編譯 苦山

2020年，加拿大核實驗室向英國的大型聚變反應堆“歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應爐”（JET）交付了5個內(nèi)襯軟木以吸收沖擊的鋼桶。每個桶里都有一個可樂罐大小的鋼瓶，瓶中裝著一縷氫氣——僅重10克，相當于幾張紙那么輕。

這不是普通的氫，而是氫稀有的放射性同位素氚，其原子核由兩個中子和一個質子構成。氚的價格為每克3萬美元，幾乎和鉆石一樣珍貴，但對于核聚變研究人員來說，這物有所值。氚與它的同位素姐妹氘在高溫下結合時，兩種氣體便可以像太陽一樣燃燒。只要核聚變科學家找出有效激發(fā)這一反應的方法，它就可以提供大量的清潔能源。

2021年，來自加拿大的氚為JET的一項實驗提供了燃料，該實驗顯示核聚變研究正在接近一個重要的臨界點，即反應堆產(chǎn)生的能量超過為反應提供的能量。JET達到了這個平衡點的1/3，為國際熱核聚變實驗堆（ITER）在未來十年內(nèi)開始氘-氚聚變后突破平衡點提供了保證，ITER是一個位于法國、類似于JET的在建反應堆，體積為JET的兩倍。JET的等離子操作專家費爾南達·里米尼（Fernanda Rimini）表示：“我們的發(fā)現(xiàn)與預測相符?！?/p>

但是，核聚變科學家意識到，這一成就可能會是一場得不償失的勝利。ITER預計將消耗全球大部分的氚，留給后續(xù)反應堆的氚將會變得極少。

核聚變的擁護者時常宣稱，聚變反應堆的燃料將會變得廉價、充裕。對于氘來說確實如此：海洋中，大約每5 000個氫原子中就有一個是氘，它的價格大約是每克13美元。但是，氚的半衰期為12.3年，天然氚是宇宙射線轟擊的產(chǎn)物，只微量存在于地球的高層大氣中。核反應堆也能生成少量的氚，但這些氚很少被收集。

大多數(shù)核聚變科學家對這個問題不屑一顧，認為未來的反應堆可以生產(chǎn)出他們需要的氚。如果反應堆內(nèi)壁襯有金屬鋰，聚變反應中釋放的高能中子就可以將鋰分裂成氦和氚。盡管電動汽車對鋰電池有需求，但鋰的儲量仍相對充足。

但是有一個問題：為了生產(chǎn)氚，你需要一個正常工作的核聚變反應堆，然而第一代核聚變發(fā)電站可能都沒有足夠的氚來啟動。目前全球范圍內(nèi)，氚唯一的商業(yè)來源是19座加拿大氘鈾核反應堆（CANDU），每座反應堆每年產(chǎn)生約0.5公斤作為廢棄產(chǎn)物的氚，但這些反應堆有一半將在十年內(nèi)退役。根據(jù)ITER 2018年研究計劃的預測，目前可用的氚存量（據(jù)估計約為25公斤）將在十年內(nèi)達到峰值，之后會隨著它的出售和衰變而穩(wěn)步下降。

ITER的第一組實驗將使用氫和氘，不產(chǎn)生凈能量。但是據(jù)ITER科學部門的負責人阿爾貝托·洛瓦爾特（Alberto Loarte）估計，一旦開啟了產(chǎn)生能量的氘-氚反應，反應堆每年將消耗多達1公斤的氚。“它將消耗大量現(xiàn)有的氚存量?！彼硎尽Ｏ胍贗TER之后點燃反應堆的核聚變科學家可能會發(fā)現(xiàn)ITER已經(jīng)“喝光了他們的奶昔”。

雪上加霜的是，一些人認為氚的增殖可能無法勝任增加氚存量的任務。氚增殖從未在聚變反應堆中測試過，而在最近的一次模擬實驗中，加州大學洛杉磯分校的核工程師穆罕默德·阿卜杜（Mohamed Abdou）和他的同事發(fā)現(xiàn)，在最好的情況下，一座發(fā)電反應堆只能產(chǎn)生比它自身所需燃料略多的氚。氚泄漏或長時間的停運維護則將蠶食掉這點微小的盈余。

氚的稀缺并不是核聚變面臨的唯一挑戰(zhàn)，該領域的研究者還必須學會應對時斷時續(xù)的操作、等離子體的湍流暴發(fā)和中子損傷等問題。但是，對于從普林斯頓等離子體物理實驗室退休的等離子體物理學家和知名的氘-氚聚變能源批評者丹尼爾·賈斯比（Daniel Jassby）來說，氚緊缺的問題顯得尤為突出。他說，這對整個核聚變事業(yè)來說可能是致命的?！斑@使得氘-氚聚變反應堆無法成為現(xiàn)實?！?/p>

