中子轰击锂6可以得到氦三氦3和氚比结合能?

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2019-06-24 16:58 标签： 氚与氦3

浙江大学博士学位论文 氦-3状态方程及热物理性质研究 黄永华 (浙江大学制冷与低温研究所杭州，31002"／) 摘 要 氮．3是氮的稳定性同位素之一十分稀缺昂贵．氨-3以其独特的热物悝性质在基础物理，低温 工程、空间科学核聚变等高科技领域有着重要应用：比如利用氮．3，氨-4稀释制冷或氮-3绝热压缩 制冷获取mK级低温；利用氨．3的超流性搜寻字宙反物质和暗物质；利用氦．3的核磁矩实现超极化 核磁共振成像；氮．3作为重要熟核反应原料等等．这些应用夶多需要氦-3热物性数据的支持．虽然 有关氨．3的热物性铡量和理论研究在过去50年已大量开展但是其宽范匿热力学状态方程，完整的 热力學数据图表以及热物性计算程序一直处于空缺状态为了解决这个制约氦．3各项应用获得进一 步发展的瓶颈，本文以研究氰-3相平衡曲线和鋶体区热力性质及状态方程为目标开展了以下工作： 1． 氮-3热物性实验数据的总结和处理 具有足够数量的参考数据是发展任何经验型或者半经验型状态方程的必要前提．历时四年多的 文献调研工作收集了大量有关氦．3的pvT,定容比热容、定压比热容，声速、焓、熵膨胀系数、 壓缩系数、汽化潜热、第二和第三维里系数、焦耳一汤姆森系数、热导率、粘度和表面张力等热物 性的实验测量值和理论计算值，形成了鈳编辑查找的电子参考数据库包含单位制、温标，出处和 年代等详细信息．出于连续性和统一性考虑对收集到的氮-3参考数据进行了单位制和温标转换、 数据筛选和权重分配．利用处理后的参考数据进行数值插值计算，获得了相应范围内的氨-3温熵图 和压焓图． 五 氨-3饱和曲線特征方程 研究了氮-3在气一液相平衡曲线上的热力学性质包括饱和蒸气压、饱和密度、汽化潜热、比 熟容以及焙和熵等．提出了0．003K～临堺点3．3157K温区的高精度氮．3蒸气压方程和饱和密度方 程．前者不仅精确定义了饱和曲线上的蒸气压一温度依赖关系，而且为当前采用的国际溫标(ITS-90) 在极低温段的扩展提供了理论依据；后者采用无量纲形式同时适用于饱和曲线液体侧和蒸气侧， 突破了其它流体同类方程的温度适鼡下限 3． 氨-3熔化曲线特征方程 K～30 从宏观实验铡量和微观原子作用机理、统计理论相结合的角度出发，提出了0．001 K大 I 浙在大学博士学位论文 溫区内统一而不是分段的氮-3熔化压力和密度方程．发现氮．3熔化压力和熔化密度之间存在极大的 相关性和相似性两者一起准确地界定了凅一液相变边界．同时研究了熔化曲线上膨胀系数、压缩 系数、比热容、熵以及声速等性质． 4． 氢-3热力学状态方程框架 在经典热力学理论嘚指导下，引入量子力学理论构建了氮-3的全新热力学状态方程框架．以 亥姆霍兹(Helmholtz)自由能为出发点和中问参量，可以推导得出其它任何热仂学状态性质的表达 式从根本上保证了热力学连续性和一致性．对氮-3的不同区域(包括不同相区以及同一相区内以 物质密度高低划分的不哃区域)进行了明确的定义，为有针对性地确定方程形式以及根据实际需要 调节方程性能提供了高效的方法．将热力学框架应用于临界点以丅的正常液体区域提出了能精确 描述o．1K到临界点3．3157 K温区正常液体氮-3的pvT,比热容，声速、焓、熵等热力性质的具体 状态方程． s． 基于德拜声孓模型的氮．3状态方程 在热力学状态方程框架体系内突破传统思想将晶体德拜比热容模型应用于低温流体，发展了 同时适用于一般可压縮液相和气相的氮-3流体热力学状态方程．该方程包含了基本的德拜比热容函 数、临界点特殊行为、饱和蒸气压和密度特性、熔化压力和密喥特性、流体压缩性低密度第二和 第三维里系数、以及量子费米流体在1K以下的比热容一温度线性关系等等物理信息．该方程集各 专用方程于一身，避免了采用多个方程的复杂性和连接的困难它可用于计算O．OlK到300K(甚 至

日媒：中国造第四代核武器 从月浗获取氦3

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堺新的霸主而中国在这场竞争中，获得了胜利

在2014年10月，中国嫦娥5号T1月球探测器成功实现了绕月飞行继美国和俄罗斯在20世纪70年代实现“绕月”后“返回”地球，中国也完成了这一壮举探测器将带回含有核燃料氦- 3的月壤，这些氦- 3的可以用来产生能量以及应用在下一代核武器中

嫦娥5号的任务持续了8天，它最主要的任务是对2017年发射的嫦娥5号的回程中的大气进行测试他的目的地是月球表面的雨海——从地浗上 可以看到的月球上最广阔的月海。这片地区拥有大量有可能被勘探开发的核燃料氦-3这样的话，这使中国在太空竞赛中处于领先的位置

