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聚变燃料供应链与地外资源：氘、氚、锂-6 和月球氦-3

2026-09-06

物理深度研究 · 通俗版 | 2026-09-06

先说为什么值得读这件事

聚变圈有句老话：反应堆是工程问题，燃料是"有没有"的问题。氘海水里管够，但氚全球库存二十来公斤还年年缩水；锂-6 富集技术五十年没换过代；氦-3 地球上一年只产一公斤，于是有人盯上了月球。

2024 年以来，这件事突然从科幻变成了生意：一家叫 Interlune 的西雅图公司拿到了量子计算公司的氦-3 订单，2025 年芬兰 Bluefors 跟它签了史上第一份"月球资源"采购合同，NASA 也掏了钱。同一时间，中国科学家用嫦娥五号的一克月壤，把氦-3 在月壤里怎么存的、怎么掏的机理摸清楚了。

这篇文章把聚变燃料的"家底"翻一遍：每种燃料地球上到底有多少、谁在生产、缺到什么程度、月球氦-3 是真矿还是空中楼阁。所有引用的论文、作者、机构都逐条核实过，文末附清单。

一、先算账：一座电站一年吃多少燃料

算清楚需求，才知道哪些燃料是问题，哪些不是。

D-T 反应（氘 + 氚）是第一代聚变燃料。威斯康星大学聚变技术研究所的燃料循环报告给过一个硬数字：1 吉瓦聚变功率满功率烧一年，要 55.6 公斤氚、约 37 公斤氘。这个 55.6 公斤是热功率口径；折算成电站烧掉的量，Abdou 团队 2021 年那篇氚自持综述算过：一座 300 万千瓦的电站一年烧 167 公斤氚。

D-He3 反应（氘 + 氦-3）是传说中的"第二代燃料"。能量差不多（18.3 对 17.6 兆电子伏），但每吉瓦年只需要约 55 到 60 公斤氦-3——按理想转化算；算上真实效率，给美国全国供一年电大约要 7 到 20 吨氦-3（Simko 和 Gray 2014 年的评估用的是 44 吨的口径）。

记住这两组数。下面挨个盘家底。

二、氘：唯一不用操心的

氘是重氢，海水里每 6400 个氢原子有一个。一升海水约含 30 毫克氘，全海洋加起来约 5 万亿吨——按聚变的烧法，够全人类用上百亿年，比太阳的寿命还长。

提取也不难：电解水时氘跑得慢，富集在残液里；工业上大量用的是"硫化氢-水双温交换"（Girdler 硫化物法），重水当副产品。全球重水年产能约 900 多吨，加拿大、印度、罗马尼亚、中国都能产。1 吉瓦聚变堆一年烧几十公斤氘，折成重水不到半吨——跟现在全世界 CANDU 堆两万多吨的重水库存比，九牛一毛。

结论：氘是聚变燃料里唯一"供应链不存在"的那一个。ITER 的氘直接在厂区电解海水制取。问题从来不在氘。

三、氚：一种没有矿的燃料

氚正好相反：自然界几乎没有，半衰期 12.3 年，放着不用每年少 5.47%。它不是"开采"出来的，是"养"出来的——现有民用氚几乎全部来自加拿大 CANDU 重水堆：堆里的中子撞上重水的氘核，顺手就把氘变成了氚。一台 CANDU 堆一年产约 130 克，安大略电力公司在达灵顿建的提氚厂从 1989 年运转至今，年均回收约 2 公斤，历史上累计提了 42.5 公斤。

把账摊开看，局面很紧：

  • 全球民用氚库存约 20 到 27 公斤，峰值出现在 2020 年代末，之后因 CANDU 老堆退役和衰变快速下滑；
  • ITER 满负荷一年用约 1.2 公斤；首堆堆芯启动就要几公斤；
  • 而 1 吉瓦电站一年烧 55.6 公斤——全世界的民用库存，不够一座商业堆烧半年；
  • 想靠裂变电站"养氚"补缺口：美国在 Watts Bar 核电站用可产氚控制棒（TPBAR）补产，一年也就百克量级，扩产要钱要堆要时间。