2022年5月，工程師開始組裝ITER的反應堆容器。第一次氚燃燒定于2035年

如果沒有CANDU反應堆，氘-氚聚變將是一個遙不可及的夢想?！皩θ虻暮司圩兎磻讯?，最幸運的事情是CANDU反應堆會產(chǎn)生副產(chǎn)品氚。”阿卜杜說。許多核反應堆使用普通水來冷卻堆芯并“緩和”鏈式反應，減慢中子的速度，使它們更有可能觸發(fā)裂變。然而CANDU反應堆使用重水，其中氘取代了氫，因為它吸收的中子較少，能夠留下更多的中子以引發(fā)裂變。但有時，氘原子核會捕獲一個中子，轉化為氚。

如果重水中積聚過多的氚，就有可能造成輻射危害，因此運營商頻繁地將重水送到加拿大安大略省電力公司這家公用事業(yè)公司進行“降解”。安省電力公司會過濾掉其中的氚，每年售出約100克，它們主要被用作醫(yī)用放射性同位素，或是用于夜光表盤和應急指示牌。“這真是一個很棒的變廢為寶的故事?！奔幽么蠛藢嶒炇业囊炼鳌たㄋ沟俾裕↖an Castillo）如是說，該實驗室是安省電力公司的分銷商。

聚變反應堆將大大增加對氚的需求。安省電力公司的副總裁杰森·范瓦特（Jason Van Wart）預計，自21世紀30年代起，ITER和其他新建的聚變反應堆將開始消耗氚，屆時每年的氚出貨量將達到2公斤。他表示：“我們的部署是盡可能提取更多的氚?！?/p>

但是，隨著CANDU反應堆退役（其中許多已運行了50年或更久），氚供應量將會下降。研究人員在20多年前就意識到核聚變的“氚窗口”終將關閉，自那時以來，情況變得更加糟糕了。ITER最初計劃在2010—2015年間啟動，并在十年內(nèi)開始燃燒氘-氚，但其啟動已經(jīng)被推遲到了2025年，而且由于新冠大流行和法國核監(jiān)管機構要求的安全檢查，啟動可能會再次延后。也就是說，ITER最早要到2035年才會開始燃燒氘-氚，那時氚的供應量將接近枯竭。

根據(jù)ITER的預測，等到ITER在21世紀50年代完成任務后，全球剩余的氚將不多于5公斤。歐洲核聚變研究機構的聚變技術主管詹弗蘭科·費德里西（Gianfranco Federici）承認，在最糟糕的情況下，“會缺少足夠的氚來滿足ITER之后的聚變需求?！?/p>

一些私營公司正在設計更小的聚變反應堆，這種反應堆的建造成本更低，而且（至少在運行初期）使用的氚更少。位于馬薩諸塞州的初創(chuàng)公司“聯(lián)邦核聚變系統(tǒng)”表示，它已經(jīng)為其緊湊型的原型堆和早期示范反應堆確保了氚供應，預計在開發(fā)過程中只需要不到1公斤的氚。

但是，中國、韓國和美國政府計劃建造的大型試驗反應堆中，每座反應堆都可能需要幾公斤的氚。不僅如此，為了接替ITER，歐洲和聚變研究機構計劃再建造一座名為DEMO的巨型機器，它會需要更多的氚。DEMO預計會比ITER大50%，它將作為發(fā)電站為電網(wǎng)提供500兆瓦的電力。

聚變反應堆通常需要大量的氚進行啟動，因為聚變只發(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反應堆容器“托卡馬克裝置”中，只有很少的氚被燃燒。研究人員預計ITER燃燒的氚量不到其注入量的1%，其余的氚將擴散到托卡馬克裝置的邊緣，并被掃入回收系統(tǒng)。回收系統(tǒng)將從廢氣中除去氦和其他雜質，留下氘-氚混合物，這些同位素混合物隨后會被分離并送回反應堆。這可能需要幾個小時到幾天的時間。

DEMO的設計者正在研究如何來減少啟動反應時對氚的需求。DEMO燃料循環(huán)設計項目負責人、卡爾斯魯厄理工學院的克里斯蒂安·戴（Christian Day）表示：“我們需要一個低氚（啟動）庫存。如果你需要20公斤氚才能裝滿它，那就有麻煩了?！?/p>