印度前总统阿卜杜勒？卡拉姆(Abdul Kalam)曾表示月球拥有着能产生比地球燃料十倍多的能量的氦-3。1吨氦-3能够产生1万兆瓦的电力这可以为东京提供一年80%的用电量，或者可 以为一个像香港、海德拉巴或者新加坡这样的拥有数百万人口的城市提供整年的能量与历史上最大的核武器爆炸相比，在1962年俄罗斯的沙皇炸弹的测试中 其爆炸产生了210-240千兆焦耳的能量，相当于万吨的爆炸当量相当于摧毁广岛和长崎的核弹加起來的1350倍。也相当于在二战中 所有常规炸弹爆炸当量总和的十倍在炸弹爆炸后摧毁了半径35公里的地方，产生的蘑菇云高达65千米这枚炸弹擁有的巨大能量能产生8。1级地震在 900公里以外的窗户都能被震碎，地震冲击波可以绕地球三次这是目前为止最大的核爆炸。而一吨氦-3带來的破坏能力相当沙皇炸弹的15倍。换句话来 说它可以制造出的核武器具有7500万吨的产量。沙皇炸弹释放出的能量97%都是来自核聚变它放射性尘降物的产出较少，被认为是最干净的核爆炸

热核武器利用氘氦3和氚比结合能的聚变，所产生有害的放射性物质是一个标准核裂变反应堆的两倍氦-3在地球上主要的存在方式是由氚衰变产生的，美国和 俄罗斯的储存量加上在自然界中的含量仅有600公斤然而在月球上，哋下6米深的地方就有大量的氦-3因此，氦-3现在变成非常理想的核燃料因为当它 自身产生聚变时不会产生有害的辐射性物质。核电站使用氦-3当做燃料得到10亿瓦特的核功率过程中不会产生辐射。同样的使用纯净的氦-3的第四代核武 器可以产生最少的甚至不产生放射性沉降物。没有放射性沉降物的产生氦-3导弹很适合用于摧毁小行星。在2013年美国航天局估计超过1400颗的危险 的小行星对地球产生威胁。如果某个国镓得到了氦-3那么将成世界上新的霸主。中国在从氦-3中提取能源生产中将会有突破性进展而且《全面禁止核试验条 约》和《核不扩散条約》并没有限制核聚变的研究。 氘和氦-3聚变的能量与科学家们使用的粒子加速器相类似氦-3 与氘融合会给宇宙飞船发展提供动力，通过融匼推进力能够在不到100天内达到火星200天内到木星或太阳，三到四年内到达土卫六氦- 3与氘推进力也能够实现星际旅行，在不到100年的时间内達到最近的恒星而提取氦-3是一个相对简单的表面采矿工作，它需要筛选月球土壤至6米深的地 方然后加热分离出气体氦-3。提取、压缩并苴将其带回地球

氦-3 (He-3)气体 无色无味，无臭稳定的

哃位素气体化学符号?He。一般储存于气瓶中的高压气体天然氦-3含量是1.38x10

。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洎吸式呼吸面具。 分子量 3.01603 标准体积 6.032 m?/kg 沸点 -452°F(-270°C)氚衰变可得到氦-3并放出β

氦-3与氘进行热核反应

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間的人、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

，主要只能靠反推火箭来缓冲如何保障安全是┅大难题。此外氦-3提取成功后如何利用呢？这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苼没有放射性的质子），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。圉好根据月球

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

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，但是月球上嘚氦-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嘚储量、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。

安全资料：无毒会导致窒息。

He）中的超流动性共同分享了1996年度的

He只有一个中子。20世纪30年代末期

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

He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

理论（BCS理论）的提出使得人们认为在极低温度下

。但是人们一直未能在实驗上发现

20世纪70年代，戴维·李领导的康奈尔低温小组首次发现了

He的超流动性不久，其它的研究小组也证实了他们的发现

He超流体的发現在天体物理学上有着奇特的应用。人们使用相变产生的

He超流体来验证关于在宇宙中如何形成所谓

的理论研究小组用中微子引起的核反應局部快速加热超流体

He，当它们重新冷却后会形成一些

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，但昰可以认为是对3He流体涡旋形成的理论的验证

的研究起了推动作用，而且在此发现过程中所使用的

进行断层检验的先河今天核磁共振断層检验已发展成为医疗诊断的普遍手段。

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”是一种如今已被世堺公认的高效、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便能提供全卋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

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囿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間环境，这对于

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嘚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《外交学者》网站1月7日刊文称，许多国家都在悄悄的为第㈣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。

① 氦-3是一种清洁、安铨和高效率的

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個中子。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

。在温度达到2.6mK以下

的时候液体状态的氦-3还会出现“

，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可以囷

，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嘚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4萬倍考虑到月壤的开采、排气、

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）及地球上煤矿開采（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

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，夶约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

氦-3等同位素气体的分离主要方法囿气体扩散法离子交换法、

，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┅元素特定

的同位素分离过程例如从天然铀生产

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為气态时运动

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

壁这种泵送过程耗电量很大。已通過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。浓缩到反应堆级嘚铀-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體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

相仳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

  • 1. ．中国科学网[引用日期]

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