聚變反應(yīng)或?qū)⒃庥鋈剂衔C(jī)

編譯 苦山

2020年，加拿大核實(shí)驗(yàn)室向英國(guó)的大型聚變反應(yīng)堆“歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應(yīng)爐”（JET）交付了5個(gè)內(nèi)襯軟木以吸收沖擊的鋼桶。每個(gè)桶里都有一個(gè)可樂罐大小的鋼瓶，瓶中裝著一縷氫氣——僅重10克，相當(dāng)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(gè)中子和一個(gè)質(zhì)子構(gòu)成。氚的價(jià)格為每克3萬(wàn)美元，幾乎和鉆石一樣珍貴，但對(duì)于核聚變研究人員來(lái)說(shuō)，這物有所值。氚與它的同位素姐妹氘在高溫下結(jié)合時(shí)，兩種氣體便可以像太陽(yáng)一樣燃燒。只要核聚變科學(xué)家找出有效激發(fā)這一反應(yīng)的方法，它就可以提供大量的清潔能源。

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，該實(shí)驗(yàn)顯示核聚變研究正在接近一個(gè)重要的臨界點(diǎn)，即反應(yīng)堆產(chǎn)生的能量超過(guò)為反應(yīng)提供的能量。JET達(dá)到了這個(gè)平衡點(diǎn)的1/3，為國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）在未來(lái)十年內(nèi)開始氘-氚聚變后突破平衡點(diǎn)提供了保證，ITER是一個(gè)位于法國(guó)、類似于JET的在建反應(yīng)堆，體積為JET的兩倍。JET的等離子操作專家費(fèi)爾南達(dá)·里米尼（Fernanda Rimini）表示：“我們的發(fā)現(xiàn)與預(yù)測(cè)相符。”

但是，核聚變科學(xué)家意識(shí)到，這一成就可能會(huì)是一場(chǎng)得不償失的勝利。ITER預(yù)計(jì)將消耗全球大部分的氚，留給后續(xù)反應(yīng)堆的氚將會(huì)變得極少。

核聚變的擁護(hù)者時(shí)常宣稱，聚變反應(yīng)堆的燃料將會(huì)變得廉價(jià)、充裕。對(duì)于氘來(lái)說(shuō)確實(shí)如此：海洋中，大約每5 000個(gè)氫原子中就有一個(gè)是氘，它的價(jià)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(yīng)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(xué)家對(duì)這個(gè)問(wèn)題不屑一顧，認(rèn)為未來(lái)的反應(yīng)堆可以生產(chǎn)出他們需要的氚。如果反應(yīng)堆內(nèi)壁襯有金屬鋰，聚變反應(yīng)中釋放的高能中子就可以將鋰分裂成氦和氚。盡管電動(dòng)汽車對(duì)鋰電池有需求，但鋰的儲(chǔ)量仍相對(duì)充足。

但是有一個(gè)問(wèn)題：為了生產(chǎn)氚，你需要一個(gè)正常工作的核聚變反應(yīng)堆，然而第一代核聚變發(fā)電站可能都沒有足夠的氚來(lái)啟動(dòng)。目前全球范圍內(nèi)，氚唯一的商業(yè)來(lái)源是19座加拿大氘鈾核反應(yīng)堆（CANDU），每座反應(yīng)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(yīng)堆有一半將在十年內(nèi)退役。根據(jù)ITER 2018年研究計(jì)劃的預(yù)測(cè)，目前可用的氚存量（據(jù)估計(jì)約為25公斤）將在十年內(nèi)達(dá)到峰值，之后會(huì)隨著它的出售和衰變而穩(wěn)步下降。