降低氚需求的方法之一是將冷凍的燃料顆粒發(fā)射到反應堆燃燒區(qū)的更深處，這樣燃燒效率更高。另一個方法是利用金屬箔作為過濾器快速去除雜質，并且將氘-氚同位素混合物直接注入機器而不分離它們，從而將回收時間縮短到20分鐘。戴說，這樣的氘-氚混合物可能不是完美的1:1比例，但對于一個正常工作的反應堆來說也足夠接近了。

但阿卜杜說，DEMO的胃口可能仍舊會很大。他和他的同事模擬了包括DEMO及其接替者在內(nèi)的發(fā)電反應堆的氘-氚燃料循環(huán)。他們估算的因素包括了氘-氚燃料的燃燒效率、回收未燃燒燃料所需的時長，以及反應堆運行的那一小段時間。在2021年發(fā)表于《核聚變》期刊的一篇論文中，研究小組得出結論稱，僅DEMO就需要5至14公斤氚才能開始運行，而該反應堆預計在21世紀50年代啟動，屆時的氚存量將難以滿足這一需求。

即使DEMO團隊和ITER之后的其他反應堆的設計者能夠減少他們對氚的需求，假如不能成功實現(xiàn)氚增殖，核聚變也難以擁有未來。據(jù)阿卜杜說，一座生產(chǎn)3吉瓦電力的商業(yè)核聚變發(fā)電站每年將燃燒167公斤氚，這相當于數(shù)百個CANDU反應堆的氚產(chǎn)量。

氚增殖的挑戰(zhàn)在于核聚變不能產(chǎn)生足夠的中子，這與核裂變不同，后者的鏈式反應釋放出的中子數(shù)量會呈指數(shù)級增長。在聚變反應中，每一次氘-氚反應只能產(chǎn)生一個中子，形成一個氚原子核。由于增殖系統(tǒng)無法捕獲所有這些中子，它們需要中子倍增材料的幫助，這種材料在被一個中子擊中時，會產(chǎn)出兩個中子。工程師計劃將鋰與倍增材料（如鈹或鉛）混合在反應堆壁上的包層中。

ITER將成為第一個試驗氚增殖包層的聚變反應堆。測試將包括液體包層（鋰和鉛的熔融混合物）以及固體“球床”（含鋰的陶瓷球與鈹球相混合）。由于成本削減，ITER將僅在600平方米的反應堆內(nèi)部鋪設4平方米的增殖系統(tǒng)。ITER之后的核聚變反應堆將需要盡可能多覆蓋表面，才能有機會滿足它們對氚的需求。

氚可以連續(xù)提取，也可以在預定的反應堆停機期間提取，具體取決于鋰是液態(tài)還是固態(tài)，但增殖過程必須持續(xù)進行。氚增殖包層還有第二個任務：從中子吸收數(shù)吉瓦的能量并將其轉化為熱能。在熱包層內(nèi)輸送水或加壓氦的管道將吸收熱量并產(chǎn)生蒸汽，從而驅動發(fā)電渦輪機?！斑@一切都發(fā)生在聚變反應堆的超高真空、中子轟擊和高磁場環(huán)境中，”ITER的工程設計主管馬里奧·梅羅拉（Mario Merola）說，“這是一項工程挑戰(zhàn)。”

對阿卜杜和他的同事而言，這不僅僅是一個挑戰(zhàn)——這大概率是一項不可能的挑戰(zhàn)。他們的分析發(fā)現(xiàn)，以目前的技術（主要根據(jù)ITER的情況確定），氚增殖包層產(chǎn)生的氚最多只能比反應堆消耗的氚多15%。但該研究得出的結論是，實際數(shù)據(jù)更有可能是5%，而這個盈余量微小得令人憂慮。

作者確定的一個關鍵因素是反應堆的停機時間，也就是氚增殖停止但同位素繼續(xù)衰變的那段時間。只有當反應堆運行超過50%的時間，才能保證氚增殖的可持續(xù)性，但這對于像ITER這樣的實驗反應堆來說幾乎是不可能的，而對于像DEMO這樣需要停機來微調以優(yōu)化性能的原型堆來說也很困難。阿卜杜說，如果以現(xiàn)有的托卡馬克裝置作為參考，那么故障發(fā)生的間隔時間可能是幾個小時或幾天，而維修則需要幾個月的時間。他說，未來的反應堆可能難以運行超過5%的時間。

為了使氚增殖具有可持續(xù)性，運營者還需要控制氚泄漏。對賈斯比來說，這才是真正的致命之處。氚會透過微小的空隙從反應堆的金屬堆壁逸出，這一點令它“臭名昭著”。阿卜杜的分析中預估損失率為0.1%?！拔艺J為這不現(xiàn)實，”賈斯比說，“想想它要經(jīng)過的所有地方吧。”氚要穿過復雜的反應堆和再處理系統(tǒng)?！澳憬?jīng)不起任何氚的損失?！?/p>

