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1克氚要3万美元,全球核聚变反应堆将遭遇断氚之殇?

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2020年,加拿大核实验室向位于英国的大型核聚变反应堆“欧洲联合环流器”(Joint European Torus ,JET)交付了5个钢桶,桶内铺着软木以吸收冲击。每个桶里都有一个可乐罐大小的钢瓶,瓶里装着一缕氢气——只有10克,重量相当于几张纸。

这不是普通的氢,而是氢稀有的放射性同位素氚,氚的原子核由两个中子和一个质子构成。1克氚的价格为3万美元,几乎和钻石一样昂贵,但对于核聚变支持者来说,它物有所值。氚在高温下与其同位素兄弟氘结合,便可以像太阳一样燃烧。只要人们能找到激发核聚变的有效方法,这种反应便能提供无尽的清洁能源。

2021年,来自加拿大的氚为JET的一项实验提供了燃料,这项实验证明了人类的核聚变反应正在接近一个重要的临界值:聚变反应堆产生的能量超过为反应所投入的能量。通常,人们用Q值(能量输出输入之比)来表示,只有Q值大于1,聚变反应装置才能用于发电。JET已经达到了约0.67。

这一成果也为国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER)在未来十年内实现Q值1的突破提供了保证,ITER是一个正在法国建设、类似于JET的聚变反应堆,体积是JET的两倍。


不过,《科学》(www.science.com)网站近日的一篇文章分析表示,这一胜利可能会得不偿失。因为到那时,ITER将消耗掉人类目前掌握的大部分氚,留给后续聚变反应堆的氚将极少。ITER初期的实验将使用氢和氘,不产生净能量。然而,一旦它开始产生净能量的氘-氚燃烧,反应堆每年将消耗多达1公斤的氚。

核聚变支持者们一向宣称,聚变反应堆燃料廉价且充裕。对于氘来说,这无可否认:海洋中,大约每5000个氢原子中就有一个是氘,它的售价约为每克13美元。但氚的半衰期为12.3年,天然氚是宇宙射线轰击的产物,只在地球高层大气中微量存在。链式核反应堆也能产生少量的氚,但很少被收集。

大多数聚变研究者对此不屑一顾,认为未来的核聚变反应堆可以生产出需要的氚。如果反应堆内壁衬有金属锂,聚变反应中释放的高能中子可以将锂分裂成氦和氚,而锂资源在地球上相对充足。

但问题是,为了增殖氚,人们需要有一个正常工作的聚变反应堆,而第一代核聚变发电站很有可能都没有足够的氚来启动。目前,全球范围内氚的唯一商业来源是19座加拿大氘铀核反应堆(CANDU,又称坎杜反应堆,是一种加压重水反应堆设计),每个反应堆每年产生约0.5公斤氚,但这些核反应堆中的一半将在十年内退役。根据ITER 2018年的推测,可用氚的库存将在十年内达到峰值,之后会随着氚的出售和衰变而稳步下降。目前全球氚的存量约为25公斤。


图一:氚的供应量趋势

雪上加霜的是,一些人认为氚增殖可能无法真正实现。氚增殖从未在聚变反应堆中测试过,而在最近的一次模拟中,加州大学洛杉矶分校的核工程师穆罕默德·阿卜杜(Mohamed Abdou)和他的同事们发现,在最好的情况下,一个能产生净能量的聚变反应堆产生的氚只比其自身燃料所需的氚略多。氚泄漏或反应堆较长时间的停运维护将蚕食掉这一微小的红利。

氚的稀缺并不是聚变反应堆面临的唯一挑战,运营者还必须学会处理等离子体的湍流暴发和中子损伤等问题。但在普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)前工作人员、等离子体物理学家丹尼尔·贾斯比(Daniel Jassby)看来,氚紧缺的问题迫在眉睫。“这对整个核聚变事业来说,可能会是致命的一击。”贾斯比对《科学》表示。