ITER的第一組實(shí)驗(yàn)將使用氫和氘，不產(chǎn)生凈能量。但是據(jù)ITER科學(xué)部門的負(fù)責(zé)人阿爾貝托·洛瓦爾特（Alberto Loarte）估計(jì)，一旦開啟了產(chǎn)生能量的氘-氚反應(yīng)，反應(yīng)堆每年將消耗多達(dá)1公斤的氚?！八鼘⑾拇罅楷F(xiàn)有的氚存量?！彼硎?。想要在ITER之后點(diǎn)燃反應(yīng)堆的核聚變科學(xué)家可能會(huì)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(rèn)為氚的增殖可能無(wú)法勝任增加氚存量的任務(wù)。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實(shí)驗(yàn)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）和他的同事發(fā)現(xiàn)，在最好的情況下，一座發(fā)電反應(yīng)堆只能產(chǎn)生比它自身所需燃料略多的氚。氚泄漏或長(zhǎng)時(shí)間的停運(yùn)維護(hù)則將蠶食掉這點(diǎn)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(lǐng)域的研究者還必須學(xué)會(huì)應(yīng)對(duì)時(shí)斷時(shí)續(xù)的操作、等離子體的湍流暴發(fā)和中子損傷等問(wèn)題。但是，對(duì)于從普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室退休的等離子體物理學(xué)家和知名的氘-氚聚變能源批評(píng)者丹尼爾·賈斯比（Daniel Jassby）來(lái)說(shuō)，氚緊缺的問(wèn)題顯得尤為突出。他說(shuō)，這對(duì)整個(gè)核聚變事業(yè)來(lái)說(shuō)可能是致命的?！斑@使得氘-氚聚變反應(yīng)堆無(wú)法成為現(xiàn)實(shí)?！?/p>

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

如果沒有CANDU反應(yīng)堆，氘-氚聚變將是一個(gè)遙不可及的夢(mèng)想?！皩?duì)全球的核聚變反應(yīng)堆而言，最幸運(yùn)的事情是CANDU反應(yīng)堆會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)品氚?！卑⒉范耪f(shuō)。許多核反應(yīng)堆使用普通水來(lái)冷卻堆芯并“緩和”鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，減慢中子的速度，使它們更有可能觸發(fā)裂變。然而CANDU反應(yīng)堆使用重水，其中氘取代了氫，因?yàn)樗盏闹凶虞^少，能夠留下更多的中子以引發(fā)裂變。但有時(shí)，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，就有可能造成輻射危害，因此運(yùn)營(yíng)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(jìn)行“降解”。安省電力公司會(huì)過(guò)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(yīng)急指示牌?！斑@真是一個(gè)很棒的變廢為寶的故事?！奔幽么蠛藢?shí)驗(yàn)室的伊恩·卡斯蒂略（Ian Castillo）如是說(shuō)，該實(shí)驗(yàn)室是安省電力公司的分銷商。

聚變反應(yīng)堆將大大增加對(duì)氚的需求。安省電力公司的副總裁杰森·范瓦特（Jason Van Wart）預(yù)計(jì)，自21世紀(jì)30年代起，ITER和其他新建的聚變反應(yīng)堆將開始消耗氚，屆時(shí)每年的氚出貨量將達(dá)到2公斤。他表示：“我們的部署是盡可能提取更多的氚。”

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

根據(jù)ITER的預(yù)測(cè)，等到ITER在21世紀(jì)50年代完成任務(wù)后，全球剩余的氚將不多于5公斤。歐洲核聚變研究機(jī)構(gòu)的聚變技術(shù)主管詹弗蘭科·費(fèi)德里西（Gianfranco Federici）承認(rèn)，在最糟糕的情況下，“會(huì)缺少足夠的氚來(lái)滿足ITER之后的聚變需求。”

一些私營(yíng)公司正在設(shè)計(jì)更小的聚變反應(yīng)堆，這種反應(yīng)堆的建造成本更低，而且（至少在運(yùn)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(yīng)堆確保了氚供應(yīng)，預(yù)計(jì)在開發(fā)過(guò)程中只需要不到1公斤的氚。

但是，中國(guó)、韓國(guó)和美國(guó)政府計(jì)劃建造的大型試驗(yàn)反應(yīng)堆中，每座反應(yīng)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(jī)構(gòu)計(jì)劃再建造一座名為DEMO的巨型機(jī)器，它會(huì)需要更多的氚。DEMO預(yù)計(jì)會(huì)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(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反應(yīng)堆容器“托卡馬克裝置”中，只有很少的氚被燃燒。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)?；厥障到y(tǒng)將從廢氣中除去氦和其他雜質(zhì)，留下氘-氚混合物，這些同位素混合物隨后會(huì)被分離并送回反應(yīng)堆。這可能需要幾個(gè)小時(shí)到幾天的時(shí)間。

DEMO的設(shè)計(jì)者正在研究如何來(lái)減少啟動(dòng)反應(yīng)時(shí)對(duì)氚的需求。DEMO燃料循環(huán)設(shè)計(jì)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、卡爾斯魯厄理工學(xué)院的克里斯蒂安·戴（Christian Day）表示：“我們需要一個(gè)低氚（啟動(dòng)）庫(kù)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(yīng)堆燃燒區(qū)的更深處，這樣燃燒效率更高。另一個(gè)方法是利用金屬箔作為過(guò)濾器快速去除雜質(zhì)，并且將氘-氚同位素混合物直接注入機(jī)器而不分離它們，從而將回收時(shí)間縮短到20分鐘。戴說(shuō)，這樣的氘-氚混合物可能不是完美的1:1比例，但對(duì)于一個(gè)正常工作的反應(yīng)堆來(lái)說(shuō)也足夠接近了。