所以上一篇文章的结论在这里换成供应链的说法就是：氚没有矿山，聚变堆自己就是氚的矿山——增殖包层不是选配，是生存条件。第一代示范堆（ITER、BEST、SPARC）烧的是加拿大和军用库存的"老本"，这笔老本正在以每年 5.47% 的速度蒸发。

四、锂-6：半个坑

锂-6 的详细账上一篇文章算过，这里只给供应链视角的三句话：

  1. 天然锂里只有 7.5% 是锂-6，商用包层要求富集到 30% 到 90%，单座电站要囤 50 到 100 吨富集锂（Lopes Cardozo 等，2026，《Joule》）；
  2. 全球唯一工业化工艺（COLEX 汞齐法）是美国 1950 年代造氢弹的技术，1963 年起在美国停用，产能如今集中在俄罗斯和中国手里，美国公司 Hexium、ASP Isotopes 正在重新造轮子；
  3. 布里斯托大学团队 2026 年在《Joule》上画了红线：富集度 60% 是商业聚变的实际上限，超过 75% 就是热核武器级敏感材料，要按防扩散监管。

锂本身不缺，缺的是"又便宜、又环保、又不碰防扩散红线"的富集产能。这半个坑，好填，但要赶在 DEMO 开工前填上。

五、氦-3：地球上的家底有多薄

氦-3 在地球上是绝对的稀罕货。它不从矿里来，主要来源是核弹头里氚的衰变：美国武器库里存的氚每过一年就有 5.5% 变成氦-3，工作人员定期把氦-3 抽出来卖——几十年来这就是全球氦-3 的主渠道。美国能源部同位素计划管着这个盘子，年产量约 1 公斤（约合 7000 多升气体）。

这个盘子在 2008 年碎了。起因是安检：9·11 之后美国在港口边境装了上千台中子探测门，全吃氦-3；加上科学设施（中子散射、低温物理）和医疗成像，2008 年美国需求冲到 7 万升。而库存只有 4.5 万升，年产量 8000 升。价格从每升 100 美元飙到 2000 美元以上，国会听证会上把这事定性为"国家危机"，白宫成立跨部门委员会配给供应，美国一度停止出口（众议院 2010 年 4 月 22 日听证会记录；GAO-11-100 报告）。

现在的家底大致是：美国库存 3 万多升，年产量 8000 到 10000 升，年消费 13000 到 15000 升——永远差着 5000 升。缺口靠两条腿补：一是替代技术（硼-10 衬里探测器），二是新来源。加拿大 CANDU 库存氚衰变出的氦-3，白宫科技政策办公室 2010 年估算过：前三年每年最多可提 2 万升。另一条新路是 2026 年 Interlune 宣布的"冷捕集"低温蒸馏——从普通 A 级氦气里捞那百万分之几的氦-3，按美国氦气产量算每年能多出 2.5 公斤。

注意这些数字的量级：全球氦-3 年供应量按公斤计，而一座 D-He3 电站一年要吃 60 公斤起步。这就是为什么 D-He3 聚变今天只是 Helion 这类公司的远期选项，而氦-3 的现实买家是量子计算稀释制冷机（Maybell、Bluefors）和国土安全探测——那些用量是升，不是吨。

六、D-He3 聚变："无中子"要打对折

氦-3 聚变的卖点是人人都听过的：氘 + 氦-3 → 氦-4 + 质子，产物全是带电粒子，几乎无中子，可以直接电磁发电。这个反应本身是真的，但"无中子"三个字要打对折。

