氦-3聚变是可实现的吗?
氦3聚变，一个在科幻小说中听起来无比诱人，现实中又充满挑战的能源概念，它是否真的“可实现”？这可不是一个简单的是或否就能回答的问题。更准确地说，它是“理论上可行，但工程上极其困难，且当前尚未大规模实现”。
要理解氦3聚变，我们得先聊聊它的“老朋友”——氘氚（DT）聚变，也就是目前国际上正在大力研发的主流聚变方式。DT聚变是将氘（氢的同位素，一个质子一个中子）和氚（氢的同位素，一个质子两个中子）两种原子核融合，产生氦4（两个质子两个中子）和一个高能中子，同时释放出巨大的能量。
为什么人们会对氦3聚变如此着迷？
氦3聚变，特别是氘氦3（D³He）聚变，之所以备受青睐，主要有以下几个关键优势：
1. “干净”的聚变产物： D³He聚变的主要反应是：
²H + ³He → ⁴He + ¹H + 18.3 MeV
这里的²H 是氘，³He 是氦3，⁴He 是氦4，¹H 是质子。
请注意，这个反应不产生高能中子。而DT聚变会产生一个能量高达14.1 MeV的中子。中子有什么坏处呢？
活化材料： 中子会轰击反应堆的内壁材料，使其产生放射性，形成所谓的“感生放射性”。这意味着聚变反应堆需要更厚的屏蔽层，材料也需要更耐辐射，这会增加建造和维护的复杂性与成本，并带来核废料处理问题。
能量利用效率： DT反应释放的能量大部分（约80%）是以中子的动能形式存在的，而这些中子不容易直接转化为电能，需要通过热交换等间接方式。
D³He的优势： D³He聚变则主要产生带电粒子（氦4和质子），这些带电粒子携带的能量可以直接被电磁场捕获，例如通过“聚变发电机”的方式，理论上可以实现更高的能量转换效率，并且产生的放射性废料要少得多，对环境的影响也更小。
2. 较低的等离子体温度要求： 相较于DT聚变，D³He聚变达到“点火”（即聚变反应释放的能量足以维持等离子体自身的温度）所需的等离子体温度“稍低”一些。当然，“稍低”也是相对的，仍然是数亿摄氏度的高温，这依然是巨大的技术挑战。
3. 潜在的太空应用： 氦3是月球土壤中一种含量相对丰富的元素（通过太阳风沉积）。如果能在月球上开采氦3，并用于地球的聚变能源，这将是一种近乎无限的清洁能源。甚至有人设想，利用氦3聚变作为太空飞船的推进剂，因为它产生的带电粒子可以非常高效地转化为推力。
为什么它又如此“困难”？
尽管优势明显，但D³He聚变之所以至今未能大规模实现，主要是因为它面临着比DT聚变更为艰巨的挑战：
1. 氦3的稀缺性： 这是最现实、也是最致命的障碍。地球上的氦3含量极少。虽然月球上有，但开采、运输这些氦3回地球的成本和技术难度是天文数字。目前，地球上的氦3主要来自核武器的生产副产品，数量微乎其微，根本无法满足大规模能源生产的需求。
2. 更高的燃耗比要求： 尽管D³He的反应截面（即核子碰撞发生反应的概率）在一定温度范围内比DT反应要高，但要实现可持续的聚变反应，需要更高的“聚变燃耗比”，也就是单位时间内聚变反应释放的能量与维持等离子体所需的能量之比。这意味着需要更长时间、更稳定地将等离子体约束在极高的温度和密度下，这对于磁约束（如托卡马克、仿星器）或惯性约束（如激光聚变）都提出了更高的要求。
3. 等离子体不稳定性和损耗： 约束极高温的等离子体本身就是一项艰巨的任务。D³He等离子体在高温高密度下更容易出现各种不稳定性，导致能量和粒子损耗，难以维持持续的聚变反应。
4. 材料科学的挑战： 即使不产生中子，高能的质子也会对反应堆内壁材料产生一定的损伤和溅射，虽然相比中子温和得多，但材料的耐久性和防护仍是需要解决的问题。
那么，氦3聚变“是否可实现”？
从理论和实验物理的角度来看： 是的，D³He聚变反应本身是确定的，科学家们也在实验室中成功地实现过小规模的D³He聚变，并进行了相关的测量和研究。例如，一些研究机构已经证明了通过D³He聚变产生高能质子的能力。
从工程应用和商业化发电的角度来看： 目前还不行。 最大的障碍在于燃料（氦3）的来源以及实现稳定、高效、可控的聚变反应的工程技术。
当前的努力和未来展望
尽管困难重重，但对D³He聚变的研究从未停止。