氚的唯一商业来源——CANDU反应堆面临退役

如果没有CANDU反应堆,氘-氚聚变将是一个无法实现的梦想。“对于全球核聚变反应堆而言,最幸运的是可以利用CANDU反应堆产生的副产品氚。”阿卜杜说。

许多核反应堆使用普通水来冷却堆芯,缓和链式反应,减慢中子的速度,使它们更容易引发裂变。但CANDU反应堆使用重水,其中以氘代替氢,因为它吸收的中子较少,能够留下更多的中子用于裂变。但偶尔,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,则可能会发生辐射危害,因此运营商经常将重水送到加拿大安大略发电公司(OPG)进行“降解”。安大略发电公司会过滤掉氚并将其出售,每年的售量约为100克,这些氚主要用作一种医用放射性同位素,或者用于夜光手表表盘和应急标志。

聚变反应堆将大大增加对氚的需求。安大略发电公司的副总裁杰森.范.瓦特(Jason Van Wart)预计,从2030年后,当ITER和其它核聚变初创公司将开始燃烧氚,每年氚的出货量会达到2公斤。

但随着CANDU(其中许多已运行了50年或更长时间)退役,氚的供应量将下降,聚变反应堆的“氚窗”最终可能会砰然关闭。ITER最初计划在2010年左右启动,并在十年内开始燃烧氘-氚。但其启动被推迟到了2025年,并且由于新冠疫情和法国核监管机构要求的安全检查,可能会再次延后。因此,ITER最早可能要到2035年才会燃烧氘-氚,那时氚的供应量将面临枯竭。

根据ITER的预测,一旦ITER在2050年后结束工作,全球将只剩下5公斤或更少的氚。最坏的情况可能是,“在ITER之后,没有足够的氚来满足核聚变反应堆的需求。”欧洲核聚变研究机构(EuroFusion)聚变技术主管詹弗兰科.费德里西(Gianfranco Federici)说。


图二:位于法国的ITER聚变反应堆装置

一些私营公司正在设计更小的聚变反应堆,在运行初期能够使用更少的氚。美国马萨诸塞州的一家初创公司“联邦核聚变系统”(Commonwealth Fusion Systems)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,预计在开发过程中需要不到1公斤的氚。

不过,中国、韩国和美国政府计划的大型试验聚变反应堆中,每个堆每年可能都需要几公斤氚。根据欧洲核聚变研究机构预计,ITER的继任者DEMO还需要更多的氚,DEMO将比ITER大50%,届时其将作为一个示范发电站,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托卡马克装置(一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器)中,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。

为此,DEMO的设计者正在研究一些方法,来减少启动聚变反应时对氚的需求。一种方法是将冷冻的燃料颗粒发射到反应堆的深度燃烧区,在那里它们将更有效地燃烧。另一种方法是将回收时间缩短到20分钟,利用金属箔作为过滤器快速去除杂质,并将氚直接送回机器中而不是分离它们。

但阿卜杜表示,DEMO的胃口可能仍然很大。他和同事模拟了包括DEMO在内的反应堆中的氘-氚燃料循环,得出结论,仅DEMO就需要5公斤到14公斤的氚才能启动,超过预计该反应堆在2050年后启动时可能获得的氚量。

利用核聚变本身实现氚增殖挑战重重

不过,即使DEMO团队和其它的反应堆设计者能够减少其对氚的需求,如果不能成功实现氚增殖,核聚变也将没有未来。根据阿卜杜的观点,一个年产3吉瓦电的商业核聚变工厂每年将燃烧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,这与裂变不同,裂变是链式反应,释放出的中子数量呈指数级增长。在核聚变中,每次氘-氚反应只产生一个中子,形成1个氚原子核。因此,反应堆的增殖系统需要中子倍增材料的帮助,当被1个中子撞击,倍增材料会产生两个中子。工程师计划将锂与倍增材料(如铍或铅)混合在反应堆壁层的“毯子”中。


图三:聚变反应堆使用“增殖毯”的内部结构

ITER将成为第一个试验“增殖毯”的聚变反应堆。测试将包括液体毯(锂和铅的熔融混合物)以及固体“卵石床”(含有锂与铍球混合的陶瓷球)。由于成本削减,ITER将在600平方米的反应堆内部仅铺设4平方米的增殖材料。ITER之后的聚变反应堆将需要覆盖住尽可能多的表面,才有机会满足对氚的需求。