物理账是这样的：

  • 条件苛刻。两个都带正电的核要撞到一起，库仑位垒比 D-T 高得多。威斯康星团队的报告给过对比：D-T 堆要达到的约束指标（温度×密度×约束时间），D-He3 堆要高约 60 倍；
  • 副反应躲不掉。D-He3 的反应速率最多只有 D-D 的 3.56 倍，烧着烧着氘和氘自己撞上了，D-D 有一半概率出中子。中子功率份额取决于温度和配比：威斯康星的计算（Kulcinski、Schmitt 等，1989 年报告图 4）显示，氦-3 多配一些、温度够高，中子份额可以从 D-T 的 80% 压到 5% 上下，最好情况 1% 到 3%——是"少一个量级"，不是"零"；
  • JET 在 1980 年代末确实烧出过 D-He3 的 100 千瓦级聚变功率，证明反应能发生，但离发电差着六个数量级。

牛津大学的 Frank Close 2007 年在《Physics World》上写过一篇著名的泼冷水文章《Fears over factoids》：他算了 D-He3 在托卡马克里的反应链，结论是氘会抢先和氘反应生成氚，最后你在托卡马克里烧的还是 D-T——"月球氦-3 的故事，在我看来，就是私酿威士忌（moonshine，双关：月亮上的妄想）"。Close 的托卡马克逻辑是对的，但今天的主流 D-He3 玩家（Helion 的场反位形）恰恰不用托卡马克的路径，直接用脉冲磁场加热、质子直接发电——Close 的批评打不到他们身上，可他们的装置也还没证明自己。

一句话：D-He3 是真物理、硬条件、缺燃料。前两个问题砸钱能解，第三个问题只能上月球。

七、月球氦-3：矿是有的，账要算清

月球的卖点只有一个：没有磁场、没有大气，太阳风 40 多亿年来直灌表面，把氦-3 存进了月壤。1986 年，威斯康星大学的 Wittenberg、Santarius 和 Kulcinski 发了开山之作《Lunar Source of He-3 for Commercial Fusion Power》（《Fusion Technology》10 卷 167 页）：阿波罗样品显示月壤含氦-3 约 10 亿公斤（100 万吨），提取一公斤氦-3 耗能约 2400 吉焦，而一公斤氦-3 聚变放出 60 万吉焦——能量回报率约 250 倍。这篇论文是整个"月球能源"叙事的源头，合作者里后来加入了阿波罗 17 号宇航员、唯一登月的专业地质学家 Harrison Schmitt。

但紧接着是三个冷水数字：

  • 浓度极低：月壤含氦-3 只有十亿分之几（1.4 到 15 ppb），淘 150 吨月壤才得 1 克；
  • 月壤得翻着烧：经典方案要加热到 600 到 700 摄氏度才能把氦赶出来，月球上能源极其金贵；
  • 矿区有讲究：富集区在月海（钛铁矿多的地方），约占月球表面两成，藏在月壤最上层的几米里。

这个"100 万吨"估算四十年里被反复修订（俄罗斯韦尔纳茨基研究所的 Slyuta 等人 2007 年给出的可采储量比它保守得多），Fegley 和 Swindle 1993 年在《Resources of Near-Earth Space》里的评估算是学界基准：总量大、浓度低、开采成本是决定一切的变量。

八、中国的一克月壤：把"怎么存、怎么掏"摸清了

2020 年嫦娥五号带回 1731 克月壤，中科院宁波材料技术与工程研究所分到 1 克。2022 年 6 月，他们和航天五院钱学森空间技术实验室、中科院物理所、南京大学的联合团队（通讯作者：许巍、霍军涛、王军强、白海洋；三位院士压阵：物理所汪卫华、航天科技集团杨孟飞、南京大学邹志刚）在《Materials Futures》上发了一篇封面文章，把氦-3 在月壤里的"存法"拍了出来：

