广西新秀工程技术

❶ 广西新秀工程技术有限公司怎么样

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❷ 月亮上的核能新秀是什么

一、月球氦能的概念

氦（He）是拉丁语Helium一词的词头，氦本意即为“太阳元素”。1868年，由法国天文学家詹逊在观测日食的时候，在日冕光谱中所发现。这种稀有气体充斥在宇宙空间大气层中。它无色无味，在空气中大约占整个体积的0.0005%，密度只有空气的1/7.2，是除了氢以外密度最小的气体。现时已知的氦同位素有八种，包括3He、4He、5He、6He、8He等，但只有3He和4He是稳定的，其余的均带有放射性。在自然界中，氦同位素中以4He占最多，多是从其他放射性物质的α衰变放出α粒子（4He原子核）而来。3He的含量在地球上极少，而在月球上储量巨大。

目前，地球上核电站所采用的核裂变生产方式危险性很大。如果用核聚变反应来生产能源，不仅单位产量是裂变能的几百倍，而且产生的放射性危险只有裂变过程的万分之一。人类社会进入20世纪90年代之后，科学家利用氢的同位素氘和氚进行控制性核聚变反应，取得突破性的进展。作为这种受控热核反应重要元素的氚，在自然界中并不存在，需要从核反应中获取。因此，科学家提出一个以氦的同位素3He代替氚的新设想。3He含有两个质子和一个中子，在热核聚变反应过程中，3He同具有一个中子和一个质子的氘发生热核聚变，产生的中子很少，可以大大降低热核聚变反应堆的放射性危害。这样，受控热核反应装置既不存在放射性，又可以比用氚反应的体积小、结构简单、造价也低，既可用于地面核电站，而且特别适合宇宙航行。因此，3He被认为是21世纪人类社会的完美燃料。

地球上的3He十分稀缺。在整个地球大气中，氦只占0.0005%；而3He又只占这些氦中的0.00014%，其余的99.99986%都是4He，即使把地球大气中的3He全部分离出来，也只有4000t。而在月球上的情况却大不相同，月球表面覆盖着的一层由岩屑、粉尘、角砾岩和冲击玻璃组成的细小颗粒状物质。这层月壤富含由太阳风粒子积累所形成的气体，如氢、氦、氖、氩、氮等。这些气体在加热到700℃时，就可以全部释放出来。其中，3He在月壤中的资源总量可以达到（100～500）×104t。另据计算，从月壤中每提炼出1t的3He，还可以获得约6300t氢气、700t氮气和1600t含碳气体（CO、CO2）。所以，通过采取一定的技术措施来获得这些气体，对于人类得到新的能源和维持永久性月球基地是十分必要的（图5-5）。

图5-5月球能源基地想象图

二、月氦的成因及分布

月球上的3He全部来自太阳。太阳不断向外喷射出稳定的粒子流，称为“太阳风”，其速度达到100～200km/s。太阳风粒子流在经过地球附近时，由于受到地球磁场的排斥和大气层的阻挡而发生偏转，只有极少量的粒子能到达地球。月球既无磁场，又无大气，太阳风粒子能自由地抵达月球表面，在月球表面土壤上形成覆盖层。月球表面经过亿万年流星和微流星的撞击，表层的土壤得以混合掺杂，以致整个月球表面都不同程度地“沾染”上太阳风的粒子。太阳风由90%的质子（氢核），7%的α粒子（氦核）和少量其他元素的原子核组成。月球上的3He正是太阳风中的α粒子形成的。

太阳风粒子可以直接照射月球表面而被月壤层捕获，在漫长的月球地质历史过程中使得月壤层积累了丰富的3He。3He含量主要受制于两个过程：太阳风粒子注入3He与月壤的脱气作用（outgassing）。如果月表面没有对太阳风粒子注入饱和，3He含量取决于月表面的太阳风。再则，3He含量受制于月壤吸附与保持3He的能力，即月壤的脱气作用，该因素与月壤的结构和化学成分有关。

由于太阳风是月壤中3He的唯一来源，它的强度表现出全月球纬度向的变化，与太阳风射线成一角度的月表面就要受到较少的太阳风粒子照射。当月球进入地球磁尾并偏转太阳风时，月球正面比月球背面接受的太阳风要少一些，使得3He在经度向上有变化。

影响3He含量的第二个因素是月表面土壤的成熟度，即月表面土壤暴露在空间环境中经受了多长的时间。在太阳风空间环境中，月表面土壤粒子大小减小，胶合能力加强，使得月表面土壤3He含量增加。描述月壤成熟过程的定义有几个不同的特征指数，多采用光学成熟度OMAT（optical maturity）来表示月表面土壤的成熟度。

第三个因素是TiO2含量。月球土壤中不同成分（如钛铁矿、橄榄石、辉石、斜长石等）的同一大小粒子含有3He是不同的，其中钛铁矿含3He要高出10～100倍。由于大多数TiO2是在钛铁矿中，TiO2含量作为钛铁矿的一个示踪物，成为3He含量的一个特征指数。

月球正面月海区域由于TiO2含量高，可能有较高的3He含量，尽管那里由于地球磁尾的遮蔽而接受到的太阳风粒子较少。在月海区域可有最大的3He含量，可高达30ng/g。与月球正面月陆区域相比，月球背面月陆区域可有较高的3He含量，主要是月球背面太阳风强。月球极地区域3He含量较少，是因为该处太阳风照射比较弱。

