地球還有多少“家當”？一起算筆“賬”｜國際清潔能源日

地?zé)峥赡苡泻芏喾N來源——地球形成之初，那些聚集成地球的隕石和塵埃的引力勢能的釋放；太陽和月球的潮汐對地球產(chǎn)生的形變的摩擦加熱；以及地球內(nèi)部的放射性物質(zhì)的衰變釋放的熱量。

地球中含有的熱能的總量大約是12.6×10^7焦耳，在地殼中有5.4×10^24焦耳，地球內(nèi)部向外自然散熱的總功率大約是4.2×10^13瓦。[] 但就目前人類的技術(shù)水平而言，那些地質(zhì)活動較為劇烈，有大量巖漿/熱液來到較淺的地層中的地區(qū)的地?zé)岵拍鼙焕谩１M管地球中含有巨量的熱能，但絕大多數(shù)都在人類無法觸及的地幔和地核中。

圖3：最大熵模型計算的地?zé)崂眠m宜度地圖。更深的顏色代表更適宜建造地?zé)犭娬尽?/p>

圖片來源：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959652620319211

04核能

4.1 裂變能

在地球上，最常見的易裂變核素是鈾235。但鈾235十分稀有，天然鈾中只有0.72%是鈾235。[8] 不過，另外兩種儲量更大的核素可以被轉(zhuǎn)化為易裂變核素，它們是鈾238（占天然鈾的99.27%）和釷232（占天然釷的99.98%）。[9]

釷礦

全球已知的釷礦的估計儲量（注意不是探明儲量）約為6.212×10^9千克（2019年數(shù)據(jù)）[10]。這個儲量比鈾的探明儲量要低，但釷在地殼中的含量（13毫克每千克）要比鈾（2.5毫克每千克）高許多[11]，所以目前已知的釷礦儲量之所以比鈾礦少，更有可能是因為釷在工業(yè)上應(yīng)用得很少，所以對其勘探的程度不深。

釷232在吸收一個中子后會變成釷233，隨后經(jīng)過數(shù)步衰變變成鈾233，鈾233可以吸收一個中子然后裂變，放出能量和更多的中子，讓這個循環(huán)能持續(xù)下去[12]。這個過程中，每千克釷232會放出7.94×10^13焦耳的能量[13]。

圖1 釷燃料循環(huán)

圖片來源：

https://energyeducation.ca/encyclopedia/Thorium_fuel_cycle

綜上，已發(fā)現(xiàn)的釷礦中釷的總能量約為4.93×10^23焦耳。

鈾資源

鈾有兩種較為穩(wěn)定的同位素：鈾235（占0.72%）和鈾238（占99.27%）。

其中，鈾235的裂變較為容易，吸收一個中子就能直接裂變，每個原子核的裂變放出193.4兆電子伏特的能量，也就是每千克放出7.939×10^13焦耳的能量[14]。

陸地上，鈾的探明儲量約為1.067×10^10千克（2022年數(shù)據(jù)）[15]。按0.72%計算，其中有約7.68×10^7千克的鈾235。

那么，已探明的鈾礦中鈾235的總能量約為6.097×10^21焦耳。這個能量和已探明的天然氣的總能量差不多。

但是自然界存在的鈾元素中絕大部分都是鈾238這種同位素，這種同位素也能釋放核能，就是稍微麻煩一些——鈾238先吸收一個快中子，變成鈾239，然后衰變成钚239，钚239再吸收一個中子就會裂變，放出能量和更多的中子，讓這個循環(huán)能繼續(xù)。[16] 在這個過程中，每千克鈾238會放出約8.06×10^13焦耳的能量。[17]

圖2 鈾燃料增殖

圖片來源：

https://www.nuclear-power.com/glossary/nuclear-breeding/

那么，在考慮鈾238燃料增殖的情況下，全球陸地鈾礦中已探明的鈾的總能量約為8.536×10^23焦耳。

在海洋中，鈾主要以三碳酸鈾酰離子（[UO2(CO3)]^4+）的形式存在[18]，每升海水中鈾的平均含量約為3.3微克[19]。全球海洋的總體積約為1.3324×10^9立方千米[20]。那么，海水中鈾的總量約為4.3969×10^12千克。雖然海水中的鈾資源很豐富，但由于提取成本較高，所以目前海水采鈾并非主流。