不过,阿卜杜和他的同事们分析发现,以目前的技术,并根据ITER的情况估计,“增殖毯”产生的氚最多只能比反应堆消耗的氚多15%,而这个数字更有可能是5%。

另一个影响氚增殖的因素是反应堆停机时间。当氚增殖停止,但同位素继续衰变。只有当反应堆运行超过50%的时间时,可持续性才能得到保证。

无论是对于像ITER这样的实验反应堆,还是对DEMO这样需要停机进行调整以优化性能的原型堆而言,这样的运行时间都很难保证。阿卜杜说,如果以现有的托卡马克装置为参照,故障发生的间隔时间可能是数小时或数天,维修将需要数月。他说,未来的聚变反应堆可能很难运行超过5%的时间。

此外,为了使氚增值具有可持续性,运营者还需要控制氚泄漏。氚会通过微小的间隙从反应堆的金属反应堆壁逸出。阿卜杜的分析假设损失率为0.1%。但贾斯比认为不止如此,当氚经过复杂的反应堆和后处理系统时,“想想它会去的所有地方。” 贾斯比说。

聚变反应堆放弃氚燃料可以吗?

在这样的情况下,有两家核聚变私营公司决定干脆放弃氚燃料。

位于美国加州的初创公司“三氦能源科技”(TAE Technologies)计划使用普通氢和硼,而位于美国华盛顿州初创公司“氦核”(Helion)则将融合氘和氦-3——一种稀有的氦同位素。这些反应需要比氘-氚更高的温度,但两家公司认为,为了避免氚带来的麻烦,这是值得付出的代价。

这些替代性的聚变反应堆还有附加的吸引力,那就是产生更少的、甚至不产生中子,这避免了氘-氚聚变造成的材料损伤和放射性。 TAE公司的首席执行官米歇尔·宾德鲍(Michl Binderbauer)说,在没有中子的情况下,TAE公司的反应器(粒子束稳定旋转的等离子体环)能够维持40年。但这种模式的反应堆主要的挑战来自于温度: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。

Helion公司的燃料是氚和氦-3,燃烧温度为2亿摄氏度,它使用类似于TAE的等离子体环,但要经过磁场压缩。不过,氦-3虽然稳定,但几乎和氚一样稀有,并难以获得。它的大多数商业来源依赖于氚的衰变。Helion的首席执行官大卫.科特里(David Kirtley )表示,通过在燃料混合物中加入额外的氘,可以发生氘-氘聚变反应,从而产生氦-3。

尽管如此,传统氘-氚聚变倡导者认为,通过建造更多的裂变反应堆,可以扩大氚的供应。目前,一些拥有核武器的国家专门建造或改装了商业核反应堆,建立了自己的氚库存。美国能源部在20世纪80年代和90年代为普林斯顿等离子体物理实验室提供了氚,当时该实验室有一个氘-氚燃烧反应堆。但费德里西并不认为该机构或世界各地的军队会参与销售氚的业务。“氚的国防储备不太可能被分享,”他说。

或者也许,世界可以看到CANDU技术的复兴。韩国有四座CANDU反应堆和一座提取氚的工厂,但没有进行商业销售。罗马尼亚有两个,并且正在建设一个氚设施。中国有几个CANDU反应堆。他们可以通过在堆芯中添加锂棒,或用锂掺杂重水慢化剂来增加氚的产量。不过这种做法可能会损害反应堆的安全性,并且氚本身也具有危险。

在核聚变几十年的研究中,等离子体物理学家一心一意地追求着对聚变反应堆Q值的突破,希望反应堆能产生多余的能量。贾斯比说,他们认为其它问题,例如获得足够的氚,只是“微不足道”的工程。但随着反应堆离临界值越来越近,是时候开始担心远非微不足道的工程细节了。“把问题拖到以后只会大错特错。”阿卜杜说。

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