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2020年，加拿大核實(shí)驗(yàn)室向位于英國(guó)的大型核聚變反應(yīng)堆“歐洲聯(lián)合環(huán)流器”（Joint European Torus ，JET）交付了5個(gè)鋼桶，桶內(nèi)鋪著軟木以吸收沖擊。每個(gè)桶里都有一個(gè)可樂(lè)罐大小的鋼瓶，瓶里裝著一縷氫氣——只有10克，重量相當(dāng)于幾張紙。
這不是普通的氫，而是氫稀有的放射性同位素氚，氚的原子核由兩個(gè)中子和一個(gè)質(zhì)子構(gòu)成。1克氚的價(jià)格為3萬(wàn)美元，幾乎和鉆石一樣昂貴，但對(duì)于核聚變支持者來(lái)說(shuō)，它物有所值。氚在高溫下與其同位素兄弟氘結(jié)合，便可以像太陽(yáng)一樣燃燒。只要人們能找到激發(fā)核聚變的有效方法，這種反應(yīng)便能提供無(wú)盡的清潔能源。
2021年，來(lái)自加拿大的氚為JET的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)提供了燃料，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)證明了人類的核聚變反應(yīng)正在接近一個(gè)重要的臨界值：聚變反應(yīng)堆產(chǎn)生的能量超過(guò)為反應(yīng)所投入的能量。通常，人們用Q值（能量輸出輸入之比）來(lái)表示，只有Q值大于1，聚變反應(yīng)裝置才能用于發(fā)電。JET已經(jīng)達(dá)到了約0.67。
這一成果也為國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）在未來(lái)十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)Q值1的突破提供了保證，ITER是一個(gè)正在法國(guó)建設(shè)、類似于JET的聚變反應(yīng)堆，體積是JET的兩倍。不過(guò)，《科學(xué)》（www.science.com）網(wǎng)站近日的一篇文章分析表示，這一勝利可能會(huì)得不償失。因?yàn)榈侥菚r(shí)，ITER將消耗掉人類目前掌握的大部分氚，留給后續(xù)聚變反應(yīng)堆的氚將極少。ITER初期的實(shí)驗(yàn)將使用氫和氘，不產(chǎn)生凈能量。然而，一旦它開(kāi)始產(chǎn)生凈能量的氘-氚燃燒，反應(yīng)堆每年將消耗多達(dá)1公斤的氚。
核聚變支持者們一向宣稱，聚變反應(yīng)堆燃料廉價(jià)且充裕。對(duì)于氘來(lái)說(shuō)，這無(wú)可否認(rèn)：海洋中，大約每5000個(gè)氫原子中就有一個(gè)是氘，它的售價(jià)約為每克13美元。但氚的半衰期為12.3年，天然氚是宇宙射線轟擊的產(chǎn)物，只在地球高層大氣中微量存在。鏈?zhǔn)胶朔磻?yīng)堆也能產(chǎn)生少量的氚，但很少被收集。
大多數(shù)聚變研究者對(duì)此不屑一顧，認(rèn)為未來(lái)的核聚變反應(yīng)堆可以生產(chǎn)出需要的氚。如果反應(yīng)堆內(nèi)壁襯有金屬鋰，聚變反應(yīng)中釋放的高能中子可以將鋰分裂成氦和氚，而鋰資源在地球上相對(duì)充足。
但問(wèn)題是，為了增殖氚，人們需要有一個(gè)正常工作的聚變反應(yīng)堆，而第一代核聚變發(fā)電站很有可能都沒(méi)有足夠的氚來(lái)啟動(dòng)。目前，全球范圍內(nèi)氚的唯一商業(yè)來(lái)源是19座加拿大氘鈾核反應(yīng)堆（CANDU，又稱坎杜反應(yīng)堆，是一種加壓重水反應(yīng)堆設(shè)計(jì)），每個(gè)反應(yīng)堆每年產(chǎn)生約0.5公斤氚，但這些核反應(yīng)堆中的一半將在十年內(nèi)退役。根據(jù)ITER 2018年的推測(cè)，可用氚的庫(kù)存將在十年內(nèi)達(dá)到峰值，之后會(huì)隨著氚的出售和衰變而穩(wěn)步下降。目前全球氚的存量約為25公斤。

圖一：氚的供應(yīng)量趨勢(shì)

雪上加霜的是，一些人認(rèn)為氚增殖可能無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)。氚增殖從未在聚變反應(yīng)堆中測(cè)試過(guò)，而在最近的一次模擬中，加州大學(xué)洛杉磯分校的核工程師穆罕默德·阿卜杜（Mohamed Abdou）和他的同事們發(fā)現(xiàn)，在最好的情況下，一個(gè)能產(chǎn)生凈能量的聚變反應(yīng)堆產(chǎn)生的氚只比其自身燃料所需的氚略多。氚泄漏或反應(yīng)堆較長(zhǎng)時(shí)間的停運(yùn)維護(hù)將蠶食掉這一微小的紅利。