研究方向： 主要集中在如何提高等离子体约束的效率和稳定性，如何更有效地利用带电粒子的能量，以及探索更高效的氦3生产或获取方式（虽然这非常困难）。
替代方案： 一些研究人员也在探索氘氘（DD）聚变，它比D³He聚变更易实现，但会产生中子，且产物包括氚和氦3，这使得它又回到了DT聚变类似的挑战。还有一些更前沿的聚变组合，如质子硼（p¹¹B），它们几乎不产生中子，但实现难度比D³He还要高很多。
月球资源： 关于月球氦3的开发，一些国家（如中国）已经展现出浓厚的兴趣，并将其纳入了长远的空间发展战略。但这是一项跨越代际的工程，需要极其先进的太空技术和巨额的投资。
总结一下，氦3聚变更像是一个“终极理想”能源。 它具有“清洁”、“高效”的巨大潜力，但实现它的道路比目前主流的DT聚变还要崎岖得多，尤其是燃料来源的瓶颈，使得它在近期内难以成为解决能源危机的现实选项。
与其说“可实现”，不如说“是人类对清洁能源未来的一项重要探索方向”，它的实现，可能要等到我们克服了月球资源开发、先进聚变控制以及材料科学等一系列极其艰巨的技术难题之后。
要理解氦3聚变，我们得先聊聊它的“老朋友”——氘氚（DT）聚变，也就是目前国际上正在大力研发的主流聚变方式。DT聚变是将氘（氢的同位素，一个质子一个中子）和氚（氢的同位素，一个质子两个中子）两种原子核融合，产生氦4（两个质子两个中子）和一个高能中子，同时释放出巨大的能量。
为什么人们会对氦3聚变如此着迷？
氦3聚变，特别是氘氦3（D³He）聚变，之所以备受青睐，主要有以下几个关键优势：
1. “干净”的聚变产物： D³He聚变的主要反应是：
²H + ³He → ⁴He + ¹H + 18.3 MeV
这里的²H 是氘，³He 是氦3，⁴He 是氦4，¹H 是质子。
请注意，这个反应不产生高能中子。而DT聚变会产生一个能量高达14.1 MeV的中子。中子有什么坏处呢？
活化材料： 中子会轰击反应堆的内壁材料，使其产生放射性，形成所谓的“感生放射性”。这意味着聚变反应堆需要更厚的屏蔽层，材料也需要更耐辐射，这会增加建造和维护的复杂性与成本，并带来核废料处理问题。
能量利用效率： DT反应释放的能量大部分（约80%）是以中子的动能形式存在的，而这些中子不容易直接转化为电能，需要通过热交换等间接方式。
D³He的优势： D³He聚变则主要产生带电粒子（氦4和质子），这些带电粒子携带的能量可以直接被电磁场捕获，例如通过“聚变发电机”的方式，理论上可以实现更高的能量转换效率，并且产生的放射性废料要少得多，对环境的影响也更小。
2. 较低的等离子体温度要求： 相较于DT聚变，D³He聚变达到“点火”（即聚变反应释放的能量足以维持等离子体自身的温度）所需的等离子体温度“稍低”一些。当然，“稍低”也是相对的，仍然是数亿摄氏度的高温，这依然是巨大的技术挑战。
3. 潜在的太空应用： 氦3是月球土壤中一种含量相对丰富的元素（通过太阳风沉积）。如果能在月球上开采氦3，并用于地球的聚变能源，这将是一种近乎无限的清洁能源。甚至有人设想，利用氦3聚变作为太空飞船的推进剂，因为它产生的带电粒子可以非常高效地转化为推力。
为什么它又如此“困难”？
尽管优势明显，但D³He聚变之所以至今未能大规模实现，主要是因为它面临着比DT聚变更为艰巨的挑战：
1. 氦3的稀缺性： 这是最现实、也是最致命的障碍。地球上的氦3含量极少。虽然月球上有，但开采、运输这些氦3回地球的成本和技术难度是天文数字。目前，地球上的氦3主要来自核武器的生产副产品，数量微乎其微，根本无法满足大规模能源生产的需求。
2. 更高的燃耗比要求： 尽管D³He的反应截面（即核子碰撞发生反应的概率）在一定温度范围内比DT反应要高，但要实现可持续的聚变反应，需要更高的“聚变燃耗比”，也就是单位时间内聚变反应释放的能量与维持等离子体所需的能量之比。这意味着需要更长时间、更稳定地将等离子体约束在极高的温度和密度下，这对于磁约束（如托卡马克、仿星器）或惯性约束（如激光聚变）都提出了更高的要求。
3. 等离子体不稳定性和损耗： 约束极高温的等离子体本身就是一项艰巨的任务。D³He等离子体在高温高密度下更容易出现各种不稳定性，导致能量和粒子损耗，难以维持持续的聚变反应。
