地球有多少氦3? 新研究:核聚变燃料“氦3”突增10倍,原因未知

2022-06-02 15:22    氦3  核聚变

时下大多数核聚变研究,基本集中在氘与氚(氢的重同位素)作为用于产生聚变的核燃料。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,但可以通过锂的中子轰击产生。然而,通过转移到元素周期表上的另一种同位素:氦-3(helium-3),核聚变可以变得更容易实现。


时下大多数核聚变研究,基本集中在氘与氚(氢的重同位素)作为用于产生聚变的核燃料。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,但可以通过锂的中子轰击产生。然而,通过转移到元素周期表上的另一种同位素:氦-3(helium-3),核聚变可以变得更容易实现。

氦-3是一种轻且无放射性的氦同位素,使用氦-3的核聚变反应堆可以提供一种高效的核能形式,几乎没有废料,辐射也可以忽略不计。不幸的是,氦-3在地球上几乎不存在,仅占地球上所有氦气的0.0001%,而且少量的氦-3还是地质活动和核武器试验产生的。

但发表在《自然·地球科学》(Nature Geoscience)期刊上的一项研究指出,氦-3这种地球上重要而稀缺的关键资源,其丰富程度可能是以前已知的10倍,但它的来源令科学家不解。

地球核心中有多少氦-3?每年约有2000克泄漏出来!

早在上世纪40年代,科学家就已证实了氦-3的存在,也了解到大部分氦-3形成在大爆炸期间和行星形成的早期,同时也发现,地球表面氦-3的丰度(含量)少得可怜。根据2015年的一份报告显示,地球表面已知的氦-3的存储量只有500公斤左右。而氦-3的稀缺性造就了它的价格非常昂贵,每克高达1400美元。相比之下,月球表面氦-3储量是地球的200万倍,高达上百万吨。

虽然地球表面氦-3的储量很少,而且地质学家也不确定这种稀有的原始气体的来源是地球的核心还是它的中间层,即地幔。不过发表在美国地球物理联盟 (AGU) 杂志的研究表明,每年大约有 2000 克的氦-3从地球核心中泄漏出来。

新墨西哥大学的地球物理学家彼特·奥尔森(Peter Olson)团队为了确定氦-3的含量,利用质谱仪测量来自冰岛和夏威夷的火山玄武岩中的氦-3数据,对地球历史的两个关键阶段对氦进行了建模。一个是45.3 亿年前的早期地球形成过程中积累的氦-3,另一个是大约 40 亿年前与地球相撞的火星大小的物体,地壳重新熔化,使氦气逸出。

结果模拟数据显示,地球核心里大约有10 太克 (10的13次方) 到1拍克 (10的15次方) 的氦-3。不过因为月球形成后,地壳重新熔化导致的氦-3的泄漏过程一直持续到现在,造成每年约有2000克的氦-3被泄漏出来。

不过这个数据遭到很多科学家的质疑,因为地球内核基本上是一个封闭系统,与地球其他部分没有质量交换活动。

地球上存在丰富的氦-3,但来源无法解释!

氦是自然界中仅次于氢的第二轻和最丰富的元素,但它也可以通过人类消耗化石燃料特别是天然气来产生。氦属于一类特殊的元素,称为惰性气体,与其他物质相对不活泼。因此它与二氧化碳和甲烷等其他人为排放物相比,它不被视为温室气体或危险污染物。但尽管大气中的氦不会导致人类驱动的气候变化,但它是其他更危险排放物的重要指标。

自 1980 年代以来,科学家一直怀疑大气中应该存在氦-4(helium-4),但缺乏明确的观测证据。而来自加州大学圣地亚哥分校的地球科学博士本杰明·伯纳(Benjamin Birner)团队想到了一个方法:先测量氦-4与氮气 (N2) 的比率。

ps:氦-4是最常见的氦气类型,有两个中子和两个质子,比氦-3多一个中子。

这个方法的逻辑是,氮气是大气中最丰富的元素,并且随着时间的推移具有相对稳定的浓度,这使得 氦-4/氮气可以成为氦浓度的指标。同理,氦-3/氦-4可能会因为分子或分母的变化而发生变化。

团队根据从1974 年至 2020 年间采集的 46 个空气样本,对几十年时间尺度内的大气氦-4变化进行了新估计。结果显示,氦-4的浓度自1974年以来一直在增加。

由于地球上氦-4 的大部分是由地壳中的放射性衰变过程引起的,与化石燃料(尤其是天然气)储存在相同的储层中。一旦人们将天然气从储层中取出并燃烧,氦-4也会释放出来,所以氦-4浓度的增加可以归咎于我们对化石燃料的燃烧和提取造成。

这里值得一提的是,过去科学研究表明,大气中的氦同位素比——氦-3与氦-4的比例似乎不变,这意味着,既然大气中氦4含量的增加,可以推测氦-3的含量也在相应增加。

我们知道氦-3也是由氚衰变产生的。氚是人类在核弹试验中释放出来的,是由当前的核弹头库存释放出来的,而且很可能在一些核电站中也产生了氚。然而,我们对这些来源的估计表明,它们只能占推断出的氦-3增加量只是新发现的 10% 左右,至于其余的来源还无法解释。换句话来说,地球上氦-3的含量比想象中要多得多。

因此,这项研究不仅证实了以前的怀疑(氦-3真的稀缺吗),而且提出了新的问题。例如,关于氦-3的生产方式和数量,不过这需要更多的研究。

结语:

其实不管地球上氦-3是真的稀缺,还是比过去想象中要多得多,在可预见的未来里,没有人能保证氦-3作为聚变燃料的技术一定能开发出来或者比其他聚变燃料更好。毕竟传统的氘和氚相比,它需要更多的能量来实现,开发起来更加困难和复杂。还有,科学家的一个共识是,似乎这样的反应堆将不会在几十年内实现。



图为技术

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