人類現(xiàn)在正在美美構(gòu)想一種能源技術(shù)，像太陽(yáng)那樣以清潔無(wú)污染的方式，持續(xù)為我們的生活提供無(wú)盡能量。

如果放在百年前，可能還是白日做夢(mèng)，但是如今以人類的科技已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)“人造太陽(yáng)”了！它就是可控核聚變技術(shù)。

然而，正當(dāng)我們狂喜的時(shí)候，一個(gè)噩耗傳來(lái)：原來(lái)可控核聚變所需的原料“氚”，在地球上的含量撐死也就幾公斤。俗話說(shuō)巧婦難為無(wú)米之炊，難道我們?nèi)祟惖娜嗽焯?yáng)計(jì)劃就要這樣胎死腹中了嗎？

“人造太陽(yáng)”到底是什么？

太陽(yáng)之所以能夠持續(xù)發(fā)光發(fā)熱，是因?yàn)閮?nèi)部的氫原子在極端條件下發(fā)生聚變，轉(zhuǎn)化為氦，并釋放出巨大的能量?？煽睾司圩兗夹g(shù)，巧妙地模擬了此過(guò)程，讓氫的兩種同位素——氘和氚，在高溫等離子體中相遇并融合，轉(zhuǎn)化為氦核和高速中子，同時(shí)釋放出驚人的熱能。

這一轉(zhuǎn)化過(guò)程，近乎完美地避開了有害輻射，真正實(shí)現(xiàn)了能源的清潔與可持續(xù)。而且可控核聚變的原料來(lái)源廣泛，且易于獲取。氘是氫的一種同位素，含有一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子，與普通的氫（僅含有一個(gè)質(zhì)子）不同。

氘的資源相當(dāng)豐富，它主要存在于水中，約占地球水體中氫原子的0.015%。這一比例雖然看似微小，但由于地球水體龐大，實(shí)際上氘的總量非?？捎^。氘可以通過(guò)對(duì)海水進(jìn)行電解或化學(xué)分離來(lái)提取。提取過(guò)程中，氘被從普通氫中分離出來(lái)，形成高純度的氘，這一過(guò)程技術(shù)成熟且經(jīng)濟(jì)可行。

氚是氫的一種放射性同位素，含有一個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子。在自然界中，氚的存在極其稀少，因此需要人工制備?？茖W(xué)家們主要通過(guò)鋰的中子捕獲反應(yīng)，來(lái)產(chǎn)生氚。遺憾的是，氚的消耗速率遠(yuǎn)超其自然形成的步伐，這使得在推進(jìn)可控核聚變技術(shù)時(shí)，必須面對(duì)氚資源短缺的嚴(yán)峻問(wèn)題。

在可控核聚變的宏偉藍(lán)圖中，氚扮演著至關(guān)重要的角色。氚獨(dú)特的單質(zhì)子加雙中子的結(jié)構(gòu)，在高溫高壓的催化下，一旦與氘相遇，便能引發(fā)核聚變反應(yīng)，釋放出驚人的能量。

然而，氚卻自帶兩重挑戰(zhàn)。氚在自然界中極其不穩(wěn)定性，讓存儲(chǔ)與利用成為技術(shù)難題；其次是自然界中，氚的身影難覓，且因半衰期短暫，僅約12年。氚在地球的現(xiàn)存儲(chǔ)量，捉襟見肘，預(yù)計(jì)僅能支撐未來(lái)數(shù)十年的核聚變探索。

人類智慧能否打破稀缺困局？

對(duì)于前沿核聚變項(xiàng)目，以及未來(lái)可能出現(xiàn)的更高級(jí)反應(yīng)堆，穩(wěn)定的氚供應(yīng)，是維持高溫等離子體狀態(tài)、確保能源輸出的關(guān)鍵。一旦氚供應(yīng)不足，這些反應(yīng)堆的發(fā)電能力，將受到嚴(yán)重影響。

在自然環(huán)境中，氚的分布極為有限，幾乎可以忽略不計(jì)。無(wú)論是大氣還是水體，都難以直接提供足夠的氚資源。自然生成的氚，主要依賴于宇宙射線與大氣氮元素的相互作用，但這一過(guò)程產(chǎn)生的氚，量極少，且分布不均。

而現(xiàn)有的生產(chǎn)途徑——利用核反應(yīng)堆副產(chǎn)物，通過(guò)中子與鋰的復(fù)雜反應(yīng)制取氚，雖可行，卻飽受效率低、成本高、資源緊張的困擾。在此背景下，探索新型氚生產(chǎn)技術(shù)，成為破解可控核聚變商業(yè)化難題的關(guān)鍵。

氚的主要制備方法，主要依賴于鋰-6同位素的核反應(yīng)。在這一過(guò)程中，當(dāng)氘和氚在核聚變反應(yīng)中結(jié)合時(shí)，它們會(huì)生成一個(gè)氦原子和一個(gè)高能中子。這些高能中子隨后撞擊鋰-6同位素，引發(fā)核反應(yīng)。這種反應(yīng)生成了更多的氚和氦。

如今科學(xué)家們夜以繼日地，研究如何優(yōu)化這一核反應(yīng)過(guò)程，力求提升氚的生產(chǎn)效率，確保未來(lái)核聚變研究與應(yīng)用的燃料供應(yīng)無(wú)憂，有效地解決氚資源的短缺問(wèn)題，為核聚變能源的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

鋰-6同位素的核反應(yīng)雖然在理論上可行，但在實(shí)際操作中面臨許多技術(shù)難題。首先，鋰-6必須在高溫或高輻射環(huán)境下才能保持穩(wěn)定，其處理和儲(chǔ)存要求極高的技術(shù)支持。其次，由于鋰-6的自然豐度有限，因此需要大量的鋰材料進(jìn)行反應(yīng)，增加了生產(chǎn)成本和技術(shù)難度。