但阿卜杜說(shuō)，DEMO的胃口可能仍舊會(huì)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(yīng)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(shí)長(zhǎng)，以及反應(yīng)堆運(yùn)行的那一小段時(shí)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(jié)論稱，僅DEMO就需要5至14公斤氚才能開始運(yùn)行，而該反應(yīng)堆預(yù)計(jì)在21世紀(jì)50年代啟動(dòng)，屆時(shí)的氚存量將難以滿足這一需求。

即使DEMO團(tuán)隊(duì)和ITER之后的其他反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)者能夠減少他們對(duì)氚的需求，假如不能成功實(shí)現(xiàn)氚增殖，核聚變也難以擁有未來(lái)。據(jù)阿卜杜說(shuō)，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(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，這與核裂變不同，后者的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)釋放出的中子數(shù)量會(huì)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。在聚變反應(yīng)中，每一次氘-氚反應(yīng)只能產(chǎn)生一個(gè)中子，形成一個(gè)氚原子核。由于增殖系統(tǒng)無(wú)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(gè)中子擊中時(shí)，會(huì)產(chǎn)出兩個(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)堆壁上的包層中。

ITER將成為第一個(gè)試驗(yàn)氚增殖包層的聚變反應(yīng)堆。測(cè)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(yīng)堆內(nèi)部鋪設(shè)4平方米的增殖系統(tǒng)。ITER之后的核聚變反應(yīng)堆將需要盡可能多覆蓋表面，才能有機(jī)會(huì)滿足它們對(duì)氚的需求。

氚可以連續(xù)提取，也可以在預(yù)定的反應(yīng)堆停機(jī)期間提取，具體取決于鋰是液態(tài)還是固態(tài)，但增殖過(guò)程必須持續(xù)進(jìn)行。氚增殖包層還有第二個(gè)任務(wù)：從中子吸收數(shù)吉瓦的能量并將其轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)發(fā)電渦輪機(jī)?！斑@一切都發(fā)生在聚變反應(yīng)堆的超高真空、中子轟擊和高磁場(chǎng)環(huán)境中，”ITER的工程設(shè)計(jì)主管馬里奧·梅羅拉（Mario Merola）說(shuō)，“這是一項(xiàng)工程挑戰(zhàn)?！?/p>

對(duì)阿卜杜和他的同事而言，這不僅僅是一個(gè)挑戰(zhàn)——這大概率是一項(xiàng)不可能的挑戰(zhàn)。他們的分析發(fā)現(xiàn)，以目前的技術(shù)（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(yīng)堆消耗的氚多15%。但該研究得出的結(jié)論是，實(shí)際數(shù)據(jù)更有可能是5%，而這個(gè)盈余量微小得令人憂慮。

作者確定的一個(gè)關(guān)鍵因素是反應(yīng)堆的停機(jī)時(shí)間，也就是氚增殖停止但同位素繼續(xù)衰變的那段時(shí)間。只有當(dāng)反應(yīng)堆運(yùn)行超過(guò)50%的時(shí)間，才能保證氚增殖的可持續(xù)性，但這對(duì)于像ITER這樣的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆來(lái)說(shuō)幾乎是不可能的，而對(duì)于像DEMO這樣需要停機(jī)來(lái)微調(diào)以優(yōu)化性能的原型堆來(lái)說(shuō)也很困難。阿卜杜說(shuō)，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(shí)間可能是幾個(gè)小時(shí)或幾天，而維修則需要幾個(gè)月的時(shí)間。他說(shuō)，未來(lái)的反應(yīng)堆可能難以運(yùn)行超過(guò)5%的時(shí)間。

為了使氚增殖具有可持續(xù)性，運(yùn)營(yíng)者還需要控制氚泄漏。對(duì)賈斯比來(lái)說(shuō)，這才是真正的致命之處。氚會(huì)透過(guò)微小的空隙從反應(yīng)堆的金屬堆壁逸出，這一點(diǎn)令它“臭名昭著”。阿卜杜的分析中預(yù)估損失率為0.1%。“我認(rèn)為這不現(xiàn)實(shí)，”賈斯比說(shuō)，“想想它要經(jīng)過(guò)的所有地方吧?！彪耙┻^(guò)復(fù)雜的反應(yīng)堆和再處理系統(tǒng)。“你經(jīng)不起任何氚的損失?！?/p>

