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2020年，加拿大核實驗室向位于英國的大型核聚變反應(yīng)堆“歐洲聯(lián)合環(huán)流器”（Joint European Torus ，JET）交付了5個鋼桶，桶內(nèi)鋪著軟木以吸收沖擊。每個桶里都有一個可樂罐大小的鋼瓶，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，氚的原子核由兩個中子和一個質(zhì)子構(gòu)成。1克氚的價格為3萬美元，幾乎和鉆石一樣昂貴，但對于核聚變支持者來說，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)便能提供無盡的清潔能源。
2021年，來自加拿大的氚為JET的一項實驗提供了燃料，這項實驗證明了人類的核聚變反應(yīng)正在接近一個重要的臨界值：聚變反應(yīng)堆產(chǎn)生的能量超過為反應(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。
這一成果也為國際熱核聚變實驗堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）在未來十年內(nèi)實現(xiàn)Q值1的突破提供了保證，ITER是一個正在法國建設(shè)、類似于JET的聚變反應(yīng)堆，體積是JET的兩倍。不過，《科學(xué)》（www.science.com）網(wǎng)站近日的一篇文章分析表示，這一勝利可能會得不償失。因為到那時，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初期的實驗將使用氫和氘，不產(chǎn)生凈能量。然而，一旦它開始產(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)堆燃料廉價且充裕。對于氘來說，這無可否認(rèn)：海洋中，大約每5000個氫原子中就有一個是氘，它的售價約為每克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)聚變研究者對此不屑一顧，認(rèn)為未來的核聚變反應(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充足。
但問題是，為了增殖氚，人們需要有一個正常工作的聚變反應(yīng)堆，而第一代核聚變發(fā)電站很有可能都沒有足夠的氚來啟動。目前，全球范圍內(nèi)氚的唯一商業(yè)來源是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），每個反應(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，可用氚的庫存將在十年內(nèi)達(dá)到峰值，之后會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

雪上加霜的是，一些人認(rèn)為氚增殖可能無法真正實現(xiàn)。氚增殖從未在聚變反應(yīng)堆中測試過，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)堆較長時間的停運(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)營者還必須學(xué)會處理等離子體的湍流暴發(fā)和中子損傷等問題。但在普林斯頓等離子體物理實驗室（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，氚緊缺的問題迫在眉睫?！斑@對整個核聚變事業(yè)來說，可能會是致命的一擊?！辟Z斯比對《科學(xué)》表示。
氚的唯一商業(yè)來源——CANDU反應(yīng)堆面臨退役
如果沒有CANDU反應(yīng)堆，氘-氚聚變將是一個無法實現(xiàn)的夢想?！皩τ谌蚝司圩兎磻?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。
許多核反應(yīng)堆使用普通水來冷卻堆芯，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，因為它吸收的中子較少，能夠留下更多的中子用于裂變。但偶爾，氘原子核會捕獲一個中子，轉(zhuǎn)化為氚。
如果重水中積聚過多的氚，則可能會發(fā)生輻射危害，因此運(yùn)營商經(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)電公司會過濾掉氚并將其出售，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，從2030年后，當(dāng)ITER和其它核聚變初創(chuàng)公司將開始燃燒氚，每年氚的出貨量會達(dá)到2公斤。
但隨著CANDU（其中許多已運(yùn)行了50年或更長時間）退役，氚的供應(yīng)量將下降，聚變反應(yīng)堆的“氚窗”最終可能會砰然關(guān)閉。ITER最初計劃在2010年左右啟動，并在十年內(nèi)開始燃燒氘-氚。但其啟動被推遲到了2025年，并且由于新冠疫情和法國核監(jiān)管機(jī)構(gòu)要求的安全檢查，可能會再次延后。因此，ITER最早可能要到2035年才會燃燒氘-氚，那時氚的供應(yīng)量將面臨枯竭。
根據(jù)ITER的預(yù)測，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，沒有足夠的氚來滿足核聚變反應(yīng)堆的需求。”歐洲核聚變研究機(jī)構(gòu)（EuroFusion）聚變技術(shù)主管詹弗蘭科.費(fèi)德里西（Gianfranco Federici）說。

