時(shí)下大多數(shù)核聚變研究，基本集中在氘與氚（氫的重同位素）作為用于產(chǎn)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(guò)鋰的中子轟擊產(chǎn)生。然而，通過(guò)轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)。

氦-3是一種輕且無(wú)放射性的氦同位素，使用氦-3的核聚變反應(yīng)堆可以提供一種高效的核能形式，幾乎沒(méi)有廢料，輻射也可以忽略不計(jì)。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(zhì)活動(dòng)和核武器試驗(yàn)產(chǎn)生的。

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

地球核心中有多少氦-3？每年約有2000克泄漏出來(lái)！

早在上世紀(jì)40年代，科學(xué)家就已證實(shí)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(shí)也發(fā)現(xiàn)，地球表面氦-3的豐度（含量）少得可憐。根據(jù)2015年的一份報(bào)告顯示，地球表面已知的氦-3的存儲(chǔ)量只有500公斤左右。而氦-3的稀缺性造就了它的價(jià)格非常昂貴，每克高達(dá)1400美元。相比之下，月球表面氦-3儲(chǔ)量是地球的200萬(wàn)倍，高達(dá)上百萬(wàn)噸。

雖然地球表面氦-3的儲(chǔ)量很少，而且地質(zhì)學(xué)家也不確定這種稀有的原始?xì)怏w的來(lái)源是地球的核心還是它的中間層，即地幔。不過(guò)發(fā)表在美國(guó)地球物理聯(lián)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(lái)。

新墨西哥大學(xué)的地球物理學(xué)家彼特·奧爾森（Peter Olson）團(tuán)隊(duì)為了確定氦-3的含量，利用質(zhì)譜儀測(cè)量來(lái)自冰島和夏威夷的火山玄武巖中的氦-3數(shù)據(jù)，對(duì)地球歷史的兩個(gè)關(guān)鍵階段對(duì)氦進(jìn)行了建模。一個(gè)是45.3 億年前的早期地球形成過(guò)程中積累的氦-3，另一個(gè)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(jié)果模擬數(shù)據(jù)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(guò)因?yàn)?/span>月球形成后，地殼重新熔化導(dǎo)致的氦-3的泄漏過(guò)程一直持續(xù)到現(xiàn)在，造成每年約有2000克的氦-3被泄漏出來(lái)。

不過(guò)這個(gè)數(shù)據(jù)遭到很多科學(xué)家的質(zhì)疑，因?yàn)榈厍騼?nèi)核基本上是一個(gè)封閉系統(tǒng)，與地球其他部分沒(méi)有質(zhì)量交換活動(dòng)。

地球上存在豐富的氦-3，但來(lái)源無(wú)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(guò)人類消耗化石燃料特別是天然氣來(lái)產(chǎn)生。氦屬于一類特殊的元素，稱為惰性氣體，與其他物質(zhì)相對(duì)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(xiǎn)污染物。但盡管大氣中的氦不會(huì)導(dǎo)致人類驅(qū)動(dòng)的氣候變化，但它是其他更危險(xiǎn)排放物的重要指標(biāo)。

自 1980 年代以來(lái)，科學(xué)家一直懷疑大氣中應(yīng)該存在氦-4（helium-4），但缺乏明確的觀測(cè)證據(jù)。而來(lái)自加州大學(xué)圣地亞哥分校的地球科學(xué)博士本杰明·伯納（Benjamin Birner）團(tuán)隊(duì)想到了一個(gè)方法：先測(cè)量氦-4與氮?dú)?(N2) 的比率。

ps：氦-4是最常見(jiàn)的氦氣類型，有兩個(gè)中子和兩個(gè)質(zhì)子，比氦-3多一個(gè)中子。

這個(gè)方法的邏輯是，氮?dú)馐谴髿庵凶钬S富的元素，并且隨著時(shí)間的推移具有相對(duì)穩(wěn)定的濃度，這使得 氦-4/氮?dú)饪梢猿蔀楹舛鹊闹笜?biāo)。同理，氦-3/氦-4可能會(huì)因?yàn)榉肿踊蚍帜傅淖兓l(fā)生變化。

團(tuán)隊(duì)根據(jù)從1974 年至 2020 年間采集的 46 個(gè)空氣樣本，對(duì)幾十年時(shí)間尺度內(nèi)的大氣氦-4變化進(jìn)行了新估計(jì)。結(jié)果顯示，氦-4的濃度自1974年以來(lái)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(guò)程引起的，與化石燃料（尤其是天然氣）儲(chǔ)存在相同的儲(chǔ)層中。一旦人們將天然氣從儲(chǔ)層中取出并燃燒，氦-4也會(huì)釋放出來(lái)，所以氦-4濃度的增加可以歸咎于我們對(duì)化石燃料的燃燒和提取造成。

這里值得一提的是，過(guò)去科學(xué)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(cè)氦-3的含量也在相應(yīng)增加。

我們知道氦-3也是由氚衰變產(chǎn)生的。氚是人類在核彈試驗(yàn)中釋放出來(lái)的，是由當(dāng)前的核彈頭庫(kù)存釋放出來(lái)的，而且很可能在一些核電站中也產(chǎn)生了氚。然而，我們對(duì)這些來(lái)源的估計(jì)表明，它們只能占推斷出的氦-3增加量只是新發(fā)現(xiàn)的 10% 左右，至于其余的來(lái)源還無(wú)法解釋。換句話來(lái)說(shuō)，地球上氦-3的含量比想象中要多得多。

因此，這項(xiàng)研究不僅證實(shí)了以前的懷疑（氦-3真的稀缺嗎），而且提出了新的問(wèn)題。例如，關(guān)于氦-3的生產(chǎn)方式和數(shù)量，不過(guò)這需要更多的研究。

結(jié)語(yǔ)：

其實(shí)不管地球上氦-3是真的稀缺，還是比過(guò)去想象中要多得多，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)里，沒(méi)有人能保證氦-3作為聚變?nèi)剂系募夹g(shù)一定能開(kāi)發(fā)出來(lái)或者比其他聚變?nèi)剂细?。畢竟傳統(tǒng)的氘和氚相比，它需要更多的能量來(lái)實(shí)現(xiàn)，開(kāi)發(fā)起來(lái)更加困難和復(fù)雜。還有，科學(xué)家的一個(gè)共識(shí)是，似乎這樣的反應(yīng)堆將不會(huì)在幾十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)。