聚变反应或将遭遇燃料危机

编译 苦山

2020年，加拿大核实验室向英国的大型聚变反应堆“欧洲联合环状反应炉”（JET）交付了5个内衬软木以吸收冲击的钢桶。每个桶里都有一个可乐罐大小的钢瓶，瓶中装着一缕氢气——仅重10克，相当于几张纸那么轻。

这不是普通的氢，而是氢稀有的放射性同位素氚，其原子核由两个中子和一个质子构成。氚的价格为每克3万美元，几乎和钻石一样珍贵，但对于核聚变研究人员来说，这物有所值。氚与它的同位素姐妹氘在高温下结合时，两种气体便可以像太阳一样燃烧。只要核聚变科学家找出有效激发这一反应的方法，它就可以提供大量的清洁能源。

2021年，来自加拿大的氚为JET的一项实验提供了燃料，该实验显示核聚变研究正在接近一个重要的临界点，即反应堆产生的能量超过为反应提供的能量。JET达到了这个平衡点的1/3，为国际热核聚变实验堆（ITER）在未来十年内开始氘-氚聚变后突破平衡点提供了保证，ITER是一个位于法国、类似于JET的在建反应堆，体积为JET的两倍。JET的等离子操作专家费尔南达·里米尼（Fernanda Rimini）表示：“我们的发现与预测相符。”

但是，核聚变科学家意识到，这一成就可能会是一场得不偿失的胜利。ITER预计将消耗全球大部分的氚，留给后续反应堆的氚将会变得极少。

核聚变的拥护者时常宣称，聚变反应堆的燃料将会变得廉价、充裕。对于氘来说确实如此：海洋中，大约每5 000个氢原子中就有一个是氘，它的价格大约是每克13美元。但是，氚的半衰期为12.3年，天然氚是宇宙射线轰击的产物，只微量存在于地球的高层大气中。核反应堆也能生成少量的氚，但这些氚很少被收集。

大多数核聚变科学家对这个问题不屑一顾，认为未来的反应堆可以生产出他们需要的氚。如果反应堆内壁衬有金属锂，聚变反应中释放的高能中子就可以将锂分裂成氦和氚。尽管电动汽车对锂电池有需求，但锂的储量仍相对充足。

但是有一个问题：为了生产氚，你需要一个正常工作的核聚变反应堆，然而第一代核聚变发电站可能都没有足够的氚来启动。目前全球范围内，氚唯一的商业来源是19座加拿大氘铀核反应堆（CANDU），每座反应堆每年产生约0.5公斤作为废弃产物的氚，但这些反应堆有一半将在十年内退役。根据ITER 2018年研究计划的预测，目前可用的氚存量（据估计约为25公斤）将在十年内达到峰值，之后会随着它的出售和衰变而稳步下降。

ITER的第一组实验将使用氢和氘，不产生净能量。但是据ITER科学部门的负责人阿尔贝托·洛瓦尔特（Alberto Loarte）估计，一旦开启了产生能量的氘-氚反应，反应堆每年将消耗多达1公斤的氚。“它将消耗大量现有的氚存量。”他表示。想要在ITER之后点燃反应堆的核聚变科学家可能会发现ITER已经“喝光了他们的奶昔”。

雪上加霜的是，一些人认为氚的增殖可能无法胜任增加氚存量的任务。氚增殖从未在聚变反应堆中测试过，而在最近的一次模拟实验中，加州大学洛杉矶分校的核工程师穆罕默德·阿卜杜（Mohamed Abdou）和他的同事发现，在最好的情况下，一座发电反应堆只能产生比它自身所需燃料略多的氚。氚泄漏或长时间的停运维护则将蚕食掉这点微小的盈余。

氚的稀缺并不是核聚变面临的唯一挑战，该领域的研究者还必须学会应对时断时续的操作、等离子体的湍流暴发和中子损伤等问题。但是，对于从普林斯顿等离子体物理实验室退休的等离子体物理学家和知名的氘-氚聚变能源批评者丹尼尔·贾斯比（Daniel Jassby）来说，氚紧缺的问题显得尤为突出。他说，这对整个核聚变事业来说可能是致命的。“这使得氘-氚聚变反应堆无法成为现实。”

