氦 3聚變是可實現的嗎

1樓：汪鍵是個大胖子

說一說純氦-3聚變。

看到一篇文章，是通過μ子來做催化劑來催化氦3進行聚變反應。

乙個負μ子被附著在氘核或氚核上時，實際上就是用μ子替代核外電子。當μ子圍繞氫原子的質子運動時，由於其質量約為電子質量的200倍，會導致μ子與原子核極其靠近，從而中和質子的正電荷。因此不帶電的氫原子核不會再受到其他氫原子的排斥作用。

因此，μ子可以將氚氘原子核約束在非常小的體積內，μ子分子內部的條件類似在白矮星內部的條件一樣，可以發生聚變反應。

μ子催化聚變原理圖

而如果兩個負μ子附著在同乙個氦3原子的兩個質子上，那原子內部的電荷會被中和，從而會使核力強作用力佔據主導地位，從而發生聚變反應。

兩個氦3原子發生聚變反應，會產生兩個質子和氦-4.

不產生中子，不會有中子轟擊和活化問題，也不會有放射性產物。

但這種理論方法存在一些問題，主要是不能保證μ子可以重複找到要粘附的相同的He3原子。所以需要μ子更加精確的瞄準來解決這個問題。

以往的研究中，乙個負μ子通常只能催化數百個聚變反應，但是需要考慮到「Alpha sticking」的效應。μ子在其衰變週期以內有可能會粘附在產生的He-4上，初始粘附概率為0.9%，考慮到其reactivation，最終粘附機率會在0.

6%左右。在Alpha sticking效應的加持下，每個μ子最高可以催化2000個聚變反應。

He-3反應中產生質子的反應主要有：

這種方法的乙個優點是最終的alpha-sticking效應會趨向於0，因為存在相鄰原子之間的μ子飽和。在反應區域，He-4也會與相鄰的He-3和He-4反應，是參與催化的μ子碰撞後脫離。

作者設計的一種純He-3燃料核聚變的試驗裝置：

He-3燃料通過幫浦不斷進入反應區域，發生聚變反應，同時釋放質子，產生He-4。部分反應產生的質子被送回到加速器和storage ring用來生產π介子，初級和次級π介子在磁瓶中產生。在獲得高強度和低能量的μ子束流後，通過錐形管引導到帶電錐形毛細管中。

部分不需要參與π介子生產的質子會引導通過下游安裝有能量轉換器的TWDEC，從而直接轉化成電能。產生的電能一部分用於加速器，剩餘的電量則為該裝置淨收益。

給純氦3聚變提供了一種新思路。

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B,287 (2012) 103–108

2樓：小侯飛氘

氘和氘聚變所用的溫度比氘和氦三聚變的溫度低，這麼說氘會先把自己消耗掉

我猜答主想問的是，在D-He3聚變中，D會不會通過D-D聚變先消耗掉，從而阻止D-He3聚變。

聚變的反應速率可以用reactivity來衡量（反應截面σ與粒子速度v乘積的平均值），在等離子體密度相等的情況下，反應速率正比於reactivity。而reactivity是隨溫度變化的：

D-T，D-D，以及D-He3反應reactivity隨溫度的變化

確實，在大約3億K溫度以下，D-D聚變的reactivity是要高於D-He3聚變的。但這個時候兩個反應的reactivity都很低（注意座標是對數scale），兩種反應都很難發生。

想要用D-He3聚變發電，反應堆肯定不能在<3億K的溫度區間執行（勞森判據會非常高），而應該在紅色曲線的峰值處，也就是10億K左右的溫度下執行。而在這個溫度下，D-He3的reactivity是要高於D-D聚變的。但這個差別在1個量級以內，D-D聚變的確是無法避免的。

有乙個辦法倒是能夠降低D-D聚變的的概率，那就是降低等離子體的D/He3比例。作為二級反應，D-D聚變的速率正比於D離子密度的二次方，但D-He3聚變的速率正比於D離子密度的一次方。所以當D/He3比例降低時，D-D反應速率會降低的更厲害。

不過這個方法屬於殺敵一千自損八百，不一定划算。

氘會先把自己消耗掉，沒有輻射的核聚變真的就實現不了嗎？

D-D聚變確實是會產生中子輻射的。因為D-D聚變有兩個截面相等的反應路徑：

第乙個反應生成T+H，二者的原子核都帶電，可以通過磁約束的方式來控制，所以這個反應的輻射危害是較低的。

但第二個反應路徑產生He3+中子n，中子是沒法被磁約束的，所以還是會有中子輻射問題。不過這個中子的能量(2.45 MeV)比D-T聚變中子的能量(14.

1 MeV)低很多，處理起來也會比較容易。

另外，純He3聚變是不產生中子的：

但從反應截面（容易實現程度）來看，D-T > D-D > D-He3 > He3-He3，也就是說He3-He3聚變實現起來更加困難。目前研究最多的，還是最容易實現的D-T反應。