聚变、登月和星际大航海

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ice_招行谷子地
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国庆前,有粉丝给我留言说想听听我谈宏观。好吧,那咱们国庆后第一篇就来谈谈宏观。既然要谈宏观,咱就谈宏观点,不要局限于眼下的汇率,利率,经济增速。我们应该着眼于未来30年甚至50年。(本文不涉及任何概念股,不提供致富密码,如果想要这些的就别往下看了)

之前的专栏中我曾经谈到过雅江集团成立标志着我国的基建新方向的展开。一大批功在当代,利在千秋的基础设施建设将加快进程,其中不乏一大批科学发展的基础设施。实际上,在雅江集团成立不久,中国聚变能源有限公司挂牌成立,标志着我国核聚变商用化进入加速冲刺阶段。

我在清华学工程物理的同学跟我说核聚变领域有个笑话:“距离核聚变商用永远还有50年!”这个笑话背后透露出核物理工程从业人员的无奈。但是,随着2023年国务院国资委启动了实施未来产业启航行动,明确可控核聚变领域为未来能源的唯一方向。核聚变领域的研究呈明显加速态势:

2025年1月,我国全超导托卡马克实验装置“东方超环”成功实现了1亿摄氏度等离子体稳态运行,这一成就持续了1066秒,创下了新的世界纪录。而在3月,“中国环流三号”更是首次达到了原子核温度1.17亿度、电子温度1.6亿度的“双亿度”运行状态,标志着我国在核聚变研究方面又迈出了坚实的一步。

据部分媒体报道:在东方超环基础上,中国正在建设“聚变堆主机关键系统综合研究设施(CRAFT)”,计划到2035年,建成聚变工程实验堆,开始大规模科学实验;到2050年,聚变工程实验堆实验成功,建设聚变商业示范堆。

方法有了,下一个问题就是聚变燃料。目前已知的受控核聚变主要有氘氘聚变(D-D),氘氚聚变(D-T),氦3聚变。其中的聚变燃料分别为,氘(氢同位素D)、氚(氢同位素T)、氦3(氦同位素)。但是,问题在于上述的3种原材料在地球上的存量都不多,特别是氚和氦3。氘在自然界中可以通过水提取重水,重水分解获取。但是,凡是用氢同位素实现的聚变都有一个很大的问题就是中子辐射。

不论是D-D聚变还是D-T聚变都会产生大量的中子,这些中子由于本身不带电,无法使用磁约束限制其运动。中子辐射会对聚变的运行环境产生强大的中子轰击侵蚀很容易造成辐射泄露。所以,一直以来商用核聚变最理想的燃料一直都是氦3。

氦3这个物质主要产自太阳聚变的中间物,每时每刻都有大量的氦3离子跟随太阳风被吹散到太空中。如果命中行星或卫星,就会被这些天体俘获。但是,在地球上氦3的存量非常低,据科学家估计地球自然界存在的氦3大概只有不到1吨。这是因为地球本身带有磁场,氦3属于带电粒子,大部分射向地球的氦3被地球磁场偏转绕过地球了。

不过万幸的是,氦3虽然在地球上含量极低,但是在月球上含量却相当丰富。根据目前的估算,仅月球表面 0-5 米浅层土壤中,氦 - 3 含量就达 112.5 万吨,若计入 5-20 米深度则突破 500 万吨。10吨氦3聚变释放的能量相当于我国目前全年消耗60亿吨标准煤产生的能量。

不过,月球的氦3分布本身并不均衡。现有研究显示,月球背面的月壤中氦-3的含量约为正面的2-3倍。例如,嫦娥五号从背面采集的样品中发现了氦-3,而美国阿波罗计划从正面采集的月壤未检测到该物质。 造成这一现象的原因是月球的公转(围绕地球转动)和自转周期相同,这样月亮总是同一面对着地球。我们假设月球面向地球的一面叫正面,背对地球的一面叫背面。月球公转过程中,在正面朝向太阳的时候由于地球挡在月球和太阳中间,太阳风受到地球遮挡多数无法吹到月球正面。当月球背面朝向太阳的时候,太阳风直接轰击月表,太阳风携带的氦3就在月表土壤中沉积下来。

而且,在月球上氦3的提取难度可能远低于地球。嫦娥五号带回的 1.731 千克月壤中,中科院团队首次在粒径 < 50μm 的玻璃质微陨石中发现氦 - 3 富集现象 —— 每个玻璃泡内氦 - 3 浓度达 0.8ppm,是普通月壤的 20 倍。基于这一发现开发的 "超声振动破碎 - 气浮分选" 技术,可在常温下实现 85% 的氦 - 3 提取率,较传统加热法能耗降低 70%。

从月球的例子我们不难发现氦3富集矿的选矿思路:1,天体不能有磁场或者磁场较弱(避免磁场屏蔽)。2,有一定质量和体积利于氦3俘获。如果我们把这一选矿思路进一步拓展,可以发现太阳系多数卫星和小行星不具有磁场,行星中金星没有磁场,火星的磁场也远小于地球。这些都可能存在氦3富集矿区。

写到这里,我们回顾一下前面的思路:受控核聚变的实验室进展加速,一旦技术突破聚变燃料的获取将极为关键。目前已知聚变燃料中氦3由于聚变不产生中子被认为是最佳的聚变燃料。氦3在地球自然界几乎没有,但是在月表土壤,特别是月球背面土壤中含量丰富,且已经有较为实用的高效采集方式。

我相信写到这里大家都应该清楚为何我的题目在聚变后面跟着的是登月。是的,如果人类想要实现商业核聚变,那么在月球背面登陆并建立高度自动化的采矿基地,然后在月球完成采矿精炼的过程,再用航天载具将高纯度液态氦3运回地球就成为商业核聚变落地的关键。

那么,谁能够实现月球背面登陆并采样返回了呢?目前为止,只有中国实现了这一过程。十几年前当我国的登月计划推出的时候,很多人对于中国选择月背登陆表示不解。目前来看,中国的登月工程从设计之初就不仅仅是作为一个单纯的科研项目,而是为我国抢占核聚变制高点,实现能源弯道超车的重要先导工程。

目前,国际社会还没有一个统一的法律框架来规范和保护月球资源的开发利用。《外层空间条约》(Outer Space Treaty)规定,外层空间不属于任何国家的主权或管辖权,也不允许任何国家在外层空间建立军事基地或进行武器测试。但是,《外层空间条约》并没有明确规定外层空间资源的所有权和使用权,也没有明确规定外层空间资源开发利用的条件和限制。

也就是说,目前月球表面的氦3矿源谁有能力采集就是谁的,谁占上就是谁的。如果大家对于世界历史比较熟悉,应该能够很强烈的感受到目前对于外太空资源的情况和600多年前的大航海时代非常类似。15-17世纪的大航海时代,除了欧亚大陆外,其他大陆没有强力文明守护,非洲,美洲,乃至南亚等地区的资源基本上就是谁插旗占上就归谁。欧美资本主义国家利用大航海时代快速攫取资源完成原始积累实现了对全球其他地区的超越。

我们所面对的就是星际大航海时代。放眼全球目前最有希望带领人类文明进入星际大航海时代的就是中国。这不仅仅对于中国,对于整个人类文明都是一个巨大的历史机遇。哪个国家能带领人类从行星文明跨入恒星文明,哪个国家就能在相当长时间内引领人类文明的发展。当能源限制解除,人类将进入到一个新的黄金发展时期。

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