氦有兩種穩(wěn)定同位素，⁴He和³He，⁴He是由鈾和釷發(fā)生放射性衰變產(chǎn)生，³He來自太陽內(nèi)部的核聚變。地球上的氦-3來自地球初始形成時積累下的原始氦，主要存在于地幔中。氦-3由兩個質(zhì)子、一個中子組成，外層有兩個電子，構(gòu)成氦-3的粒子數(shù)是奇數(shù)。氦-3也是唯一不能在標準大氣壓下被固化的物質(zhì)，而且能夠在相對低的溫壓條件下與氫同位素發(fā)生核聚變反應，無害地放出大量能量。由于在聚變過程中不產(chǎn)生中子，放射性小，因此氦-3可作為一種理想的可控核聚變發(fā)電燃料。

     雖然在地球上氦屬于稀有元素，但在宇宙中，氦元素占比為24％，排名第二，僅次于氫。太陽由90.0％的氫和8.9％的氦組成，其內(nèi)部在高溫高壓環(huán)境下能夠?qū)崿F(xiàn)核聚變生成氦-3。核聚變又稱質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應，首先兩個質(zhì)子（¹H）聚合生成一個雙質(zhì)子氦核，雙質(zhì)子氦核由于不穩(wěn)定而快速衰變?yōu)殡?sup>2H）。氘與質(zhì)子發(fā)生聚變生成氦-3，大部分氦-3會繼續(xù)發(fā)生核聚變產(chǎn)生較為穩(wěn)定的氦-4（α粒子），少部分氦-3元素會脫離反應區(qū)到達太陽表面，經(jīng)太陽風吹向四周廣闊的宇宙。  

    受地球大氣層與磁場的阻擋作用，太陽輻射中的氦-3原子很難到達地球。地球上的氦-3大都由氚核通過β衰變或者行星形成初期捕獲保留在地幔以下深處。由于地球氦-3的豐度低且提純成本高，因此地球上能夠被人類利用的氦-3總量極少，僅500千克。而太陽風攜帶的粒子可以直達月球表面并由月壤顆粒吸附，因此月球上氦-3含量遠高于地球。

氦-3的用途

    地球上氦-3含量稀少，目前主要應用在同位素示蹤、核聚變與中子測水等領域。氦-3主要為元素合成時形成的核素，隨著星球演化與物質(zhì)分異，地幔中包含了更多的原始氣體。由于熔融物質(zhì)與火山活動、深大斷裂與水循環(huán)，地幔捕獲的原始氦上升至地殼，幔源氦中相比放射成因氦含有更多的氦-3。因此氦-3與氦-4的比值（³He/⁴He）可作為判斷天然氣來源的重要依據(jù)。大氣中³He/⁴He為1.4×10^-6，殼源成因的氦比值為2×10^-8，而幔源氦為1.1×10^-5。而隕石中的俘獲氦同位素比值分為太陽型和行星型兩類，太陽型³He/⁴He為（3.79±0.40）×10^-4，行星型為（1.43±0.40）×10^-6。

    因為氦的兩種同位素的粒子構(gòu)成不同，當兩種氦的同位素冷卻至足夠低的溫度時，它們的區(qū)別將大大顯現(xiàn)出來。20世紀的物理學家發(fā)現(xiàn)，在2.2開[爾文]左右液氦-4的比熱容是不連續(xù)的，從而逐漸發(fā)現(xiàn)了超流態(tài)現(xiàn)象。當溫度低于0.0025開時，氦-3會變成超流體態(tài)，而氦-4變成超流體態(tài)的溫度需要2.17開，幾乎是氦-3的1000倍，在這樣的低溫下，液氦甚至能發(fā)生“水往高處流”的“噴泉效應”。氦-3超流體的發(fā)現(xiàn)幫助天體物理領域驗證了宇宙中如何形成宇宙弦理論，同時對凝聚態(tài)物理的研究起到了推動作用。氦-3因為其更高的沸點、更低的密度、能夠突破氦-4的λ點的溫度限制、低超流轉(zhuǎn)變溫度等特點，一定能在未來的超低溫等領域發(fā)揮更多的作用。

     據(jù)統(tǒng)計，地球20%的電能來自核裂變，但核裂變往往伴隨著大量核廢料的產(chǎn)生，核廢料幾乎毫無用處且十分危險，目前發(fā)電后剩下的乏燃料只能掩埋處理。托卡馬克磁約束裝置是實現(xiàn)磁約束從而實現(xiàn)可控核聚變的幾種類型之一，也是目前實現(xiàn)可控核聚變研究最深入的類型。未來實現(xiàn)可控核聚變技術(shù)后，不同于氘-氚核聚變會產(chǎn)生中子可能會對人體、環(huán)境造成危害，利用純氦-3融合熱核反應只會產(chǎn)生帶正電的質(zhì)子而不產(chǎn)生中子。1千克鈾-235釋放的能量相當于2500噸標準煤，而1千克氘發(fā)生核聚變的能量相當于288萬噸標準煤。由于放射性危害較小，氦-3作為清潔、安全、高效的核聚變發(fā)電燃料將具有巨大的應用前景。氦-3用作核聚變材料與使用鋰-6的氘氚聚變相比，在建造磁約束的聚變堆時氦-3只需要增加超導磁場材料，可以有效降低建造成本和運行成本。

