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      地球有多少氦3? 新研究:核聚變燃料“氦3”突增10倍,原因未知

      2022-06-02 15:22    氦3  核聚變

      時下大多數核聚變研究,基本集中在氘與氚(氫的重同位素)作為用于產生聚變的核燃料。氘在地球上的所有水中都大量存在,而氚在自然界中并不存在,但可以通過鋰的中子轟擊產生。然而,通過轉移到元素周期表上的另一種同位素:氦-3(helium-3),核聚變可以變得更容易實現。


      時下大多數核聚變研究,基本集中在氘與氚(氫的重同位素)作為用于產生聚變的核燃料。氘在地球上的所有水中都大量存在,而氚在自然界中并不存在,但可以通過鋰的中子轟擊產生。然而,通過轉移到元素周期表上的另一種同位素:氦-3(helium-3),核聚變可以變得更容易實現。

      氦-3是一種輕且無放射性的氦同位素,使用氦-3的核聚變反應堆可以提供一種高效的核能形式,幾乎沒有廢料,輻射也可以忽略不計。不幸的是,氦-3在地球上幾乎不存在,僅占地球上所有氦氣的0.0001%,而且少量的氦-3還是地質活動和核武器試驗產生的。

      但發表在《自然·地球科學》(Nature Geoscience)期刊上的一項研究指出,氦-3這種地球上重要而稀缺的關鍵資源,其豐富程度可能是以前已知的10倍,但它的來源令科學家不解。

      地球核心中有多少氦-3?每年約有2000克泄漏出來!

      早在上世紀40年代,科學家就已證實了氦-3的存在,也了解到大部分氦-3形成在大爆炸期間和行星形成的早期,同時也發現,地球表面氦-3的豐度(含量)少得可憐。根據2015年的一份報告顯示,地球表面已知的氦-3的存儲量只有500公斤左右。而氦-3的稀缺性造就了它的價格非常昂貴,每克高達1400美元。相比之下,月球表面氦-3儲量是地球的200萬倍,高達上百萬噸。

      雖然地球表面氦-3的儲量很少,而且地質學家也不確定這種稀有的原始氣體的來源是地球的核心還是它的中間層,即地幔。不過發表在美國地球物理聯盟 (AGU) 雜志的研究表明,每年大約有 2000 克的氦-3從地球核心中泄漏出來。

      新墨西哥大學的地球物理學家彼特·奧爾森(Peter Olson)團隊為了確定氦-3的含量,利用質譜儀測量來自冰島和夏威夷的火山玄武巖中的氦-3數據,對地球歷史的兩個關鍵階段對氦進行了建模。一個是45.3 億年前的早期地球形成過程中積累的氦-3,另一個是大約 40 億年前與地球相撞的火星大小的物體,地殼重新熔化,使氦氣逸出。

      結果模擬數據顯示,地球核心里大約有10 太克 (10的13次方) 到1拍克 (10的15次方) 的氦-3。不過因為月球形成后,地殼重新熔化導致的氦-3的泄漏過程一直持續到現在,造成每年約有2000克的氦-3被泄漏出來。

      不過這個數據遭到很多科學家的質疑,因為地球內核基本上是一個封閉系統,與地球其他部分沒有質量交換活動。

      地球上存在豐富的氦-3,但來源無法解釋!

      氦是自然界中僅次于氫的第二輕和最豐富的元素,但它也可以通過人類消耗化石燃料特別是天然氣來產生。氦屬于一類特殊的元素,稱為惰性氣體,與其他物質相對不活潑。因此它與二氧化碳和甲烷等其他人為排放物相比,它不被視為溫室氣體或危險污染物。但盡管大氣中的氦不會導致人類驅動的氣候變化,但它是其他更危險排放物的重要指標。

      自 1980 年代以來,科學家一直懷疑大氣中應該存在氦-4(helium-4),但缺乏明確的觀測證據。而來自加州大學圣地亞哥分校的地球科學博士本杰明·伯納(Benjamin Birner)團隊想到了一個方法:先測量氦-4與氮氣 (N2) 的比率。

      ps:氦-4是最常見的氦氣類型,有兩個中子和兩個質子,比氦-3多一個中子。

      這個方法的邏輯是,氮氣是大氣中最豐富的元素,并且隨著時間的推移具有相對穩定的濃度,這使得 氦-4/氮氣可以成為氦濃度的指標。同理,氦-3/氦-4可能會因為分子或分母的變化而發生變化。

      團隊根據從1974 年至 2020 年間采集的 46 個空氣樣本,對幾十年時間尺度內的大氣氦-4變化進行了新估計。結果顯示,氦-4的濃度自1974年以來一直在增加。

      由于地球上氦-4 的大部分是由地殼中的放射性衰變過程引起的,與化石燃料(尤其是天然氣)儲存在相同的儲層中。一旦人們將天然氣從儲層中取出并燃燒,氦-4也會釋放出來,所以氦-4濃度的增加可以歸咎于我們對化石燃料的燃燒和提取造成。

      這里值得一提的是,過去科學研究表明,大氣中的氦同位素比——氦-3與氦-4的比例似乎不變,這意味著,既然大氣中氦4含量的增加,可以推測氦-3的含量也在相應增加。

      我們知道氦-3也是由氚衰變產生的。氚是人類在核彈試驗中釋放出來的,是由當前的核彈頭庫存釋放出來的,而且很可能在一些核電站中也產生了氚。然而,我們對這些來源的估計表明,它們只能占推斷出的氦-3增加量只是新發現的 10% 左右,至于其余的來源還無法解釋。換句話來說,地球上氦-3的含量比想象中要多得多。

      因此,這項研究不僅證實了以前的懷疑(氦-3真的稀缺嗎),而且提出了新的問題。例如,關于氦-3的生產方式和數量,不過這需要更多的研究。

      結語:

      其實不管地球上氦-3是真的稀缺,還是比過去想象中要多得多,在可預見的未來里,沒有人能保證氦-3作為聚變燃料的技術一定能開發出來或者比其他聚變燃料更好。畢竟傳統的氘和氚相比,它需要更多的能量來實現,開發起來更加困難和復雜。還有,科學家的一個共識是,似乎這樣的反應堆將不會在幾十年內實現。



      圖為技術

      深圳核博會

      中國核電網


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