此外，生成的氚，必須迅速?gòu)姆磻?yīng)堆中分離和回收，防止其在反應(yīng)堆內(nèi)進(jìn)一步衰變。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，科學(xué)家們正在研發(fā)高效的冷卻和分離技術(shù)，例如通過(guò)液氮，或液氦冷卻系統(tǒng)降低反應(yīng)堆溫度，使氚凝結(jié)并提取。氣體分離技術(shù)，如氟化物膜和金屬有機(jī)框架（MOFs），也在不斷優(yōu)化，以提高氚的回收效率。

在傳統(tǒng)制備方法之外，科學(xué)家們還不斷探索創(chuàng)新途徑。他們巧妙運(yùn)用等離子體控制技術(shù)，通過(guò)精確調(diào)控電磁場(chǎng)，引導(dǎo)中子撞擊鋰材料，提升氚的生產(chǎn)效率。此外，還有研究團(tuán)隊(duì)致力于開發(fā)新型材料，讓中子在反應(yīng)堆內(nèi)循環(huán)往復(fù)，參與多次反應(yīng)，以最大化氚的產(chǎn)量。

展望未來(lái)，氚生產(chǎn)技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)重大突破，達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)水平。模塊化氚生產(chǎn)反應(yīng)堆的構(gòu)想，可根據(jù)需求輕松擴(kuò)展，適用于不同規(guī)模的氚生產(chǎn)任務(wù)。此外我們還可能將氚生產(chǎn)，無(wú)縫融入核聚變電站等能源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)能源的全方位整合與高效利用，推動(dòng)全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型。

通過(guò)這些技術(shù)進(jìn)步，氚的穩(wěn)定供應(yīng)將得到保障，為核聚變能源的廣泛應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，還將為醫(yī)學(xué)、科研和工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域提供重要的氚資源支持。氚在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域扮演著重要角色。例如，在癌癥治療中，氚標(biāo)記的藥物，可以精確地定位并殺死癌細(xì)胞，提高治療效果并減少副作用。

中國(guó)探月計(jì)劃：一箭不止雙雕

還有一個(gè)更具遠(yuǎn)見的設(shè)想，那就是人類可以在月球上，建立氚提取和生產(chǎn)基地。月球，特別是其極地區(qū)域，隱藏著驚人的氦-3與氚資源。這兩種元素在月球上，尤其是氚的含量，達(dá)到了地球表面可探測(cè)濃度的數(shù)百倍之多。

氦-3，作為一種稀有且非放射性的同位素，是核聚變反應(yīng)中極具潛力的燃料之一。相比其他核能技術(shù)，氦-3參與的核聚變反應(yīng)不僅能量巨大，而且?guī)缀醪划a(chǎn)生長(zhǎng)壽命的放射性廢物，因此被視為未來(lái)清潔能源的“圣杯”。而月球上豐富的氦-3儲(chǔ)量，使得月球成為了人類尋求可持續(xù)、清潔能源供應(yīng)的重要目標(biāo)。

與此同時(shí)，月球上的氚資源同樣引人注目。太陽(yáng)風(fēng)中的高能質(zhì)子，與月球表面的氫和氦發(fā)生核反應(yīng)，形成氚。由于月球的薄重力和無(wú)大氣環(huán)境，氚在月球表面得到了有效積累。月球極地的陰影區(qū)域，稱為冷陷區(qū)，溫度低至接近絕對(duì)零度，形成了天然的氚存儲(chǔ)庫(kù)。

科學(xué)家推測(cè)，月球冷陷區(qū)蘊(yùn)含的氚資源，足以支撐人類未來(lái)數(shù)百年的核聚變研究和應(yīng)用。為了開采這些寶貴的氚資源，科學(xué)家設(shè)想，利用特制的挖掘設(shè)備和低溫技術(shù)，對(duì)月球表面的土壤和巖石進(jìn)行加熱和冷凝處理，從而有效地將氚分離出來(lái)。

當(dāng)氚以氣體的形態(tài)被分離出來(lái)后，迎接它的是精密設(shè)計(jì)的冷凝系統(tǒng)。氣化后的氚氣，通過(guò)冷凝系統(tǒng)被冷卻至極低溫（接近絕對(duì)零度），形成固態(tài)或液態(tài)氚。整個(gè)冷凝過(guò)程，需在嚴(yán)格的真空環(huán)境中進(jìn)行，確保氚不受任何外界雜質(zhì)的侵?jǐn)_。

對(duì)月球氚資源的開采與利用，安全儲(chǔ)存與高效循環(huán)利用是重要的環(huán)節(jié)。氚提純后，需儲(chǔ)存在高密封性容器中，以確保氚的安全儲(chǔ)存和運(yùn)輸。月球表面相對(duì)貧瘠的地質(zhì)條件，不像地球一樣需要考慮環(huán)境問(wèn)題，開采過(guò)程中產(chǎn)生的輻射廢料，可以被直接用于月球基地的基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)資源的最大化利用。

中國(guó)探月工程，已經(jīng)將月球氚資源的探測(cè)與開發(fā)，納入未來(lái)的關(guān)鍵任務(wù)之一。我們可以預(yù)見一個(gè)充滿希望的未來(lái)：中國(guó)月球挖礦車，將在月球表面自由馳騁，將寶貴的氚資源一一收入囊中。這些氚資源不僅將被送回地球，更有可能直接供應(yīng)給太空中的核聚變反應(yīng)堆，為人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展注入新的動(dòng)力。

參考資料：

氚化學(xué)與工藝學(xué)國(guó)防工業(yè)出版社 2015

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