氚的稀缺并不是聚變反應(yīng)堆面臨的唯一挑戰(zhàn)，運(yùn)營(yíng)者還必須學(xué)會(huì)處理等離子體的湍流暴發(fā)和中子損傷等問(wèn)題。但在普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室（PPPL）前工作人員、等離子體物理學(xué)家丹尼爾·賈斯比（Daniel Jassby）看來(lái)，氚緊缺的問(wèn)題迫在眉睫。“這對(duì)整個(gè)核聚變事業(yè)來(lái)說(shuō)，可能會(huì)是致命的一擊?！辟Z斯比對(duì)《科學(xué)》表示。
氚的唯一商業(yè)來(lái)源——CANDU反應(yīng)堆面臨退役
如果沒(méi)有CANDU反應(yīng)堆，氘-氚聚變將是一個(gè)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的夢(mèng)想?！皩?duì)于全球核聚變反應(yīng)堆而言，最幸運(yùn)的是可以利用CANDU反應(yīng)堆產(chǎn)生的副產(chǎn)品氚?！卑⒉范耪f(shuō)。
許多核反應(yīng)堆使用普通水來(lái)冷卻堆芯，緩和鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，減慢中子的速度，使它們更容易引發(fā)裂變。但CANDU反應(yīng)堆使用重水，其中以氘代替氫，因?yàn)樗盏闹凶虞^少，能夠留下更多的中子用于裂變。但偶爾，氘原子核會(huì)捕獲一個(gè)中子，轉(zhuǎn)化為氚。
如果重水中積聚過(guò)多的氚，則可能會(huì)發(fā)生輻射危害，因此運(yùn)營(yíng)商經(jīng)常將重水送到加拿大安大略發(fā)電公司（OPG）進(jìn)行“降解”。安大略發(fā)電公司會(huì)過(guò)濾掉氚并將其出售，每年的售量約為100克，這些氚主要用作一種醫(yī)用放射性同位素，或者用于夜光手表表盤和應(yīng)急標(biāo)志。
聚變反應(yīng)堆將大大增加對(duì)氚的需求。安大略發(fā)電公司的副總裁杰森.范.瓦特（Jason Van Wart）預(yù)計(jì)，從2030年后，當(dāng)ITER和其它核聚變初創(chuàng)公司將開(kāi)始燃燒氚，每年氚的出貨量會(huì)達(dá)到2公斤。
但隨著CANDU（其中許多已運(yùn)行了50年或更長(zhǎng)時(shí)間）退役，氚的供應(yīng)量將下降，聚變反應(yīng)堆的“氚窗”最終可能會(huì)砰然關(guān)閉。ITER最初計(jì)劃在2010年左右啟動(dòng)，并在十年內(nèi)開(kāi)始燃燒氘-氚。但其啟動(dòng)被推遲到了2025年，并且由于新冠疫情和法國(guó)核監(jiān)管機(jī)構(gòu)要求的安全檢查，可能會(huì)再次延后。因此，ITER最早可能要到2035年才會(huì)燃燒氘-氚，那時(shí)氚的供應(yīng)量將面臨枯竭。
根據(jù)ITER的預(yù)測(cè)，一旦ITER在2050年后結(jié)束工作，全球?qū)⒅皇Ｏ?公斤或更少的氚。最壞的情況可能是，“在ITER之后，沒(méi)有足夠的氚來(lái)滿足核聚變反應(yīng)堆的需求?！睔W洲核聚變研究機(jī)構(gòu)（EuroFusion）聚變技術(shù)主管詹弗蘭科.費(fèi)德里西（Gianfranco Federici）說(shuō)。

圖二：位于法國(guó)的ITER聚變反應(yīng)堆裝置

一些私營(yíng)公司正在設(shè)計(jì)更小的聚變反應(yīng)堆，在運(yùn)行初期能夠使用更少的氚。美國(guó)馬薩諸塞州的一家初創(chuàng)公司“聯(lián)邦核聚變系統(tǒng)”（Commonwealth Fusion Systems）表示，它已經(jīng)為其緊湊型的原型堆和早期示范反應(yīng)堆確保了氚供應(yīng)，預(yù)計(jì)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中需要不到1公斤的氚。