圖二：位于法國的ITER聚變反應(yīng)堆裝置

一些私營公司正在設(shè)計更小的聚變反應(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)計在開發(fā)過程中需要不到1公斤的氚。
不過，中國、韓國和美國政府計劃的大型試驗聚變反應(yīng)堆中，每個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，ITER的繼任者DEMO還需要更多的氚，DEMO將比ITER大50%，屆時其將作為一個示范發(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，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托卡馬克裝置（一種利用磁約束來實現(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，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)計者正在研究一些方法，來減少啟動聚變反應(yīng)時對氚的需求。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間縮短到20分鐘，利用金屬箔作為過濾器快速去除雜質(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，超過預(yù)計該反應(yīng)堆在2050年后啟動時可能獲得的氚量。
利用核聚變本身實現(xiàn)氚增殖挑戰(zhàn)重重
不過，即使DEMO團(tuán)隊和其它的反應(yīng)堆設(shè)計者能夠減少其對氚的需求，如果不能成功實現(xiàn)氚增殖，核聚變也將沒有未來。根據(jù)阿卜杜的觀點(diǎn)，一個年產(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)級增長。在核聚變中，每次氘-氚反應(yīng)只產(chǎn)生一個中子，形成1個氚原子核。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個中子撞擊，倍增材料會產(chǎn)生兩個中子。工程師計劃將鋰與倍增材料（如鈹或鉛）混合在反應(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將成為第一個試驗“增殖毯”的聚變反應(yīng)堆。測試將包括液體毯（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)部僅鋪設(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)會滿足對氚的需求。
不過，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，“增殖毯”產(chǎn)生的氚最多只能比反應(yīng)堆消耗的氚多15%，而這個數(shù)字更有可能是5%。
另一個影響氚增殖的因素是反應(yīng)堆停機(jī)時間。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50%的時間時，可持續(xù)性才能得到保證。
無論是對于像ITER這樣的實驗反應(yīng)堆，還是對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)行時間都很難保證。阿卜杜說，如果以現(xiàn)有的托卡馬克裝置為參照，故障發(fā)生的間隔時間可能是數(shù)小時或數(shù)天，維修將需要數(shù)月。他說，未來的聚變反應(yīng)堆可能很難運(yùn)行超過5%的時間。
此外，為了使氚增值具有可持續(xù)性，運(yùn)營者還需要控制氚泄漏。氚會通過微小的間隙從反應(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)過復(fù)雜的反應(yīng)堆和后處理系統(tǒng)時，“想想它會去的所有地方?！?賈斯比說。
聚變反應(yīng)堆放棄氚燃料可以嗎？
在這樣的情況下，有兩家核聚變私營公司決定干脆放棄氚燃料。
位于美國加州的初創(chuàng)公司“三氦能源科技”（TAE Technologies）計劃使用普通氫和硼，而位于美國華盛頓州初創(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，為了避免氚帶來的麻煩，這是值得付出的代價。
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-氚聚變造成的材料損傷和放射性。 TAE公司的首席執(zhí)行官米歇爾·賓德鮑（Michl Binderbauer）說，在沒有中子的情況下，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)過磁場壓縮。不過，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，建立了自己的氚庫存。美國能源部在20世紀(jì)80年代和90年代為普林斯頓等離子體物理實驗室提供了氚，當(dāng)時該實驗室有一個氘-氚燃燒反應(yīng)堆。但費(fèi)德里西并不認(rèn)為該機(jī)構(gòu)或世界各地的軍隊會參與銷售氚的業(yè)務(wù)?！半暗膰纼洳惶赡鼙环窒?，”他說。
或者也許，世界可以看到CANDU技術(shù)的復(fù)興。韓國有四座CANDU反應(yīng)堆和一座提取氚的工廠，但沒有進(jìn)行商業(yè)銷售。羅馬尼亞有兩個，并且正在建設(shè)一個氚設(shè)施。中國有幾個CANDU反應(yīng)堆。他們可以通過在堆芯中添加鋰棒，或用鋰摻雜重水慢化劑來增加氚的產(chǎn)量。不過這種做法可能會損害反應(yīng)堆的安全性，并且氚本身也具有危險。
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，他們認(rèn)為其它問題，例如獲得足夠的氚，只是“微不足道”的工程。但隨著反應(yīng)堆離臨界值越來越近，是時候開始擔(dān)心遠(yuǎn)非微不足道的工程細(xì)節(jié)了?！鞍褑栴}拖到以后只會大錯特錯?！卑⒉范耪f。