核聚变100问(78)：月壤中氦-3储量有多惊人？

嫦娥6号近日刚刚登录，让我们不禁想到上次嫦娥5号探测器在月球采集了约2公斤的月球表面土壤。

嫦娥5号探测器月球模拟图，图片来源人民日报

月壤，作为月球表面的物质，其中含有丰富的氦-3，氦-3是一种清洁、安全、高效的核聚变燃料，如果能够解决应用问题，它有可能引发一场能源革命。

氦-3及其用途

氦-3（Helium-3，符号为³He）是一种氦的同位素，其原子核中含有2个质子和1个中子。氦-3可以用于低温物理学研究，因为它可以在极低的温度下保持液态，这使得它在超导磁体和超流体实验中非常有用。

同时作为一种潜在的核聚变燃料，它被认为在核聚变反应中具有巨大的潜力。与氚（Tritium）不同，氦-3与氘（Deuterium）进行聚变时不会产生中子，这意味着反应产生的放射性废物会大大减少。我们前几天的文章《无中子核聚变：全球能源危机下的新希望》中提到，目前Helion Energy公司就有在使用这种燃料，如果大家有兴趣，可以去了解。（👈点击阅读详情）

月球上氦-3的储量

科学家认为它是由太阳风产生，后被月球捕获并吸附在月球的土壤中。经过45亿年的积累，月球的土壤中现在富含氦-3，储量在一百万吨到五百万吨之间。氦-3无色、无味、稳定，被公认为高效、清洁、安全、廉价的核聚变发电燃料。

氦-3燃烧可以产生巨大的能量。根据中国网新闻中心的数据，每燃烧1千克氦-3可以产生19兆瓦的能量，足以为一座城市提供6年的照明。与传统的核燃料相比，氦-3更加安全，因为它的热核反应堆中没有中子，使用氦-3作为能源时不会产生辐射。

发现月壤中氦-3的过程

作为中国空间技术研究院的合作伙伴，中科院宁波材料所获得了1克月壤，以探索氦-3的提取方法。在月壤中的钛铁矿颗粒表面发现了一层非晶玻璃。这种玻璃态材料具有独特的无序原子堆积结构，展现出极高的稳定性。

以往的研究认为，氦-3主要溶解在月壤颗粒中，提取过程受扩散速率限制，需要700℃以上的高温，耗能高且速度慢。中国研究人员通过高分辨透射电镜和电子能量损失谱法，在月壤的玻璃层中观测到了大量的氦气泡，直径约为5-25纳米。

玻璃层中的氦-3气泡（摘自澎湃新闻）

研究人员认为，氦原子首先由太阳风注入钛铁矿晶格中，然后在晶格的沟道扩散效应下逐渐释放。由于表层玻璃具有原子无序堆积结构，限制了氦原子的释放，氦原子被捕获并逐渐储存起来，形成了气泡。

如何提取月壤中的氦-3

研究表明，通过机械破碎方法有望在常温下提取以气泡形式储存的氦-3，不需要加热至高温。此外，钛铁矿具有弱磁性，可以通过磁筛选与其他月壤颗粒分开，便于在月球上原位开采。根据估算，如果月球上的氦-3全部用于核聚变，可以满足全球2600年的能源需求。这一发现为人类开发利用月球氦-3资源提供了新的可能，有望推动月球能源开发进入新阶段。

氦-3在其他领域的应用

氦-3在医学成像技术中的应用，尤其是在正电子发射断层扫描（Positron Emission Tomography，简称PET）中，是一个专业且复杂的领域。PET是一种医学成像技术，它使用正电子发射的放射性同位素来检测身体内的生物化学过程。

氦-3由于其低能量的正电子发射特性，可以用于PET扫描中。相比于传统的PET同位素（如碳-11、氟-18等），氦-3衰变时，它发射的正电子能量较低，可以提供更清晰的图像，减少对患者的辐射剂量。

参考链接：

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