不過(guò)，中國(guó)、韓國(guó)和美國(guó)政府計(jì)劃的大型試驗(yàn)聚變反應(yīng)堆中，每個(gè)堆每年可能都需要幾公斤氚。根據(jù)歐洲核聚變研究機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)，ITER的繼任者DEMO還需要更多的氚，DEMO將比ITER大50%，屆時(shí)其將作為一個(gè)示范發(fā)電站，為電網(wǎng)提供500兆瓦的電力。
聚變反應(yīng)堆通常需要大量的氚進(jìn)行啟動(dòng)，因?yàn)榫圩冎话l(fā)生在電離氣體等離子體最熱的部分。這意味著在甜甜圈形狀的托卡馬克裝置（一種利用磁約束來(lái)實(shí)現(xiàn)受控核聚變的環(huán)形容器）中，很少的氚被燃燒。研究人員預(yù)計(jì)，ITER燃燒的氚量不到其注入量的1%；其余的氚將擴(kuò)散到托卡馬克裝置的邊緣，并被掃入回收系統(tǒng)。
為此，DEMO的設(shè)計(jì)者正在研究一些方法，來(lái)減少啟動(dòng)聚變反應(yīng)時(shí)對(duì)氚的需求。一種方法是將冷凍的燃料顆粒發(fā)射到反應(yīng)堆的深度燃燒區(qū)，在那里它們將更有效地燃燒。另一種方法是將回收時(shí)間縮短到20分鐘，利用金屬箔作為過(guò)濾器快速去除雜質(zhì)，并將氚直接送回機(jī)器中而不是分離它們。
但阿卜杜表示，DEMO的胃口可能仍然很大。他和同事模擬了包括DEMO在內(nèi)的反應(yīng)堆中的氘-氚燃料循環(huán)，得出結(jié)論，僅DEMO就需要5公斤到14公斤的氚才能啟動(dòng)，超過(guò)預(yù)計(jì)該反應(yīng)堆在2050年后啟動(dòng)時(shí)可能獲得的氚量。
利用核聚變本身實(shí)現(xiàn)氚增殖挑戰(zhàn)重重
不過(guò)，即使DEMO團(tuán)隊(duì)和其它的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)者能夠減少其對(duì)氚的需求，如果不能成功實(shí)現(xiàn)氚增殖，核聚變也將沒(méi)有未來(lái)。根據(jù)阿卜杜的觀點(diǎn)，一個(gè)年產(chǎn)3吉瓦電的商業(yè)核聚變工廠每年將燃燒167公斤氚——這相當(dāng)于數(shù)百個(gè)CANDU反應(yīng)堆的氚產(chǎn)量。
氚增殖的挑戰(zhàn)在于，核聚變不能產(chǎn)生足夠的中子，這與裂變不同，裂變是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，釋放出的中子數(shù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。在核聚變中，每次氘-氚反應(yīng)只產(chǎn)生一個(gè)中子，形成1個(gè)氚原子核。因此，反應(yīng)堆的增殖系統(tǒng)需要中子倍增材料的幫助，當(dāng)被1個(gè)中子撞擊，倍增材料會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)中子。工程師計(jì)劃將鋰與倍增材料（如鈹或鉛）混合在反應(yīng)堆壁層的“毯子”中。

圖三：聚變反應(yīng)堆使用“增殖毯”的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

ITER將成為第一個(gè)試驗(yàn)“增殖毯”的聚變反應(yīng)堆。測(cè)試將包括液體毯（鋰和鉛的熔融混合物）以及固體“卵石床”（含有鋰與鈹球混合的陶瓷球）。由于成本削減，ITER將在600平方米的反應(yīng)堆內(nèi)部?jī)H鋪設(shè)4平方米的增殖材料。ITER之后的聚變反應(yīng)堆將需要覆蓋住盡可能多的表面，才有機(jī)會(huì)滿足對(duì)氚的需求。
不過(guò)，阿卜杜和他的同事們分析發(fā)現(xiàn)，以目前的技術(shù)，并根據(jù)ITER的情況估計(jì)，“增殖毯”產(chǎn)生的氚最多只能比反應(yīng)堆消耗的氚多15%，而這個(gè)數(shù)字更有可能是5%。
另一個(gè)影響氚增殖的因素是反應(yīng)堆停機(jī)時(shí)間。當(dāng)氚增殖停止，但同位素繼續(xù)衰變。只有當(dāng)反應(yīng)堆運(yùn)行超過(guò)50%的時(shí)間時(shí)，可持續(xù)性才能得到保證。
無(wú)論是對(duì)于像ITER這樣的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆，還是對(duì)DEMO這樣需要停機(jī)進(jìn)行調(diào)整以優(yōu)化性能的原型堆而言，這樣的運(yùn)行時(shí)間都很難保證。阿卜杜說(shuō)，如果以現(xiàn)有的托卡馬克裝置為參照，故障發(fā)生的間隔時(shí)間可能是數(shù)小時(shí)或數(shù)天，維修將需要數(shù)月。他說(shuō)，未來(lái)的聚變反應(yīng)堆可能很難運(yùn)行超過(guò)5%的時(shí)間。