    由于很難直接探測到電中性的中子，因此可以通過中子核反應來檢測反應生成的帶電粒子從而實現(xiàn)中子探測，所以氦-3還可應用于慢、熱中子的探測。利用氫原子對快中子的減速機理將氫原子數(shù)和熱中子數(shù)聯(lián)系起來。又根據(jù)水分子構(gòu)成將水分含量與熱中子數(shù)聯(lián)系起來，得到水分含量。氦-3中子探測器具有效率高、性能穩(wěn)定且無污染產(chǎn)物等優(yōu)點，可以快速準確連續(xù)地測量出物料中的水分含量，測量過程不需取樣，對物料無破壞且可以測出物料中水分分布狀況。此外，氦-3中子測水可以在惡劣的環(huán)境下工作，這是其他很多測水技術(shù)所不具備的。中子測水技術(shù)在鋼鐵、玻璃、火電、建筑等領域都有極大的應用前景。

未來新能源

    ①氦-3是一種清潔、安全和高效率的核融合發(fā)電燃料。開發(fā)利用月球土壤中的氦-3將是解決人類能源危機的極具潛力的途徑之一。

    ②氦-3是氦的同位素，含有兩個質(zhì)子和一個中子。它有許多特殊的性質(zhì)。根據(jù)稀釋制冷理論，當氦-3和氦-4以一定的比例相混合后，溫度可以降低到無限接近絕對零度。在溫度達到2.6mK以下的時候，液體狀態(tài)的氦-3還會出現(xiàn)"超流"現(xiàn)象，即沒有黏滯性，它甚至可以從盛放它的杯子中"爬"出去。然而，當前氦-3最被人重視的特性還是它作為能源的潛力。氦-3可以和氫的同位素發(fā)生核聚變反應，但是與一般的核聚變反應不同，氦-3在聚變過程中不產(chǎn)生中子，所以放射性小，而且反應過程易于控制，既環(huán)保又安全，但是地球上氦-3的儲量總共不超過幾百公斤，難以滿足人類的需要。科學家發(fā)現(xiàn)，雖然地球上氦-3的儲量非常少，但是在月球上，它的儲量卻是非常可觀的。

    ③氦大部分集中在顆粒小于50微米的富含鈦鐵礦的月壤中。估計整個月球可提供71.5萬噸氦-3。這些氦-3所能產(chǎn)生的電能，相當于1985年美國發(fā)電量的4萬倍，考慮到月壤的開采、排氣、同位素分離和運回地球的成本，氦-3的能源償還比估計可達250。這個償還比和鈾235生產(chǎn)核燃料(償還比約20)及地球上煤礦開采(償還比不到16)相比，是相當有利的。此外，從月壤中提取1噸氦-3，還可以得到約6300噸的氫、70噸的氮和1600噸碳。這些副產(chǎn)品對維持月球永久基地來說，也是必要的。俄羅斯科學家加利莫夫認為，每年人類只需發(fā)射2到3艘載重100噸的宇宙飛船，從月球上運回的氦-3即可供全人類作為替代能源使用1年，而它的運輸費用只相當于如今核能發(fā)電的幾十分之一。據(jù)加利莫夫介紹，如果人類如今就開始著手實施從月球開采氦-3的計劃，大約30年到40年后，人類將實現(xiàn)月球氦-3的實地開采并將其運回地面，該計劃總似的費用將在2500億到3000億美元之間。

完美能源氦-3的獲取， 中國已經(jīng)在行動

    He是氚衰變的產(chǎn)物，它是從核武器中收集而來的。在核武器中，氚被用來產(chǎn)生中子以提升钚的爆炸性。直到1988年，氚的制造一直是用于支持美國核武器計劃，因為它是提升武器威力的一個關(guān)鍵組成部分。自冷戰(zhàn)結(jié)束以來，美國已經(jīng)減少其核武庫，從而使得氚和He-3的量都減少。同時，He-3的需求卻升高。

    氦-3在地球上含量非常少，人們已經(jīng)把目光投向了月球，2007年“嫦娥一號”的發(fā)射，再掀氦-3探測高潮。在對“嫦娥一號”探月衛(wèi)星微波數(shù)據(jù)進行一年多的分析后，發(fā)現(xiàn)月壤的氦-3 (He-3)存量預計達100萬噸，轉(zhuǎn)化成核能后足夠地球使用1萬年。