2022年5月，工程师开始组装ITER的反应堆容器。第一次氚燃烧定于2035年

如果没有CANDU反应堆，氘-氚聚变将是一个遥不可及的梦想。“对全球的核聚变反应堆而言，最幸运的事情是CANDU反应堆会产生副产品氚。”阿卜杜说。许多核反应堆使用普通水来冷却堆芯并“缓和”链式反应，减慢中子的速度，使它们更有可能触发裂变。然而CANDU反应堆使用重水，其中氘取代了氢，因为它吸收的中子较少，能够留下更多的中子以引发裂变。但有时，氘原子核会捕获一个中子，转化为氚。

如果重水中积聚过多的氚，就有可能造成辐射危害，因此运营商频繁地将重水送到加拿大安大略省电力公司这家公用事业公司进行“降解”。安省电力公司会过滤掉其中的氚，每年售出约100克，它们主要被用作医用放射性同位素，或是用于夜光表盘和应急指示牌。“这真是一个很棒的变废为宝的故事。”加拿大核实验室的伊恩·卡斯蒂略（Ian Castillo）如是说，该实验室是安省电力公司的分销商。

聚变反应堆将大大增加对氚的需求。安省电力公司的副总裁杰森·范瓦特（Jason Van Wart）预计，自21世纪30年代起，ITER和其他新建的聚变反应堆将开始消耗氚，届时每年的氚出货量将达到2公斤。他表示：“我们的部署是尽可能提取更多的氚。”

但是，随着CANDU反应堆退役（其中许多已运行了50年或更久），氚供应量将会下降。研究人员在20多年前就意识到核聚变的“氚窗口”终将关闭，自那时以来，情况变得更加糟糕了。ITER最初计划在2010—2015年间启动，并在十年内开始燃烧氘-氚，但其启动已经被推迟到了2025年，而且由于新冠大流行和法国核监管机构要求的安全检查，启动可能会再次延后。也就是说，ITER最早要到2035年才会开始燃烧氘-氚，那时氚的供应量将接近枯竭。

根据ITER的预测，等到ITER在21世纪50年代完成任务后，全球剩余的氚将不多于5公斤。欧洲核聚变研究机构的聚变技术主管詹弗兰科·费德里西（Gianfranco Federici）承认，在最糟糕的情况下，“会缺少足够的氚来满足ITER之后的聚变需求。”

一些私营公司正在设计更小的聚变反应堆，这种反应堆的建造成本更低，而且（至少在运行初期）使用的氚更少。位于马萨诸塞州的初创公司“联邦核聚变系统”表示，它已经为其紧凑型的原型堆和早期示范反应堆确保了氚供应，预计在开发过程中只需要不到1公斤的氚。

但是，中国、韩国和美国政府计划建造的大型试验反应堆中，每座反应堆都可能需要几公斤的氚。不仅如此，为了接替ITER，欧洲和聚变研究机构计划再建造一座名为DEMO的巨型机器，它会需要更多的氚。DEMO预计会比ITER大50%，它将作为发电站为电网提供500兆瓦的电力。

聚变反应堆通常需要大量的氚进行启动，因为聚变只发生在电离气体等离子体最热的部分。这意味着在甜甜圈形状的反应堆容器“托卡马克装置”中，只有很少的氚被燃烧。研究人员预计ITER燃烧的氚量不到其注入量的1%，其余的氚将扩散到托卡马克装置的边缘，并被扫入回收系统。回收系统将从废气中除去氦和其他杂质，留下氘-氚混合物，这些同位素混合物随后会被分离并送回反应堆。这可能需要几个小时到几天的时间。

DEMO的设计者正在研究如何来减少启动反应时对氚的需求。DEMO燃料循环设计项目负责人、卡尔斯鲁厄理工学院的克里斯蒂安·戴（Christian Day）表示：“我们需要一个低氚（启动）库存。如果你需要20公斤氚才能装满它，那就有麻烦了。”