兩家私營(yíng)核聚變公司決定干脆放棄氚燃料。位于美國(guó)加州的初創(chuàng)公司“三阿爾法能源科技”計(jì)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(yīng)需要比氘-氚反應(yīng)更高的溫度，但是這些公司認(rèn)為，為了避免氚帶來(lái)的麻煩，這是值得付出的代價(jià)。三阿爾法的首席執(zhí)行官米歇爾·賓德鮑爾（Michl Binderbauer）說(shuō)：“我們公司的存在要?dú)w功于氚的稀缺和令人討厭。”

這些替代性的核聚變反應(yīng)還有額外的吸引力，即會(huì)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(shuō)，由于沒有中子，三阿爾法的反應(yīng)堆（以粒子束穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)的等離子體環(huán)）可以使用40年。這種反應(yīng)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(shí)現(xiàn)使用了類似于三阿爾法的等離子體環(huán)，但要經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)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(lái)源依賴于氚的衰變，通常來(lái)自軍事儲(chǔ)備。不過(guò)，氦核公司的首席執(zhí)行官大衛(wèi)·柯特利（David Kirtley）表示，他的團(tuán)隊(duì)可以通過(guò)在燃料混合物中加入額外的氘來(lái)生成氘-氘聚變反應(yīng)，從而增殖氦-3?！斑@個(gè)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(shuō)。

盡管如此，傳統(tǒng)氘-氚聚變的支持者認(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)。世界各地的軍隊(duì)使用氚來(lái)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(yīng)堆建立了自己的氚儲(chǔ)備。

例如，美國(guó)能源部就利用了商用反應(yīng)堆（由田納西河谷管理局運(yùn)營(yíng)的瓦茨巴1號(hào)和2號(hào)機(jī)組），其中用鋰控制棒取代了部分硼控制棒?？刂瓢魰?huì)被不時(shí)移除處理以提取氚。20世紀(jì)80年代和90年代，普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室有一座氘-氚燃燒反應(yīng)堆，當(dāng)時(shí)美國(guó)能源部為其提供了氚。但費(fèi)德里西并不認(rèn)為該機(jī)構(gòu)或全球各國(guó)的軍方會(huì)涉足氚的出售業(yè)務(wù)。“國(guó)防儲(chǔ)備的氚不太可能被共享?！彼f(shuō)。

也許世界能看到CANDU技術(shù)的復(fù)興。韓國(guó)有四座CANDU反應(yīng)堆和一座氚提取工廠，但并未對(duì)其進(jìn)行商業(yè)銷售。羅馬尼亞有兩座，且正在建設(shè)一個(gè)氚設(shè)施。中國(guó)有幾座CANDU反應(yīng)堆，印度建造了一些基于CANDU改進(jìn)的反應(yīng)堆。它們可以通過(guò)在堆芯中加入鋰棒或者在重水慢化劑中摻入鋰來(lái)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(diào)整可能會(huì)面臨監(jiān)管阻礙，因?yàn)樗鼈兓蛟S會(huì)影響反應(yīng)堆的安全性，也因?yàn)殡氨旧砭哂形ｋU(xiǎn)性。

有人說(shuō)聚變反應(yīng)堆可以通過(guò)只使用氘來(lái)生產(chǎn)出自己?jiǎn)?dòng)所需的氚。但是氘-氘反應(yīng)在托卡馬克裝置所用的溫度下效率極低，而且它不僅不會(huì)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(yīng)的氚增殖法每生產(chǎn)1公斤氚可能要花費(fèi)20億美元?？仆呃镎f(shuō)，所有這些解決方案“都會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)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(xué)家一直專注于追求突破平衡點(diǎn)、生產(chǎn)出多余的能量。賈斯比說(shuō)，他們認(rèn)為諸如“獲取足夠的氚”這樣的問(wèn)題只是“微不足道”的工程細(xì)節(jié)。但隨著反應(yīng)堆的產(chǎn)能接近平衡點(diǎn)，阿卜杜等核工程師表示，是時(shí)候開始擔(dān)心工程細(xì)節(jié)了，它們可遠(yuǎn)非微不足道?！鞍堰@些問(wèn)題拖到以后解決將是一個(gè)巨大錯(cuò)誤?！?/p>

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