4. 材料科学的挑战： 即使不产生中子，高能的质子也会对反应堆内壁材料产生一定的损伤和溅射，虽然相比中子温和得多，但材料的耐久性和防护仍是需要解决的问题。
那么，氦3聚变“是否可实现”？
从理论和实验物理的角度来看： 是的，D³He聚变反应本身是确定的，科学家们也在实验室中成功地实现过小规模的D³He聚变，并进行了相关的测量和研究。例如，一些研究机构已经证明了通过D³He聚变产生高能质子的能力。
从工程应用和商业化发电的角度来看： 目前还不行。 最大的障碍在于燃料（氦3）的来源以及实现稳定、高效、可控的聚变反应的工程技术。
当前的努力和未来展望
尽管困难重重，但对D³He聚变的研究从未停止。
研究方向： 主要集中在如何提高等离子体约束的效率和稳定性，如何更有效地利用带电粒子的能量，以及探索更高效的氦3生产或获取方式（虽然这非常困难）。
替代方案： 一些研究人员也在探索氘氘（DD）聚变，它比D³He聚变更易实现，但会产生中子，且产物包括氚和氦3，这使得它又回到了DT聚变类似的挑战。还有一些更前沿的聚变组合，如质子硼（p¹¹B），它们几乎不产生中子，但实现难度比D³He还要高很多。
月球资源： 关于月球氦3的开发，一些国家（如中国）已经展现出浓厚的兴趣，并将其纳入了长远的空间发展战略。但这是一项跨越代际的工程，需要极其先进的太空技术和巨额的投资。
总结一下，氦3聚变更像是一个“终极理想”能源。 它具有“清洁”、“高效”的巨大潜力，但实现它的道路比目前主流的DT聚变还要崎岖得多，尤其是燃料来源的瓶颈，使得它在近期内难以成为解决能源危机的现实选项。
与其说“可实现”，不如说“是人类对清洁能源未来的一项重要探索方向”，它的实现，可能要等到我们克服了月球资源开发、先进聚变控制以及材料科学等一系列极其艰巨的技术难题之后。
网友意见
氘和氘聚变所用的温度比氘和氦三聚变的温度低，这么说氘会先把自己消耗掉
我猜答主想问的是，在D-He3聚变中，D会不会通过D-D聚变先消耗掉，从而阻止D-He3聚变。
聚变的反应速率可以用reactivity来衡量（反应截面σ与粒子速度v乘积的平均值），在等离子体密度相等的情况下，反应速率正比于reactivity。而reactivity是随温度变化的：
确实，在大约3亿K温度以下，D-D聚变的reactivity是要高于D-He3聚变的。但这个时候两个反应的reactivity都很低（注意坐标是对数scale），两种反应都很难发生。
想要用D-He3聚变发电，反应堆肯定不能在<3亿K的温度区间运行（劳森判据会非常高），而应该在红色曲线的峰值处，也就是10亿K左右的温度下运行。而在这个温度下，D-He3的reactivity是要高于D-D聚变的。但这个差别在1个量级以内，D-D聚变的确是无法避免的。
有一个办法倒是能够降低D-D聚变的的概率，那就是降低等离子体的D/He3比例。作为二级反应，D-D聚变的速率正比于D离子密度的二次方，但D-He3聚变的速率正比于D离子密度的一次方。所以当D/He3比例降低时，D-D反应速率会降低的更厉害。不过这个方法属于杀敌一千自损八百，不一定划算。
氘会先把自己消耗掉，没有辐射的核聚变真的就实现不了吗？
D-D聚变确实是会产生中子辐射的。因为D-D聚变有两个截面相等的反应路径：
第一个反应生成T+H，二者的原子核都带电，可以通过磁约束的方式来控制，所以这个反应的辐射危害是较低的。
但第二个反应路径产生He3+中子n，中子是没法被磁约束的，所以还是会有中子辐射问题。不过这个中子的能量(2.45 MeV)比D-T聚变中子的能量(14.1 MeV)低很多，处理起来也会比较容易。
另外，纯He3聚变是不产生中子的：
但从反应截面（容易实现程度）来看，D-T > D-D > D-He3 > He3-He3，也就是说He3-He3聚变实现起来更加困难。目前研究最多的，还是最容易实现的D-T反应。
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