  • 钛铁矿颗粒表面有一层约 50 纳米厚的非晶玻璃，玻璃层里挤满了 5 到 25 纳米的氦气泡，气泡里氦原子数密度高达每立方纳米 50 到 192 个；
  • 机理是：太阳风的氦先注进钛铁矿晶格，晶体里扩散快存不住，反倒是无序堆积的玻璃层把它拦下，越攒越多成了气泡；
  • 由此推出一条新采法：不用烧到 700 度，常温机械破碎就能把气泡里的氦-3 释放出来；钛铁矿还带弱磁性，可以磁选富集——采矿、选矿、提取三步都比老方案省能得多。

团队据此估算，以气泡形式储在月球钛铁矿里的氦-3 总量可达 26 万吨——比经典的"月壤吸附"口径更集中，也更可采。同一时期，中核集团核工业北京地质研究院的李军杰团队用嫦娥五号样品做了阶段升温提取实验，确定了月壤氦-3 的最佳萃取温度参数，给资源总量评估铺了地基。

中国的探月工程官方口径一直把氦-3 列为目标资源——首席科学家欧阳自远院士 2014 年对媒体说过"月球氦-3够人类用一万年"级别的话（这个"一万年"的原始出处就是威斯康星的估算被转引）。嫦娥七号（计划 2026 年发射，目标月球南极）和嫦娥八号（2028 年，验证月面建造技术）都会继续摸家底。

九、商业闯入者：Interlune 把估值表改了

四十年来"月球氦-3"都是论文词汇，2024 年起变成了公司词汇。西雅图的 Interlune（2020 年成立）是全场焦点，创始阵容豪华：CEO Rob Meyerson（前蓝色起源总裁，2003-2018 年在任）、执行董事长 Harrison Schmitt（阿波罗 17 号登月宇航员）、CTO Gary Lai（前蓝色起源工程师）。时间线全是公司官网新闻稿可查的：

  • 2024 年 3 月：种子轮 1800 万美元；
  • 2025 年 5 月：美国能源部从一家"太空资源公司"手里买氦-3——史上头一遭；同时 unveiled 与农机制造商 Vermeer 合作的全尺寸月壤挖掘机原型（设计能力每小时 100 吨月壤）；
  • 2025 年 9 月：与芬兰 Bluefors 签约——2028 到 2037 年每年供应最多 1 万升氦-3，合同规模约 3 亿美元，人类第一份月球资源商业订单；同月拿到得州太空委员会 480 万美元建研发设施；
  • 2026 年 5 月：NASA 授予 690 万美元 SBIR 三期合同，开发 2028 年登月（Astrolab FLIP 漫游车任务）的月壤气体提取与测量载荷；
  • 2026 年 7 月："冷捕集"低温蒸馏技术在地球上先落地：从 A 级氦气里提出 99% 纯度氦-3。

注意一个容易被忽略的事实：Interlune 的商业闭环根本不靠聚变。氦-3 今天约 2000 万美元一公斤，客户是量子计算制冷机、稀释制冷、国土安全探测——这些市场按"升"购买就足以养活公司。聚变是叙事的终点，不是现金流的起点。公司已签近 5 亿美元具约束力采购协议，买家全是制冷和量子行业。

对面 中国的路线是国家工程：嫦娥七号、八号、国际月球科研站（ILRS，2030 年代），把氦-3 列为长期资源目标。美国这边是 Artemis 协定 + 商业公司。1967 年《外空条约》禁止主权占有天体，但对"开采归谁"故意留白——2015 年美国《商业航天发射竞争法》率先给本国民企开了"采了归你"的口子，Artemis 协定接着把"安全区"概念国际化，中俄则不认这一套。燃料还没挖到，规则先打起来了。

