氦-3（氦气同位素气体）

氦-3（氦气同位素气体）

氦-3 （氦气同位素气体） 次浏览 | 2022.11.27 15:25:27 更新 来源 ：互联网 精选百科 本文由作者推荐 氦-3氦气同位素气体

氦-3是一种氦气同位素气体，化学符号³He，气体具有无色，无味，无臭稳定的气体。一般储存于气瓶中的高压气体，天然氦-3含量是1.38x10-6。当其含量增加导致氧气含量低于19.5%时有可能引起窒息，需要配备自吸式呼吸面具。

2022年4月6日消息，据国外媒体报道，一项新的建模研究显示，地核中仍存有大量氦-3，正在不断向外泄漏。

中文名

氦-3

外文名

He-3(化学符号)

helium-3(正式英文名)

分子量

3.01603

沸点

-270

外观

无色的气体

应用

氦-3与氘进行热核反应

未来能源

氦-3的提取是一个极其复杂的过程。人们首先需要将月球土壤加热到700摄氏度以上，才可以从中提取到氦-3。开发、运送月球上的能源也有很多难题需要解决。比如，需实现月球和地球之间的人、货运输，首先要有足够大推力的运载火箭。另外，要在没有大气包裹的月球表面着陆，主要只能靠反推火箭来缓冲，如何保障安全是一大难题。此外，氦-3提取成功后如何利用同样是一个技术难题。

因为使用氦-3的热核反应堆中没有中子（氦-3与氘进行热核反应只会产生没有放射性的质子），故使用氦-3作为能源时不会产生辐射，不会为环境带来危害。但是因为地球上的氦-3储量稀少，无法大量用作能源。幸好，根据月球探测的结果，月球上的氦-3含量估计约100万吨以上。

100吨氦-3便能提供全世界使用一年的能源总量。

氦-3的作用

月球上氦3分布图

进入到21世纪，新一轮的登月计划再次席卷全球，其中有一个很重要的原因，是为人类社会的持续发展寻找新的能源。在一部非常著名的科幻电影《月球》中，我们看到了月球上的氦-3采集基地。月球上的采集员常驻月球采集氦-3，定期把氦-3送回地球，在那一时期，氦-3已经成了地球重要的能源。月球上氦-3含量丰富，但是月球上的氦-3真的可以为我们所用吗？

随着世界石油价格的持续飞涨，越来越多的国家和组织开始把目光转向了月球，各国科学家正围绕月球上氦-3的储量、采掘、提纯、运输及月球环境保护等问题悄然开展相关研究。这种在地球上很难得到的特别清洁、安全和高效的核聚变发电燃料，被科学家们称为“完美能源”。也许在未来的某一天，月球将会犹如20世纪中叶的波斯湾。

安全性

安全资料：无毒，会导致窒息。

燃烧性：不燃烧气体

气瓶材质：铁合金，铝

DOT 标签：Green, Nonflammable Gas

DOT 危险等级：2.2

UN No.： UN 1046

CAS No. ：7440-59-7

发现

1996年，戴维·李（David M. Lee, 1931~？)、道格拉斯·奥谢罗夫（Douglas D. Osheroff, 1945~？）和罗伯特·理查森（Richard C. Richardson, 1937~？ ）因发现了氦-3（3He）中的超流动性，共同分享了1996年度的诺贝尔物理学奖。

具体介绍

氦气

在自然界，存在着3He和4He两种同位素。4He的原子核有两个质子和两个中子；而3He只有一个中子。20世纪30年代末期，卡皮查发现4He的超流动性。朗道从理论上解释了这种现象，他认为当温度在绝对温度2.17K时，4He原子发生玻色爱因斯坦凝聚，成为超流体，而像3He这样的费米子即使在最低能量下也不能发生凝聚，所以不可能发生超流动现象。金属的超导理论（BCS理论）的提出使得人们认为在极低温度下3He也可能会形成超流体。但是人们一直未能在实验上发现3He的超流动性。20世纪70年代，戴维·李领导的康奈尔低温小组首次发现了3He的超流动性，不久，其它的研究小组也证实了他们的发现。

3He超流体的发现在天体物理学上有着奇特的应用。人们使用相变产生的3He超流体来验证关于在宇宙中如何形成所谓宇宙弦的理论。研究小组用中微子引起的核反应局部快速加热超流体3He，当它们重新冷却后，会形成一些涡旋球。这些涡旋球就相当于宇宙弦。这个结果虽然不能作为宇宙弦存在的证据，但是可以认为是对3He流体涡旋形成的理论的验证。3He超流体的发现不仅对凝聚态物理的研究起了推动作用，而且在此发现过程中所使用的核磁共振的方法，开创了用核磁共振技术进行断层检验的先河，目前核磁共振断层检验已发展成为医疗诊断的普遍手段。

