研究简史

在自然界，存在着3He和4He两种同位素。4He的原子核有两个质子和两个中子；而3He只有一个中子。

20世纪30年代末期，卡皮查发现4He的超流动性。朗道从理论上解释了这种现象，他认为当温度在绝对温度2.17K时，4He原子发生玻色爱因斯坦凝聚，成为超流体，而像3He这样的费米子即使在最低能量下也不能发生凝聚，所以不可能发生超流动现象。金属的超导理论（BCS理论）的提出使得人们认为在极低温度下3He也可能会形成超流体。但是人们一直未能在实验上发现3He的超流动性。

20世纪70年代，戴维·李领导的康奈尔低温小组首次发现了3He的超流动性，不久，其它的研究小组也证实了他们的发现。

1996年，戴维·李（David M. Lee, 1931~ )、道格拉斯·奥谢罗夫（Douglas D. Osheroff, 1945~）和罗伯特·理查森（Richard C. Richardson, 1937~ ）因发现了氦-3（3He）中的超流动性，共同分享了1996年度的诺贝尔物理学奖。

物质结构

氦-3是氦的同位素，含有两个质子和一个中子。

理化性质

它有许多特殊的性质。根据稀释制冷理论，当氦-3和氦-4以一定的比例相混合后，温度可以降低到无限接近绝对零度。在温度达到2.6mK以下的时候，液体状态的氦-3还会出现“超流”现象，即没有黏滞性，它甚至可以从盛放它的杯子中“爬”出去。然而，当前氦-3最被人重视的特性还是它作为能源的潜力。氦-3可以和氢的同位素发生核聚变反应，但是与一般的核聚变反应不同，氦-3在聚变过程中不产生中子，所以放射性小，而且反应过程易于控制，既环保又安全，但是地球上氦-3的储量总共不超过几百公斤，难以满足人类的需要。科学家发现，虽然地球上氦-3的储量非常少，但是在月球上，它的储量却是非常可观的。

分布情况

月球上氦3分布图

氦大部分集中在颗粒小于50微米的富含钛铁矿的月壤中。估计整个月球可提供71.5万吨氦-3。这些氦-3所能产生的电能，相当于1985年美国发电量的4万倍，考虑到月壤的开采、排气、同位素分离和运回地球的成本，氦-3的能源偿还比估计可达250。这个偿还比和铀235生产核燃料（偿还比约20）及地球上煤矿开采（偿还比不到16）相比，是相当有利的。此外，从月壤中提取1吨氦-3，还可以得到约6300吨的氢、70吨的氮和1600吨碳。这些副产品对维持月球永久基地来说，也是必要的。俄罗斯科学家加利莫夫认为，每年人类只需发射2到3艘载重100吨的宇宙飞船，从月球上运回的氦-3即可供全人类作为替代能源使用1年，而它的运输费用只相当于如今核能发电的几十分之一。据加利莫夫介绍，如果人类如今就开始着手实施从月球开采氦-3的计划，大约30年到40年后，人类将实现月球氦-3的实地开采并将其运回地面，该计划总似的费用将在2500亿到3000亿美元之间。

2015年4月，中国科学家利用嫦娥三号“玉兔”月球车的测月雷达数据首次给出了较为可靠的月壤厚度估计，认为前人的估计方法可能普遍低估了月壤厚度和氦-3总储量3。

制备方法

氦-3的提取是一个极其复杂的过程。人们首先需要将月球土壤加热到700摄氏度以上，才可以从中提取到氦-3。开发、运送月球上的能源也有很多难题需要解决。

分离方法

氦-3等同位素气体的分离主要方法有气体扩散法离子交换法、气体离心法，另外还有蒸馏法、电解法、电磁法、电流法等，其中以气体扩散法最成熟。“浓缩”的使用涉及旨在提高某一元素特定同位素丰度的同位素分离过程，例如从天然铀生产浓缩铀或从普通水生产重水。

气体扩散法——这是商业开发的第一个浓缩方法。该工艺依靠不同质量的同位素在转化为气态时运动速率的差异。在每一个气体扩散级，当高压气体透过在级联中顺序安装的多孔镍膜时，其轻分子气体的气体更快地通过多孔膜壁。这种泵送过程耗电量很大。已通过膜管的气体随后被泵送到下一级，而留在膜管中的气体则返回到较低级进行再循环。在每一级中，浓度比仅略有增加。浓缩到反应堆级的铀-235丰度需要1000级以上。

气体离心法——在这类工艺中，气体被压缩通过一系列高速旋转的圆筒，或离心机。同位素重分子气体比轻分子气体更容易在圆筒的近壁处得到富集。在近轴处富集的气体被导出，并输送到另一台离心机进一步分离。随着气体穿过一系列离心机，其同位素分子被逐渐富集。与气体扩散法相比，气体离心法所需的电能要小很多，因此该法已被大多数新浓缩厂所采用。