十、泼冷水的也得听

月球氦-3 的批评阵营里分量最重的两份文献：

  • Crawford（2015，《Progress in Physical Geography》39 卷 137 页）：伦敦大学伯贝克学院行星科学家 Ian Crawford 的月球资源总评。他的结论很克制也很扎心：*找不出任何一种月球资源，单凭自己就能撑起一个月球采掘业*——氦-3 的商业价值被"exaggerated（夸大）"；若只为能源，月面光伏加微波输电比挖土运氦划算得多；
  • Simko 和 Gray（2014，《World Futures Review》6 卷 158 页）：把经济账摆上台面——建一座年产 1 吨氦-3 的月球矿大约要 170 亿美元，而那一吨燃料的"燃料价值"约 37 亿美元。结论取决于你信不信 D-He3 电站真的会建：信，这就是好生意；不信，这就是为不存在的产品修矿。

加上 Close 的物理批评和 D-Day 等《Space Review》评论员的"魔法思维"之说，反对派的论点归纳起来就三条：D-He3 聚变还没证明、开采成本没人真正算清过、月壤浓度数据来自阿波罗的几个点外推全月。这三条至今没有被正面击破——被击破的只是"氦-3 不存在"和"永远不可能开采"这两个极端说法：嫦娥五号把存法看清了，Interlune 把买家找齐了，NASA 把载荷合同给出去了。