降低氚需求的方法之一是将冷冻的燃料颗粒发射到反应堆燃烧区的更深处，这样燃烧效率更高。另一个方法是利用金属箔作为过滤器快速去除杂质，并且将氘-氚同位素混合物直接注入机器而不分离它们，从而将回收时间缩短到20分钟。戴说，这样的氘-氚混合物可能不是完美的1:1比例，但对于一个正常工作的反应堆来说也足够接近了。

但阿卜杜说，DEMO的胃口可能仍旧会很大。他和他的同事模拟了包括DEMO及其接替者在内的发电反应堆的氘-氚燃料循环。他们估算的因素包括了氘-氚燃料的燃烧效率、回收未燃烧燃料所需的时长，以及反应堆运行的那一小段时间。在2021年发表于《核聚变》期刊的一篇论文中，研究小组得出结论称，仅DEMO就需要5至14公斤氚才能开始运行，而该反应堆预计在21世纪50年代启动，届时的氚存量将难以满足这一需求。

即使DEMO团队和ITER之后的其他反应堆的设计者能够减少他们对氚的需求，假如不能成功实现氚增殖，核聚变也难以拥有未来。据阿卜杜说，一座生产3吉瓦电力的商业核聚变发电站每年将燃烧167公斤氚，这相当于数百个CANDU反应堆的氚产量。

氚增殖的挑战在于核聚变不能产生足够的中子，这与核裂变不同，后者的链式反应释放出的中子数量会呈指数级增长。在聚变反应中，每一次氘-氚反应只能产生一个中子，形成一个氚原子核。由于增殖系统无法捕获所有这些中子，它们需要中子倍增材料的帮助，这种材料在被一个中子击中时，会产出两个中子。工程师计划将锂与倍增材料（如铍或铅）混合在反应堆壁上的包层中。

ITER将成为第一个试验氚增殖包层的聚变反应堆。测试将包括液体包层（锂和铅的熔融混合物）以及固体“球床”（含锂的陶瓷球与铍球相混合）。由于成本削减，ITER将仅在600平方米的反应堆内部铺设4平方米的增殖系统。ITER之后的核聚变反应堆将需要尽可能多覆盖表面，才能有机会满足它们对氚的需求。

氚可以连续提取，也可以在预定的反应堆停机期间提取，具体取决于锂是液态还是固态，但增殖过程必须持续进行。氚增殖包层还有第二个任务：从中子吸收数吉瓦的能量并将其转化为热能。在热包层内输送水或加压氦的管道将吸收热量并产生蒸汽，从而驱动发电涡轮机。“这一切都发生在聚变反应堆的超高真空、中子轰击和高磁场环境中，”ITER的工程设计主管马里奥·梅罗拉（Mario Merola）说，“这是一项工程挑战。”

对阿卜杜和他的同事而言，这不仅仅是一个挑战——这大概率是一项不可能的挑战。他们的分析发现，以目前的技术（主要根据ITER的情况确定），氚增殖包层产生的氚最多只能比反应堆消耗的氚多15%。但该研究得出的结论是，实际数据更有可能是5%，而这个盈余量微小得令人忧虑。

作者确定的一个关键因素是反应堆的停机时间，也就是氚增殖停止但同位素继续衰变的那段时间。只有当反应堆运行超过50%的时间，才能保证氚增殖的可持续性，但这对于像ITER这样的实验反应堆来说几乎是不可能的，而对于像DEMO这样需要停机来微调以优化性能的原型堆来说也很困难。阿卜杜说，如果以现有的托卡马克装置作为参考，那么故障发生的间隔时间可能是几个小时或几天，而维修则需要几个月的时间。他说，未来的反应堆可能难以运行超过5%的时间。

为了使氚增殖具有可持续性，运营者还需要控制氚泄漏。对贾斯比来说，这才是真正的致命之处。氚会透过微小的空隙从反应堆的金属堆壁逸出，这一点令它“臭名昭著”。阿卜杜的分析中预估损失率为0.1%。“我认为这不现实，”贾斯比说，“想想它要经过的所有地方吧。”氚要穿过复杂的反应堆和再处理系统。“你经不起任何氚的损失。”