那么，在考慮鈾238增殖的情況下，海水中鈾的總能量約為3.5175×10^26焦耳。

4.2核聚變能

最為容易，反應(yīng)條件最低的核聚變反應(yīng)是氘和氚的聚變。

氚不穩(wěn)定，在自然界中幾乎不存在，但可以用中子轟擊鋰6來獲得。

另一種較為容易的聚變是氘-氘聚變，這種聚變比氘-氚聚變要困難一些，但海水中有大量的氘。

但要注意，目前人類并沒有有效利用核聚變的能量的技術(shù)。

鋰6（氘-氚聚變中氚的來源）

全球鋰的探明儲量約為2.6×10^10千克（2022年數(shù)據(jù)）[21]。 鋰中有4.85%是鋰6[22]。那么鋰6的探明儲量是1.261×10^9千克。

鋰6不能直接和氘反應(yīng)，需要先吸收一個中子變成氚 ：

n+6Li→T+4He (4.8MeV)

然后氚再和氘反應(yīng)：

D+T→n+4He (17.6MeV)

這兩個反應(yīng)都是放能反應(yīng)。[23] 整個反應(yīng)消耗了1個氘原子和1個鋰6原子，產(chǎn)生了22.4MeV能量。

鋰6的相對原子質(zhì)量是6.015。那么1千克鋰6與氘完全反應(yīng)后放出3.593×10^14焦耳的能量。

全部已探明可開采的鋰6與氘完全反應(yīng)（地球上氘的總量遠多于鋰6）總能量為4.53×10^23焦耳。

海水中的鋰總量約為224000兆噸=2.24×10^14千克[24]，那么海水中鋰6總量約為1.0864×10^13千克。

海水中的鋰6與氘完全反應(yīng)后釋放的總能量約為3.903×10^27焦耳。

氘

海水中氘的濃度大約是33克/立方米[25]。海洋的總體積約為1.3324×10^9立方千米。那么，海洋中氘的總量約為4.3969×10^16千克。

氘聚變中有兩個反應(yīng)：

（1）D+D→T+p（4.03MeV）

（2）D+D→3He+n (3.27MeV)

它們的產(chǎn)物T和3He都會和D繼續(xù)反應(yīng)：

D+T→4He+n (17.6MeV)

3He+D→4He+p (18.3Mev)。[26] 在完全反應(yīng)之后，消耗了6個氘原子，產(chǎn)生了43.2MeV能量。

1mol氘原子重2.014克[27]，那么氘完全反應(yīng)的能量密度約為3.449×10^14焦耳/千克。

綜上，海水中氘的總能量約為1.5165×10^31焦耳。

05 小結(jié)

作為對比，人類2023年的總能耗功率約為2.091×10^13瓦[28]，發(fā)電功率約為3.365×10^12瓦，2023年一年消耗了約6.595×10^20焦耳能量。讓我們看看這些能源的總量相當于人類文明2023年的能耗的幾倍。

天然氣（探明儲量）：6.58×10^21焦，相當于2023年人類能耗的9.9倍。

石油（探明儲量）：9.888×10^21焦，14.9倍。

煤炭（探明儲量）：2.2447×10^22焦，34倍。

可燃冰（估計總儲量）：3.5×10^23焦耳，530倍。

釷（已發(fā)現(xiàn)礦脈的估計儲量）：4.93×10^23焦，747倍。

鈾235（陸地，探明儲量）：6.097×10^21焦，9.245倍。

鈾（陸地，探明儲量）：8.536×10^23焦，1294倍。

鈾（海洋，總量）：3.5175×10^26焦，533358倍。

地?zé)幔ǖ貧ぃ茰y總量）：5.4×10^24焦，8188倍。

地?zé)幔ㄕ麄€地球，推測總量）：12.6×10^27焦，19105382倍。

鋰6（陸地，探明儲量）：4.53×10^23焦，686倍。

鋰6（海洋，總量）：3.903×10^27焦，6918119倍。

氘（總量）：1.5165×10^31焦，22994692949倍。

作者：康伊可 北京工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè) 本科生

審核：李瑞霞 國家地?zé)嶂行闹惺滦牵ū本┬履茉囱芯吭焊痹洪L、研究員

出品：科普中國

參考文獻：