应用前景

氦-3的巨大应用前景以及登月计划

月球是解决地球能源危机的理想之地，“氦-3”是一种如今已被世界公认的高效、清洁、安全、廉价的核聚变发电燃料。根据科学统计表明，10吨氦-3就能满足我国全国一年所有的能源需求，100吨氦-3便能提供全世界使用一年的能源总量。但氦-3在地球上的蕴藏量很少，人类已知的容易取用的氦-3全球仅有500千克左右。而根据人类已得出的初步探测结果表明，月球地壳的浅层内竟含有上百万吨氦-3。如此丰富的核燃料，足够地球人使用上万年。我国探月工程的一项重要计划，就是对月球氦-3含量和分布进行一次由空间到实地的详细勘察，为人类未来利用月球核能奠定坚实的基础 。

我国的探月计划中，有一件事情是外国从未涉足的：我国计划测量月球的土壤层到底有多厚，这对于我们计算月球氦-3含量意义重大，如果工程顺利，我们估算氦-3的资源含量可能要比前人前进一步。最后，我们将研究地月空间环境，这对于地球环境和人类社会的发展都是至关重要的。

2015年4月，我国科学家利用嫦娥三号“玉兔”月球车的测月雷达数据首次给出了较为可靠的月壤厚度估计，认为前人的估计方法可能普遍低估了月壤厚度和氦-3总储量   。

日本报道

日本《外交学者》网站1月7日刊文称，许多国家都在悄悄的为第四代核武器寻找氦-3材料，得到这种无放射性沉降物的材料将成为世界新的霸主，而中国在这场竞争中，获得了胜利。

未来新能源

① 氦-3是一种清洁、安全和高效率的核融合发电燃料。开发利用月球土壤中的氦-3将是解决人类能源危机的极具潜力的途径之一。

② 氦-3是氦的同位素，含有两个质子和一个中子。它有许多特殊的性质。根据稀释制冷理论，当氦-3和氦-4以一定的比例相混合后，温度可以降低到无限接近绝对零度。在温度达到2.6mK以下   的时候，液体状态的氦-3还会出现“超流”现象，即没有黏滞性，它甚至可以从盛放它的杯子中“爬”出去。然而，当前氦-3最被人重视的特性还是它作为能源的潜力。氦-3可以和氢的同位素发生核聚变反应，但是与一般的核聚变反应不同，氦-3在聚变过程中不产生中子，所以放射性小，而且反应过程易于控制，既环保又安全，但是地球上氦-3的储量总共不超过几百公斤，难以满足人类的需要。科学家发现，虽然地球上氦-3的储量非常少，但是在月球上，它的储量却是非常可观的。

③ 氦大部分集中在颗粒小于50微米的富含钛铁矿的月壤中。估计整个月球可提供71.5万吨氦-3。这些氦-3所能产生的电能，相当于1985年美国发电量的4万倍，考虑到月壤的开采、排气、同位素分离和运回地球的成本，氦-3的能源偿还比估计可达250。这个偿还比和铀235生产核燃料（偿还比约20）及地球上煤矿开采（偿还比不到16）相比，是相当有利的。此外，从月壤中提取1吨氦-3，还可以得到约6300吨的氢、70吨的氮和1600吨碳。这些副产品对维持月球永久基地来说，也是必要的。俄罗斯科学家加利莫夫认为，每年人类只需发射2到3艘载重100吨的宇宙飞船，从月球上运回的氦-3即可供全人类作为替代能源使用1年，而它的运输费用只相当于如今核能发电的几十分之一。据加利莫夫介绍，如果人类如今就开始着手实施从月球开采氦-3的计划，大约30年到40年后，人类将实现月球氦-3的实地开采并将其运回地面，该计划总似的费用将在2500亿到3000亿美元之间。

分离方法

氦-3等同位素气体的分离主要方法有气体扩散法离子交换法、气体离心法，另外还有蒸馏法、电解法、电磁法、电流法等，其中以气体扩散法最成熟。“浓缩”的使用涉及旨在提高某一元素特定同位素丰度的同位素分离过程，例如从天然铀生产浓缩铀或从普通水生产重水。

气体扩散法——这是商业开发的第一个浓缩方法。该工艺依靠不同质量的同位素在转化为气态时运动速率的差异。在每一个气体扩散级，当高压气体透过在级联中顺序安装的多孔镍膜时，其轻分子气体的气体更快地通过多孔膜壁。这种泵送过程耗电量很大。已通过膜管的气体随后被泵送到下一级，而留在膜管中的气体则返回到较低级进行再循环。在每一级中，浓度比仅略有增加。浓缩到反应堆级的铀-235丰度需要1000级以上。

气体离心法——在这类工艺中，气体被压缩通过一系列高速旋转的圆筒，或离心机。同位素重分子气体比轻分子气体更容易在圆筒的近壁处得到富集。在近轴处富集的气体被导出，并输送到另一台离心机进一步分离。随着气体穿过一系列离心机，其同位素分子被逐渐富集。与气体扩散法相比，气体离心法所需的电能要小很多，因此该法已被大多数新浓缩厂所采用。

2022年，中国科学团队对嫦娥五号月壤颗粒中的氦原子进行了探测和研究。发现月壤中钛铁矿颗粒表面都存在一层非晶玻璃。科研团队最新研究表明，通过机械破碎方法有望在常温下提取气泡形式储存的氦-3，不需要加热至高温。  

参考资料