三、月球氦能的利用

核聚变反应有多种，例如，可用氢的同位素氘聚变生成氦，或者用氢的两种同位素氘和氚聚变生成氦。这两种聚变反应虽均可产生大量能量，但也会释放出大量中子或质子，而且还要求反应温度不低于5×108℃，所以很难在实际工程中实施。然而，利用氘和3He聚变生成氦，在聚变过程中，除产生大量能量外，它没有释放中子的问题。因为，氘“多余”的一个中子，在反应过程中，正好被3He吸收而生成氦。而且，所需要的反应温度，也只是目前实验室已达到温度的2倍。所以，它是一种安全、干净、相对来说也比较容易实现的可控核聚变反应。商业经济性分析表明，氘-3He核（聚变）电站，完全可以同核（裂变）电站和火力发电站相竞争。理想的核聚变燃料应该蕴藏丰富，易于获取，释放能量大。氘在天然水中含量丰富，提纯也不困难。氘在水中所占的比例是1∶6500，全世界总储量达1013t。因此，月球上3He提供了新的能源（江燕，1996）。

核聚变反应不仅能够应用于产生电能，而且还可以用于作为火箭推动器的燃料。在氘-3He的核聚变反应中不仅释放14MeV的质子，而且还可以产生超过106s的比冲（火箭发动机单位重量推进剂产生的冲量，也叫比冲量）。这种性能是通过在火箭推动器排气口上加入冷却物质来实现降低火箭推动力实现的。同时也可以通过降低脉冲来增加火箭推动力。因此，核聚变火箭推动器可以在火箭飞行器用核引擎模式下运行加热氢气到高温来产生高的推动力和低的脉冲。也就是说，火箭推动器在运行时，其运行模式可以在一定范围内进行调节。在脱离重力场过程中可以使用较高推动力来完成，而当飞船处于失重状态时，则可以转化成高比冲调节操作。

至于如何把3He从月球拿回来，科学家也有了设想：第一步是要开展资源勘查工作，看月球表面什么地方3He最集中。在此之后才能进行试验性的开采并考虑在月球上建工厂。首先，需要专门的机械去收集月球表面上的土，再将这些土加热至600℃之后，就会分离出气体氦，然后从氦分离出它的同位素3He。下一步就得将3He气体液化，以便于运输。最后一步是将液化的3He用航天飞机运回地球。一般来说，航天飞机一昼夜便能一次性将20t的3He运回地球。全球每年所需能量原料只需航天飞机飞四五次（2.5亿～3亿美元/次），所以月壤中的3He具有巨大的开发利用前景。虽说开采和运输3He的方案非常复杂，需要花费很大的劳动力，而且耗资巨大，但确是可以实现的。据科学家计算，利用月球开发的3He发电成本只是现在核电站发电成本的1/10（宋成文和刘瑀，2009）。

四、月氦的发展

2013年12月“嫦娥三号”成功奔月，令无数华人又心潮澎湃地骄傲了一把。观看了发射全程的人们在感慨人类智慧伟大的同时，也提出了疑问题：利用月球资源距离我们尚远，那么探月工程当下到底对人们有什么实用价值？公开的数据显示，“嫦娥一号”投入14亿元人民币，“嫦娥三号”迄今共投入9亿元人民币，“嫦娥二号”的投入尚未公布。相对于巨额的投入，探月技术所带来的经济价值不可估量。

中国航天科技集团提供的一份数据表明，我国近年来的1000多种新材料中，80%是在空间技术的牵引下研制完成的；有近2000项空间技术成果已移植到国民经济各个部门。目前，空间生命科学与微重力科学、太空旅游、空间材料学等领域仍处于由政府投资研究、试验和探索阶段。中国科学院院士胡文瑞展望将来可能产生的效益时举例说：“美国以‘沸石’作为催化剂炼油，科学家们以提高炼制效率百分之一为目标，在空间展开研究，如果成功，按照美国每年炼油花费900亿美元来算，一年可节约9亿美元；我国科学家也有相应的计划，我国一年需要约20亿吨煤，如果能通过空间试验把燃煤效率提高千分之一，按每吨煤400元人民币计算，每年就是8亿元的效益……而在生命科学等领域如果能有突破性成果，人类的健康和生活将可能出现质的飞跃，这是用数字无法衡量的了。”

“嫦娥二号”的火箭发动机技术所衍生出的技术已应用于环保和人们的食住行等各个领域。经过成果转化后，“嫦娥”奔月将为人类带来众多像氦能这样新的绿色馈赠（水蓝天，2014）。

目前除了中国正积极发展自身的探月技术之外，包括美国在内的西方国家也在酝酿开采月球资源的计划。世界各国纷纷进行探月竞争的原因之一，即是为了确保拥有被认为是下一代核聚变发电燃料的3He。

不过，人类想要获得纯净、清洁的3He还有很长的路要走。英国伦敦大学学院马拉德空间科学实验室行星科学部门负责人安德鲁?科茨对利用3He的可行性提出了质疑，至少地球与月球之间的运输方式尚不完善。他说：“我们在地球上尚未实现聚变发电。这是一个好主意，但还是空中楼阁。”的确，以人类现有的技术和能力，目前还无法做到用3He来作为人类使用的能源，比如说，目前大规模受控核聚变的技术尚不具备等。但是随着科技的不断发展，科学家相信会克服这些困难，最终实现对月采矿的伟大工程。因此，有些国外的科学家认为，要实现这个目标需要联合世界上最好的科研力量，当然也还需要足够的资金支持（刘辉，2014）。