子同样可以发生聚变

核聚变容易实现吗？

不容易。在原子的外围有一团电子云，因为都带负电，它会排斥另一个原子；当我们将电子剥离掉，只露出原子核时，两个同样带正电的原子核也会相互排斥，这个排斥力叫库仑势垒。

原子的库伦势垒非常高，你需要施加强大的能量帮助它们克服这种静电排斥力以使其相互靠近，而一旦两个原子距离足够近，就可以通过量子隧穿效应相互结合在一起形成一个新的大原子核，同时释放出更多能量。

克服库仑势垒需要消耗巨大的能量

在太阳内部有高温高压，地球上无法制造太阳那样强大的压力，只能通过更高的温度将原子电离成自由电子和原子核，并将能量传递给它们。与此同时，地球上也没有一种物质能够承受数亿度的高温，于是科学家们想到了用强磁场打造一个无形的“笼子”将电离后的原子核注入进去令其高速旋转并加热。这就是磁约束核聚变反应装置“托卡马克”。

“托卡马克”通过超导磁场将超高温粒子约束在磁环里

在所有核聚变方案中，托卡马克是其中最为成熟也最容易实现的一种领先方案，即便如此，科学家们为了实现更长时间的加热过程费尽心机，至今也没能进入到真正有用的聚变过程，反应堆所消耗的能量远远大于它本身输出的能量，因为原子核在磁环中碰撞的效率太低，它还不能达到稳定的自持。换句话说，这个核反应堆不仅不能发电，它还是个电老虎。

现在的核聚变反应堆都是电老虎，只进不出

氦-3核聚变难上加难

科学家们已经进行了几十年的不懈研究，至今还没能实现最初级的可控聚变反应，作为第三代的氦-3核聚变更是只在理论上可行。

可控核聚变的最大拦路虎在于库仑势垒，原子核中的质子越多（氦比氢多一个质子），它的电荷越大，库仑势垒就越高，你要让它们聚合就必须提供多得多的能量。目前第一代核聚变至少要等到2050年之后才有可能进行商业化发电，第三代的氦-3不知道要等到何年何月，同时在这个过程中研发资金的投入是无比巨大的。

ITER耗资极大，需要国际合作才能建成

即便哪天有了第三代核聚变的技术，要想获得大量氦-3也是个问题。有朋友说月球表面就有100万吨氦-3，但你不知道这些气体是分散潜藏在月球岩石和土壤的孔隙中，它的浓度仅在1.4~15ppb之间。换句话说，你需要将至少150吨月球岩石和土壤全部破碎、过滤、加热到700℃以上，再通过复杂的技术手段才能得到1克氦-3气体；或者，你需要把1平方公里内所有的月球土壤全部挖掘提纯一遍才能得到26千克氦-3。26千克氦-3能发多少电？假设它的能源转换效率为100%（实际上不可能），它大约能让一座百万千瓦核电站发电半年。

100万吨氦-3，撒开来就十分稀薄了

但是要想将大量的机器设备和人运送到月球上去开矿，并且将东西运回来，其消耗的能源和投入的成本实在是太大了，这绝对是一笔赔本的买卖。

月球采矿成本极大，不可承受

总结

随着科学技术的迅猛发展，我们在电力供应上将会有越来越多的选择权，除了传统的火力和水力发电外，像太阳能、风能、化学能以及核能发电将会日益普及，核聚变发电也终将有一天得到推广和普及。

同时我们也应该看到，电力供应说到底它是一门生意，建设和运营一座核聚变电站需要钱，前期大量的研发工作也需要巨额投资，每一分钱最终都会摊到我们的电费里。

从聚变原料获取的难度看，氘在海水中含量丰富，几乎取之不尽；氚也比较容易制备，其成本也相对不高，因此未来DT核聚变无论从技术、燃料供应还是从成本角度看都是最合算的。

法国卡特农核电站巨大的冷却塔

氦-3核聚变在理论上最“干净”，但技术极难、原料极难获得、成本太高，未来不会是聚变发电的首选。

#科学燃计划#