氦-3這種核素一度熱到不行，因?yàn)樗且环N可以用作清潔核聚變發(fā)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(wěn)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(méi)人能證明它們實(shí)際存在。

在宇宙中，氦-3和氦-4是極其豐富的，不像地球表面那么難找。

氦的產(chǎn)生

科學(xué)家們認(rèn)為，自從宇宙誕生之初，“大爆炸”之后，太空里就已經(jīng)充滿著氦了，因此氦跟氫一樣，是“天生”的。

因?yàn)樵雍死镏挥?個(gè)質(zhì)子，氦是目前可觀測(cè)宇宙中除氫之外第二輕的元素，氦在宇宙中的質(zhì)量占了宇宙物質(zhì)總質(zhì)量的24%，是所有其它重元素質(zhì)量總和的12倍多。這是因?yàn)楹さ暮私Y(jié)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(lái)源于恒星內(nèi)部的核聚變和其它星際放射性物質(zhì)的衰變釋放的α粒子。

氦-3的原子核中有兩個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子，地球上氦-3主要來(lái)自氚的β衰變、鋰散裂和宇宙射線對(duì)高層大氣的影響。

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(wàn)分之三。這是科學(xué)家們通過(guò)測(cè)量木星大氣氦的含量得出的結(jié)論，木星大氣中的氦同位素比例說(shuō)明了在早期太陽(yáng)系星云中氦同位素的比例關(guān)系。這個(gè)比例應(yīng)該與月球表面氦-4與氦-3的比值相同，但實(shí)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(wàn)倍。

即便月球上的氦-3看起來(lái)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(yuǎn)低于宇宙中氦的含量，目前地球的地幔里有7%的原始氦，這是因?yàn)樵诘厍蛐纬傻倪^(guò)程中，像氫和氦這樣輕的氣體都上升到大氣層的上方，然后慢慢被太陽(yáng)風(fēng)吹到太空中去了。

地球內(nèi)部大量的鈾和釷在衰變的過(guò)程中可以釋放氦-4，氦-4相比于氦-3一直在增加。據(jù)測(cè)算，地球巖石圈每年由于α衰變新產(chǎn)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(wàn)億分之四，大量的氦原子只要一出地表，大部分通過(guò)大氣層擴(kuò)散出去了。

目前全球氦的儲(chǔ)量大約是500億立方米，這些氦基本都是混雜在天然氣田里，如果天然氣儲(chǔ)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，它們離散地分布于高層大氣，所以想從大氣層里獲取氦-3難度極大成本極高。因此目前絕大多數(shù)天然的氦-3還是要從天然氣里分離出來(lái)。按照氦-3在天然氣里的濃度計(jì)算，美國(guó)現(xiàn)在每生產(chǎn)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。

氦-3拿來(lái)干嘛用？

目前情況下，氦-3的應(yīng)用范圍很窄，它主要用于中子檢測(cè)以及肺部醫(yī)學(xué)影像兩個(gè)方面。

氦-3有很高的熱中子吸收截面，所以它是中子檢測(cè)儀里的轉(zhuǎn)換器氣體。當(dāng)氦-3捕捉到一個(gè)中子時(shí)，它會(huì)轉(zhuǎn)化為一個(gè)氚離子和一個(gè)氫離子（質(zhì)子）同時(shí)釋放0.764 MeV的能量，通過(guò)分析產(chǎn)生出的氣體成分，就能判斷放射性物質(zhì)的中子輻射劑量。

未來(lái)氦-3還可以用于核聚變發(fā)電。

科學(xué)家們知道，當(dāng)一個(gè)氦-3原子核與氘原子核發(fā)生融合時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)氦-4原子核與一個(gè)質(zhì)子，同時(shí)釋放18.354 MeV的能量，這是第二代核聚變；

而當(dāng)兩個(gè)氦-3原子核發(fā)生融合，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)氦-4核與兩個(gè)質(zhì)子，釋放12.86MeV的能量，這被稱為第三代核聚變。

從上面的兩個(gè)反應(yīng)過(guò)程，我們注意到它們都沒(méi)有產(chǎn)生中子，也就是說(shuō)這個(gè)反應(yīng)過(guò)程對(duì)外沒(méi)有放射性物質(zhì)產(chǎn)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(shù)被稱為“真正干凈的核聚變”，氦-3身價(jià)暴漲，人們做夢(mèng)都想為未來(lái)清潔的核能發(fā)電尋找氦-3這種清潔的原材料。

從理想回到現(xiàn)實(shí)