此外，為了使氚增值具有可持續(xù)性，運(yùn)營(yíng)者還需要控制氚泄漏。氚會(huì)通過(guò)微小的間隙從反應(yīng)堆的金屬反應(yīng)堆壁逸出。阿卜杜的分析假設(shè)損失率為0.1%。但賈斯比認(rèn)為不止如此，當(dāng)氚經(jīng)過(guò)復(fù)雜的反應(yīng)堆和后處理系統(tǒng)時(shí)，“想想它會(huì)去的所有地方。” 賈斯比說(shuō)。
聚變反應(yīng)堆放棄氚燃料可以嗎？
在這樣的情況下，有兩家核聚變私營(yíng)公司決定干脆放棄氚燃料。
位于美國(guó)加州的初創(chuàng)公司“三氦能源科技”（TAE Technologies）計(jì)劃使用普通氫和硼，而位于美國(guó)華盛頓州初創(chuàng)公司“氦核”（Helion）則將融合氘和氦-3——一種稀有的氦同位素。這些反應(yīng)需要比氘-氚更高的溫度，但兩家公司認(rèn)為，為了避免氚帶來(lái)的麻煩，這是值得付出的代價(jià)。
這些替代性的聚變反應(yīng)堆還有附加的吸引力，那就是產(chǎn)生更少的、甚至不產(chǎn)生中子，這避免了氘-氚聚變?cè)斐傻牟牧蠐p傷和放射性。 TAE公司的首席執(zhí)行官米歇爾·賓德鮑（Michl Binderbauer）說(shuō)，在沒(méi)有中子的情況下，TAE公司的反應(yīng)器（粒子束穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)的等離子體環(huán)）能夠維持40年。但這種模式的反應(yīng)堆主要的挑戰(zhàn)來(lái)自于溫度：氘-氚聚變需要1.5億攝氏度，而普通氫和硼則需要10億攝氏度。
Helion公司的燃料是氚和氦-3，燃燒溫度為2億攝氏度，它使用類似于TAE的等離子體環(huán)，但要經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)壓縮。不過(guò)，氦-3雖然穩(wěn)定，但幾乎和氚一樣稀有，并難以獲得。它的大多數(shù)商業(yè)來(lái)源依賴于氚的衰變。Helion的首席執(zhí)行官大衛(wèi).科特里（David Kirtley ）表示，通過(guò)在燃料混合物中加入額外的氘，可以發(fā)生氘-氘聚變反應(yīng)，從而產(chǎn)生氦-3。
盡管如此，傳統(tǒng)氘-氚聚變倡導(dǎo)者認(rèn)為，通過(guò)建造更多的裂變反應(yīng)堆，可以擴(kuò)大氚的供應(yīng)。目前，一些擁有核武器的國(guó)家專門建造或改裝了商業(yè)核反應(yīng)堆，建立了自己的氚庫(kù)存。美國(guó)能源部在20世紀(jì)80年代和90年代為普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室提供了氚，當(dāng)時(shí)該實(shí)驗(yàn)室有一個(gè)氘-氚燃燒反應(yīng)堆。但費(fèi)德里西并不認(rèn)為該機(jī)構(gòu)或世界各地的軍隊(duì)會(huì)參與銷售氚的業(yè)務(wù)?！半暗膰?guó)防儲(chǔ)備不太可能被分享，”他說(shuō)。
或者也許，世界可以看到CANDU技術(shù)的復(fù)興。韓國(guó)有四座CANDU反應(yīng)堆和一座提取氚的工廠，但沒(méi)有進(jìn)行商業(yè)銷售。羅馬尼亞有兩個(gè)，并且正在建設(shè)一個(gè)氚設(shè)施。中國(guó)有幾個(gè)CANDU反應(yīng)堆。他們可以通過(guò)在堆芯中添加鋰棒，或用鋰摻雜重水慢化劑來(lái)增加氚的產(chǎn)量。不過(guò)這種做法可能會(huì)損害反應(yīng)堆的安全性，并且氚本身也具有危險(xiǎn)。
在核聚變幾十年的研究中，等離子體物理學(xué)家一心一意地追求著對(duì)聚變反應(yīng)堆Q值的突破，希望反應(yīng)堆能產(chǎn)生多余的能量。賈斯比說(shuō)，他們認(rèn)為其它問(wèn)題，例如獲得足夠的氚，只是“微不足道”的工程。但隨著反應(yīng)堆離臨界值越來(lái)越近，是時(shí)候開(kāi)始擔(dān)心遠(yuǎn)非微不足道的工程細(xì)節(jié)了?！鞍褑?wèn)題拖到以后只會(huì)大錯(cuò)特錯(cuò)?！卑⒉范耪f(shuō)。