兩家私營核聚變公司決定干脆放棄氚燃料。位于美國加州的初創(chuàng)公司“三阿爾法能源科技”計劃使用普通氫和硼，而位于華盛頓州的初創(chuàng)公司“氦核”則將使用氘和氦-3（一種罕見的氦同位素）。這些反應需要比氘-氚反應更高的溫度，但是這些公司認為，為了避免氚帶來的麻煩，這是值得付出的代價。三阿爾法的首席執(zhí)行官米歇爾·賓德鮑爾（Michl Binderbauer）說：“我們公司的存在要歸功于氚的稀缺和令人討厭?！?/p>

這些替代性的核聚變反應還有額外的吸引力，即會產(chǎn)生較少的中子甚至不產(chǎn)生中子，這避免了氘-氚聚變可能造成的材料損傷和放射性。賓德鮑爾說，由于沒有中子，三阿爾法的反應堆（以粒子束穩(wěn)定旋轉的等離子體環(huán)）可以使用40年。這種反應堆的挑戰(zhàn)在于溫度：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。

氦核的氘和氦-3燃料所需的燃燒溫度僅為2億度，它的實現(xiàn)使用了類似于三阿爾法的等離子體環(huán)，但要經(jīng)過磁場壓縮。然而，氦-3雖然穩(wěn)定，卻幾乎和氚一樣稀有且難以獲得。它的大多數(shù)商業(yè)來源依賴于氚的衰變，通常來自軍事儲備。不過，氦核公司的首席執(zhí)行官大衛(wèi)·柯特利（David Kirtley）表示，他的團隊可以通過在燃料混合物中加入額外的氘來生成氘-氘聚變反應，從而增殖氦-3。“這個系統(tǒng)的成本要低得多，更容易取得燃料，也更容易操作?！彼f。

盡管如此，傳統(tǒng)氘-氚聚變的支持者認為，通過建造更多的裂變反應堆，可以擴大氚的供應。世界各地的軍隊使用氚來提高核武器的產(chǎn)量，并利用專門建造或改裝的商業(yè)核反應堆建立了自己的氚儲備。

例如，美國能源部就利用了商用反應堆（由田納西河谷管理局運營的瓦茨巴1號和2號機組），其中用鋰控制棒取代了部分硼控制棒?？刂瓢魰徊粫r移除處理以提取氚。20世紀80年代和90年代，普林斯頓等離子體物理實驗室有一座氘-氚燃燒反應堆，當時美國能源部為其提供了氚。但費德里西并不認為該機構或全球各國的軍方會涉足氚的出售業(yè)務?！皣纼涞碾安惶赡鼙还蚕怼！彼f。

也許世界能看到CANDU技術的復興。韓國有四座CANDU反應堆和一座氚提取工廠，但并未對其進行商業(yè)銷售。羅馬尼亞有兩座，且正在建設一個氚設施。中國有幾座CANDU反應堆，印度建造了一些基于CANDU改進的反應堆。它們可以通過在堆芯中加入鋰棒或者在重水慢化劑中摻入鋰來增加氚產(chǎn)量。但是，卡勒姆聚變能源中心的邁克爾·科瓦里（Michael Kovari）及其同事在2018年發(fā)表于《核聚變》的一篇論文中提出，這種調整可能會面臨監(jiān)管阻礙，因為它們或許會影響反應堆的安全性，也因為氚本身具有危險性。

有人說聚變反應堆可以通過只使用氘來生產(chǎn)出自己啟動所需的氚。但是氘-氘反應在托卡馬克裝置所用的溫度下效率極低，而且它不僅不會產(chǎn)生能量，還將消耗大量電能。根據(jù)科瓦里的研究，氘-氘反應的氚增殖法每生產(chǎn)1公斤氚可能要花費20億美元?？仆呃镎f，所有這些解決方案“都會造成重大的經(jīng)濟和監(jiān)管難題”。

在數(shù)十年的核聚變研究中，等離子體物理學家一直專注于追求突破平衡點、生產(chǎn)出多余的能量。賈斯比說，他們認為諸如“獲取足夠的氚”這樣的問題只是“微不足道”的工程細節(jié)。但隨著反應堆的產(chǎn)能接近平衡點，阿卜杜等核工程師表示，是時候開始擔心工程細節(jié)了，它們可遠非微不足道?！鞍堰@些問題拖到以后解決將是一個巨大錯誤?！?/p>

資料來源Science