氦-3發(fā)電真的那么完美嗎？

其實(shí)，第二代核聚變發(fā)電是有中子產(chǎn)生的，因?yàn)樵诤?3與氘融合產(chǎn)生氦-4的同時(shí)，還有一部分氘與氘之間也會(huì)產(chǎn)生融合反應(yīng)。當(dāng)兩個(gè)氘核融合時(shí)，有可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)氦-3和一個(gè)中子，中子具有放射性，跟第一代聚變反應(yīng)一樣被認(rèn)為不夠清潔。與此同時(shí)，第二代和第三代核聚變由于需要克服更強(qiáng)的庫(kù)侖勢(shì)壘，需要更高的能量才能完成融合，聚變所產(chǎn)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(wú)法完全掌握第一代核聚變技術(shù)，科學(xué)界最樂(lè)觀的估計(jì)，將第一代核聚變技術(shù)用于商業(yè)發(fā)電需要到2050年（30年以后）。更高能級(jí)的核聚變還處于設(shè)想與研究階段，距離現(xiàn)實(shí)還有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走。

我們需要多少氦-3？

我們以未來(lái)相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)的第二代聚變反應(yīng)為例來(lái)做一個(gè)計(jì)算：

2H + 3He → ?He + 1 p + 18.3 MeV

這相當(dāng)于每1摩爾（3g）3He約可以產(chǎn)生493 兆瓦時(shí)（4.93×10? W·h） 的能量，如果這些能量100%地轉(zhuǎn)化為電能，一個(gè)100萬(wàn)千瓦的核電站每小時(shí)約需要消耗6克氦-3，這個(gè)電站每發(fā)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(zhuǎn)化效率是不可能的，能做到30%就相當(dāng)不錯(cuò)了，因此這個(gè)電站年氦-3實(shí)際需求量將超過(guò)157千克。

2018年咱大陸地區(qū)全社會(huì)用電量約為6.84萬(wàn)億千瓦時(shí)，如果這些電能全部由第二代核聚變產(chǎn)出，我們當(dāng)年至少需要332噸的氦-3原料，且需要至少建設(shè)2100座百萬(wàn)千瓦級(jí)的核聚變電站。

前面介紹過(guò)，自然界的氦-3儲(chǔ)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(shù)3千克。2018年全球天然氣產(chǎn)量約為3.6萬(wàn)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(shí)上以目前的探測(cè)結(jié)果與技術(shù)，我們能取得10噸就已經(jīng)頂天了，許多天然氣田里根本就沒(méi)有氦-3。

月球表面有多少氦-3？

太空中有無(wú)盡的氦，雖然氦-3在其中僅占萬(wàn)分之三，但由于氦的總量極大，氦-3仍可以說(shuō)是取之不盡的。問(wèn)題是它們太分散，富集的地方環(huán)境又太惡劣，無(wú)論太陽(yáng)大氣層還是木星大氣層，我們都無(wú)法接近。最近的地方只有月球。

據(jù)估計(jì)，月球表面陽(yáng)光照射區(qū)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(qū)域的氦-3濃度可能達(dá)到50ppb。我們是否可以去月球開采氦-3運(yùn)回地球發(fā)電呢？按照濃度計(jì)算，我們平均需要對(duì)1500噸月球土壤和巖石進(jìn)行提純才能獲得1克氦-3，而2006年國(guó)際市場(chǎng)氦-3的價(jià)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(chǔ)量稀少、開采成本高被認(rèn)為是黃金寶貴的重要原因。

月球上氦-3濃度只有地面金礦的萬(wàn)分之一，開采和提純難度更高；無(wú)論是將龐大的設(shè)備和工廠搬去月球還是運(yùn)營(yíng)維護(hù)它們都需要極龐大的成本；每天至少需要運(yùn)回1噸氦-3才能滿足一國(guó)之需，這需要每天至少挖掘、粉碎和提純15億噸的月球巖石；并且由于氦-3分布離散，你需要把整個(gè)月球表面都刨一遍。你還認(rèn)為去月球采礦是合算的嗎？

總結(jié)

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(chǔ)量極低。

二、地幔物質(zhì)中被認(rèn)為有氦，但我們無(wú)法開采；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(shù)尚在研究中，需要走的路還很長(zhǎng)，并且大規(guī)模發(fā)電需要大量氦-3，地球自然儲(chǔ)量無(wú)法滿足需求。

四、月球表面氦-3含量相對(duì)比較高，但開采難度極大成本極高，從商業(yè)角度是不合算的。

五、未來(lái)人類可以以多種方式獲得能源，除了現(xiàn)有發(fā)電方式外，第一代核聚變技術(shù)不需要擔(dān)心氘原料不足；并且在太空建設(shè)太陽(yáng)能電站也可以提供無(wú)盡的能源。

綜合以上分析，證明去月球開采氦-3并不是我們明智的選擇。