两家私营核聚变公司决定干脆放弃氚燃料。位于美国加州的初创公司“三阿尔法能源科技”计划使用普通氢和硼，而位于华盛顿州的初创公司“氦核”则将使用氘和氦-3（一种罕见的氦同位素）。这些反应需要比氘-氚反应更高的温度，但是这些公司认为，为了避免氚带来的麻烦，这是值得付出的代价。三阿尔法的首席执行官米歇尔·宾德鲍尔（Michl Binderbauer）说：“我们公司的存在要归功于氚的稀缺和令人讨厌。”

这些替代性的核聚变反应还有额外的吸引力，即会产生较少的中子甚至不产生中子，这避免了氘-氚聚变可能造成的材料损伤和放射性。宾德鲍尔说，由于没有中子，三阿尔法的反应堆（以粒子束稳定旋转的等离子体环）可以使用40年。这种反应堆的挑战在于温度：氘-氚聚变需要1.5亿摄氏度，而普通氢和硼则需要10亿摄氏度。

氦核的氘和氦-3燃料所需的燃烧温度仅为2亿度，它的实现使用了类似于三阿尔法的等离子体环，但要经过磁场压缩。然而，氦-3虽然稳定，却几乎和氚一样稀有且难以获得。它的大多数商业来源依赖于氚的衰变，通常来自军事储备。不过，氦核公司的首席执行官大卫·柯特利（David Kirtley）表示，他的团队可以通过在燃料混合物中加入额外的氘来生成氘-氘聚变反应，从而增殖氦-3。“这个系统的成本要低得多，更容易取得燃料，也更容易操作。”他说。

尽管如此，传统氘-氚聚变的支持者认为，通过建造更多的裂变反应堆，可以扩大氚的供应。世界各地的军队使用氚来提高核武器的产量，并利用专门建造或改装的商业核反应堆建立了自己的氚储备。

例如，美国能源部就利用了商用反应堆（由田纳西河谷管理局运营的瓦茨巴1号和2号机组），其中用锂控制棒取代了部分硼控制棒。控制棒会被不时移除处理以提取氚。20世纪80年代和90年代，普林斯顿等离子体物理实验室有一座氘-氚燃烧反应堆，当时美国能源部为其提供了氚。但费德里西并不认为该机构或全球各国的军方会涉足氚的出售业务。“国防储备的氚不太可能被共享。”他说。

也许世界能看到CANDU技术的复兴。韩国有四座CANDU反应堆和一座氚提取工厂，但并未对其进行商业销售。罗马尼亚有两座，且正在建设一个氚设施。中国有几座CANDU反应堆，印度建造了一些基于CANDU改进的反应堆。它们可以通过在堆芯中加入锂棒或者在重水慢化剂中掺入锂来增加氚产量。但是，卡勒姆聚变能源中心的迈克尔·科瓦里（Michael Kovari）及其同事在2018年发表于《核聚变》的一篇论文中提出，这种调整可能会面临监管阻碍，因为它们或许会影响反应堆的安全性，也因为氚本身具有危险性。

有人说聚变反应堆可以通过只使用氘来生产出自己启动所需的氚。但是氘-氘反应在托卡马克装置所用的温度下效率极低，而且它不仅不会产生能量，还将消耗大量电能。根据科瓦里的研究，氘-氘反应的氚增殖法每生产1公斤氚可能要花费20亿美元。科瓦里说，所有这些解决方案“都会造成重大的经济和监管难题”。

在数十年的核聚变研究中，等离子体物理学家一直专注于追求突破平衡点、生产出多余的能量。贾斯比说，他们认为诸如“获取足够的氚”这样的问题只是“微不足道”的工程细节。但随着反应堆的产能接近平衡点，阿卜杜等核工程师表示，是时候开始担心工程细节了，它们可远非微不足道。“把这些问题拖到以后解决将是一个巨大错误。”

资料来源Science