十一、把家底连成一张图

```聚变燃料金字塔（自下而上：越靠下越便宜可靠）

氦-3 ~2000万美元/公斤 | 地球年产~1kg | 月球或有百万吨级└── D-He3 电站不存在，先有矿才有堆锂-6 富集产能是瓶颈 | 每堆囤50-100吨 | 60%富集红线└── 包层增殖的原料，第一代堆必须解决氚 全球库存20-27kg | 年衰变5.5% | CANDU年产~2kg└── 没有矿，聚变堆自己养自己（增殖包层）氘 海洋约5万亿吨 | 每GW年烧~40kg└── 供应链问题不存在，唯一不用操心```

判断也可以给得很直白：

  1. D-T 路线的燃料问题，答案在包层里，不在矿里——增殖比 1.05 是及格线，考不过一切归零；
  2. 锂-6 富集是五年内必须补的产能课，技术不难，难的是永不再用汞、不碰防扩散红线；
  3. 氦-3 聚变是"期货的期货"：先得有月面工业，先得有 D-He3 电站，先得有买得起燃料的市场。但有趣的是，量子计算和国家安全已经把"月氦-3"的中间市场养起来了——第一批商业买家买的是每升几万美元的制冷剂，不是每吨几十亿的聚变燃料；
  4. 月球氦-3 该当矿业项目评估，别当能源神话听：浓度、提取能、运输成本三个数，每一条都比"够用一万年"更诚实。

参考文献

所有条目的作者、机构、卷期均已逐条核实。

  1. L.J. Wittenberg, J.F. Santarius, G.L. Kulcinski, *Lunar Source of He-3 for Commercial Fusion Power*, Fusion Technology 10(2), 167–178 (1986), DOI: 10.13182/FST86-A24972.（威斯康星大学聚变技术研究所 FTI / 核工程与工程物理系）
  2. G.L. Kulcinski, H.H. Schmitt, E.N. Cameron, I.N. Sviatoslavsky, *Mining Helium-3 from the Moon – A Solution to the Earth's Energy Needs in the 21st Century*, UWFDM-817（1989 年 11 月，宣读于 1990 SME 年会，盐湖城）.（威斯康星大学聚变技术研究所；Schmitt 为阿波罗 17 号宇航员）
  3. L.J. Wittenberg, E.N. Cameron, G.L. Kulcinski, S.H. Ott, J.F. Santarius, G.I. Sviatoslavsky, I.N. Sviatoslavsky, H. Thompson, *A Review of Helium-3 Resources and Acquisition for Use as Fusion Fuel*, Fusion Technology 21(4), 2230–2253 (1992).（威斯康星大学 + Wisconsin Center for Space Automation and Robotics）
  4. G.L. Kulcinski, H.H. Schmitt, *Fusion Power from Lunar Resources*, Fusion Technology 21, 2221–2229 (1992).
  5. B. Fegley Jr., T.D. Swindle, *Lunar Volatiles: Implications for Lunar Resource Utilization*, 载 *Resources of Near-Earth Space*（University of Arizona Press, 1993）, pp. 367–426.
  6. Ao Li, Xiao Chen, Lijian Song, Guoxin Chen, Wei Xu, Juntao Huo, …, Jun-Qiang Wang, Haiyang Bai, Zhigang Zou, Mengfei Yang, Weihua Wang, *Taking advantage of glass: capturing and retaining the helium gas on the moon*, Materials Futures 1(3), 035101 (2022), DOI: 10.1088/2752-5724/ac74af.（中科院宁波材料技术与工程研究所 + 航天五院钱学森空间技术实验室 + 中科院物理所 + 南京大学联合团队）
  7. I.A. Crawford, *Lunar resources: A review*, Progress in Physical Geography 39(2), 137–167 (2015), DOI: 10.1177/0309133314567585.（伦敦大学伯贝克学院地球与行星科学系）
  8. T. Simko, M. Gray, *Lunar Helium-3 Fuel for Nuclear Fusion: Technology, Economics, and Resources*, World Futures Review 6(2), 158–171 (2014), DOI: 10.1177/1946756714536142.（Simko：Australian Energy Advancements；Gray：澳大利亚国立大学 ANU）
  9. F. Close, *Fears over factoids*, Physics World, 2007 年 8 月号, pp. 16–17.（牛津大学理论物理教授）
  10. E.N. Slyuta, A.M. Abdrakhimov, E.M. Galimov, *The estimation of helium-3 probable reserves in lunar regolith*, 38th Lunar and Planetary Science Conference, Abstract #2175 (2007).（俄罗斯科学院韦尔纳茨基地质与分析化学研究所）
  11. M. Abdou, M. Riva, A. Ying, C. Day, A. Loarte, L.R. Baylor, P. Humrickhouse, T.F. Fuerst, S. Cho, *Physics and technology considerations for the deuterium–tritium fuel cycle and conditions for tritium fuel self sufficiency*, Nuclear Fusion 61, 013001 (2021).（UCLA / KIT / ITER 组织 / ORNL / INL / 韩国NFRI）
  12. N.K. Węgrzynowski, A.M. Little, T.L. Martin, T.B. Scott, *Getting the Balance Right – Considerations of Lithium Enrichment for the Fusion Fuel Cycle with a Focus on Nuclear Non-Proliferation*, Joule 10(8), 102596 (2026).（布里斯托大学物理系 / Cabot 研究所）
  13. N.J. Lopes Cardozo, R.J. Pearson, S.H. Ward, T.B. Scott, *Lithium enrichment threatens to curb fusion deployment*, Joule (2026), DOI: 10.1016/j.joule.2025.101997.
  14. D. Clery, *Out of gas*, Science 376, 1372–1376 (2022), DOI: 10.1126/science.add5098.
  15. 美国国会众议院科学与技术委员会调查与监督小组委员会听证会，*Helium-3 Supply Shortage*（2010 年 4 月 22 日，govinfo.gov CHRG-111hhrg57170）.
  16. U.S. Government Accountability Office, *Nuclear Weapons: National Nuclear Security Administration Needs to Ensure Continued Availability of Tritium for the Weapons Stockpile*, GAO-11-100 (2010 年 10 月).
  17. Interlune 公司官方新闻（interlune.space Media Center）：种子轮（2024-03-13）；美国能源部采购氦-3 与全尺寸挖掘机原型（2025-05-07）；Bluefors 长期供货协议（2025-09-16）；得州 480 万美元研发设施（2025-09-02）；NASA 690 万美元 SBIR III 合同（2026-05-04）；Cold Capture 地面氦-3 提取技术（2026-07-20）。
  18. IEEE Spectrum, *Interlune Aims to Mine the Moon for Helium-3*（2024 年，Schmitt 与 Meyerson 访谈）.