裂变反应堆生产核能目前已经广泛应用。当今世界上已经有428座反应堆正在工作，分布在26个国家，这些国家生产了约1/6的世界电能。据预测，到2000年，核能所占的比重将增长到1/5。但是与这种能源相关的有一些严重的问题，从埋藏长效放射性废物到保障反应堆的安全都存在难以处理的问题。

幸而原子能不仅在重元素裂变时能释放，而且在轻元素聚变时也能释放，这种合成法获取原子能量，就能安全有效，并在生态上可行，使长期的能量问题得以可靠解决。

科学家们从1951年起就在受控热核聚变领域进行研究。38年来，世界范围从事这项研究的投资已经超过了200亿美元。从获得自保持热核反应的第一批经验到现在，也不超过10年。现在已经证明，用等离子体磁控制装置在获取热核能量方面具有良好结果，即聚变后释放的能量远远超过保持反应所消耗的能量。

科学家们利用现有的装置的成就，设计了下一代热核装置，计划在21世纪初用这些装置获得10²~ 10³兆瓦热核能。甚至已开始研究商用热核动力机组和宇宙热核源。

热核聚变反应

现在，全部力量集中于氘（D）和氚（³H或T）核的热核聚变反应的实现，因为实现这种反应比用其它原子核更简单一些。但是，这种反应所释放的能量，80%被中子带走，这不仅严重地损坏反应堆的零部件，而且产生严重的放射性。

不过，还有另外一种反应——氘和氦-3（³He）的聚变：

这种聚变不伴随产生中子或者放射性物质。当然，在附带产生的D-D反应中，仍然生成中子，它大约带走反应产生能量的1%。但是这么少量的中子流（每D-T反应比）大大地简化了反应堆的安全保障体系，而比较低的放射性也不要求采取大量措施去处理令人不安的原子废物。此外，99%的能量成为带电粒子，也就是说可以用直接变换法变成电能（没有一个热循环），效率可达70 ~ 80%。

我们较详细地研究一下各种聚变反应的特点，当某些轻同位素加热到非常高的温度时，将它们控制在很小的空间，它们就能结合成较重的元素，但是这些合成元素的质量比参与反应的原子的总质量要轻。其质量之差就转变成能量，当温度最低时，发生D-T反应。随着温度提高，超过10千电子伏时（相应为10⁸K），D-³He反应开始发生作用。由于各种物理因素，对于D-T反应的最佳温度范围为10 ~ 20千电子伏，而对于D-³He等离子体一50 ~ 60千电子伏。

D-³He等离子体大致以等概率发生如下反应

为了减少中子流：第一，可以选择适当的温度范围，使反应出现（1）远远高出反应（2）；第二，可以扩大³He和D的浓度比，选配好温度值和D-³He等离子体的浓度比，消耗在中子上的功率能降低到总热核功率的1%，但是，还需再次强调，为进行热核聚变对D-³He - 等离子体的加热温度要比D - T - 混合物温度高三倍，在美国普林斯敦的托克马克聚变试验反应堆（TFTR）装置上进行试验，温度已超过20千电子伏。考虑到等离子体温度在20年间从0.1千电子伏提高到20千电子伏，大致提高了200倍，因此，专家们期识能在最近10年内，把温度提高到需要值。

怎样进行D-³He等离子体自保持热核反应以获得高能的试验？在当今设计的NET（第二代欧洲环形）装置用D-³He等离子体对D-T混合物作简单的更换就应该能达到热核能量的正输出。为此，用以D-T等离子体的防护内部中子的构件，完全可以用薄的构件更换（D-³He等离子体的中子流比较弱，因此防护磁铁免遭放射性破坏的材料要求也较低）。这样能成功地增加NET反应堆里的等离子体容量，因此能明显提高该装置的工作效率。

此外，还有一个比较良好结果就是在利用较薄的内部防护结构同时，环形线圈的磁场提高20%。计算表明，此时，在NET反应堆确实能进行D-³He等离子体的自保持热核反应，并能放出热核高能（约100兆瓦）。这样改进后，大致能减少设计成本10%，并有可能在2000年之前进行D-³He等离子体自持聚变的研究。换一句话说，我们跨入21世纪后，有可能实现受控热核聚变，无论是D-T混合物或是D-³He等离子体。

综合本节所述，再次列举D-³He聚变反应的优越性，至少具有五个主要特点，这都是由于产生的中子流比较低而带来的：放射性较低、反应堆材料和结构受放射性破坏少、安全性大、生产成本低以及实施工程的时间短。

既然这种反应具有那么多的优点，那么为什么以前不从事这方面的研究呢？唉！可惜地球上实际没有³He。地下存在的天然³He的蕴藏量不超过几百至数千公斤，而在工业反应堆制出的氚，经蜕变而生成的³He 1年也总共10~20公斤。燃烧1公斤³He所释放的能量约为19 MBT（兆瓦）年，而保证世界能源需要则不是数千公斤，而是1年需要数千吨³He。

出路何在？根据《阿波罗》号和《月球》号航天器所取得的月球土壤的分析得知，我们的卫星表面层含有100万吨以上的³He。那么怎样从月球获取³He？从经济观点看，在热核反应堆中用³He。是否合适？

月球上³He的储藏量

-1986年9月，维滕倍尔格和他的同事们首先报告，在月球土壤中发现³He。从那时起，威斯康星大学的科学家小组从事研究，并提出了如下的基本观点。

月球³He的主要源——太阳风。根据现有资料，在太阳风中约有4%的氦原子，而³He和⁴He的比例接近于0.05%。据认为，在40亿年内，在月球表面降落了5亿吨物质。由于氦的低能（³He原子约3千电子伏），太阳风含有的原子不深入土壤深部，而是停留在表面（据估计，平均穿透深度不超过10^-7米）。但是月球表面受到陨星经常的撞击而疏松，因此氦原子被土壤粒子包住而被埋在数米深的表面下。

《阿波罗》和《月球》号航天器所采集的土样，经过分析表明，月球矿石中的氦含量大致在10^-4到7 · 10^-3%的范围内波动。比较高的氦浓度是在月球海玄武岩而比较低的浓度则在月球高地。据维滕倍尔格的估计，在月球表面约有100万吨³He。但是，怎样能以最小的代价而获得它呢？

曾确定，在土样中He和TiO₂之间有相关联系。专家们研究了月球表面对各种光谱的反射能力，由此证明，静海和暴洋的某些地域拥有的TiO₂特别丰富。后来，《阿波罗》11号采集的土样研究后，证实了静海的资料。然后在分析了19万平方公里的月球表面及美国科学家实际试验的基础上得出结论，静海可以作为设置第一批月球采矿场的主要场址。据推测，这里地下2米以内拥有大约8000吨³He。

怎样获得³He？

因为太阳风中的元素在月球土壤中相互联结很弱，因此从土壤中获取它并不困难。比如说，当月球土壤加热到高于200°C，³He就开始分解出来，而加热到600 ℃时，就可分解出75%³He。

³He的提取方法有多种，其中之一是挖取深达60公分以内的松软的月球土，把它装到自动机——月球车的前部。然后按大小粒子进行筛选，从其中选出颗粒直径小于100微米的土粒，因为这些小直径土粒含有太阳风的原子浓度比较高。利用热管对高浓度土粒进行加热，然后送入太阳能加热室，此间温度可达到600 ~ 700°C。在此温度条件，收集分解出来的挥发成分（H₂、⁴He、³He、碳化合物、N₂）。这些气体收集之后、与它们脱离的被加热的土壤，经过热管系统返回到月球表面。热土壤经过热管系统时，90%的热量被吸收。应当注意到，由于弱重力作用，从月球表面举起物料所消耗的能量大大地少于在地球上所消耗的能量。

当然，这种方式工作，只能在白天进行。但是工作日的持续时间可以延长，其方法是利用轨道上安装的镜子、能源装置核反应堆的热能或者利用月球上的中央能源站发生的微波。

这些挥发物质提取出来之后，让月球表面隔热，使氦同其它成分分离出来，在月夜宇宙空间低温（＜5 K）时，所有气体，除氦以外，都将冷凝，而后利用超流态原理，使³He与⁴He分离。在提取1吨³He的同时，可获得3300吨¹He、500吨氦、3000吨CO和CO₂及6100吨氢。氢可用来制取水，并可作为运输燃料（生产每1吨³He所得到的氢，如在月球上每公斤氢的价格按200美元计，则其价格可超过10亿美元）。氮和碳可以用来制造人工大气和促进植物生长，而⁴He可作为能源装置上的工作物体。

值得费力吗？

首先，必须要回答的问题是，月球上以³He元素存在的能量有多少。假如³He的蕴藏量为1百万吨，那就是说月球上蕴藏着潜在的热能约2万T瓦 · 年，即比地球上所蕴藏的矿物燃料的能量多出10倍以上。当然，今天开采矿物燃料在经济上是合算的。³He是月球上拥有的唯一如此巨量的元素，而在地球上却是不存在的。

另外一个重要因素在于数量少、能量大。只要燃烧20吨³He和D（氖），就能保证美国1986年总电能用量（大约286 T瓦 · 年）。这些数量的³He可很方便地放在宇宙飞船的货舱内。

1986年，美国用于生产电能而开采燃料所花费的金额约400亿美元，燃料品种如煤、石油、可燃气、铀等。假如这些金额用来提取20吨³He，那么1吨³He需要20亿美元。假如提取1吨³He燃料，而其价格不超过上述折算的金额，那么即使这样简单的评估，甚至不考虑这种燃料的其它许多优越性，应该说，在月球上开发³He，在经济上也是合算的。其实，按我们估算，开发1吨³He的金额不会超过10亿美元，甚至其中包括热核电站的建设费，此项费用未必比用裂解反应堆的原子能发电站便宜。