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核聚变技术面临燃料危机
来源：
时间：2022-05-26 09:02:07
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核聚变技术面临燃料危机甚至还没有开始工作，核聚变就已经遇到了氚的短缺问题，而氚是核聚变反应堆的关键燃料来源。在法国南部，国际热核实验反应堆（ITER）正逐步接近完成。当它最终在20
甚至还没有开始工作，核聚变就已经遇到了氚的短缺问题，而氚是核聚变反应堆的关键燃料来源。在法国南部，国际热核实验反应堆（ITER）正逐步接近完成。当它最终在2035年完全开启时，ITER将成为有史以来最大的核聚变装置。 在一个被称为托卡马克的环形的反应室中，两种类型的氢，即氘和氚，将被聚合在一起，它们在比太阳表面更热的等离子体中融合，释放出大量能量，为数以万计的家庭提供清洁电力，这原本只是一种只存在于科幻小说的无限电力来源。 至少我们是这样计划的。问题是，当ITER准备好的时候，可能已经没有足够的燃料来运行它了。 像许多最著名的实验性核聚变反应堆一样，ITER的实验依赖于氘和氚的稳定供应。氘可以从海水中提取，但氚这种氢的放射性同位素却非常罕见。 氚在大气中的含量在20世纪60年代达到顶峰，当时还没有禁止试验核武器，根据最新的估计，现在地球上只有不到20公斤（44磅）的氚。而随着ITER项目的拖延，虽然预算多了几十亿，但我们用来为聚变反应堆提供燃料的氚源正在慢慢消失。 现在，像ITER和英国较小的JET托卡马克这样的聚变实验中使用的氚，来自一种非常特殊的核裂变反应堆，称为重水慢化反应堆。但是，大部分此类反应堆即将退役，全世界仅剩不到30个在运行。20个在加拿大，4个在韩国，2个在罗马尼亚，每个反应堆每年生产大约100克的氚。（印度有计划建造更多，但它不太可能将氚提供给聚变研究人员）。 核聚变的全部意义在于，它比传统的核裂变反应堆发电更清洁、更安全。马祖卡托说：“用肮脏的裂变反应堆为‘干净的’核聚变反应堆提供燃料是荒谬的。”他是一位退休的物理学家，尽管在他的工作生涯中大部分时间都在研究托卡马克，但他一直是ITER以及更广泛的核聚变的公开批评者。 氚的第二个问题是它衰减得很快，其半衰期为12.3年，这意味着当ITER准备好开始氘—氚聚合操作时（恰好在大约12.3年后），今天可用的一半氚将衰变为氦—3。这个问题在ITER启动后只会变得更糟，届时还将有几个氘氚（D-T）的后续被计划。 上述两个问题将氚从一个必须小心处理的核裂变的无用副产品，变成了地球上最昂贵的物质。它的价格是每克3万美元，而且据估计，工作中的聚变反应堆每年将需要多达200公斤的氚。更糟糕的是，氚也被核武器项目所觊觎，因为它有助于使核弹的威力更大。军队倾向于自己生产氚，因为拥有世界大部分氚生产能力的加拿大拒绝为非和平目的出售它。 1999年，普林斯顿等离子体物理实验室的研究员保罗—卢瑟福（Paul Rutherford）发表了一篇论文，预测了这个问题，并描述了“氚窗口”的最优点。随着重水慢速反应堆的关闭，氚的供应将达到顶峰，然后逐渐减少。我们现在就在这个最优点上，但是ITER比计划晚了近十年，并没有准备好利用它。“如果ITER像我们三年前计划的那样，一切都会很顺利”，ITER的燃料循环部门负责人威尔姆斯说。“我们现在大约正处于这个氚窗口的高峰期”。 科学家们知道这个潜在的问题已经有几十年了，他们开发了一个巧妙的方法：计划使用核聚变反应堆来“培育”氚，以便它们最终在燃烧的同时实现自我补充。这项增殖技术通过用锂-6的“毯子”包围核聚变反应堆来发挥作用。 当一个中子逃离反应堆并击中一个锂-6分子时，它会生成氚，然后就可以被提取并反馈到反应中。JET核聚变项目的主办方英国原子能管理局的发言人怀特说：“计算表明，一个设计得当的“培育毯”将能够为发电厂提供足够的氚，以实现燃料的自给自足，还有一点额外的氚用于启动新反应堆。 氚的培育技术原本打算作为ITER的一部分进行测试，但随着其成本从最初的60亿美元膨胀到超过250亿美元，它被悄悄放弃了。威尔姆斯在ITER的工作是管理较小规模的测试。ITER将使用手提箱大小的不同形式的锂样品插入托卡马克周围的“端口”，而不是围绕聚变反应植入一整片锂。 然而，即使是威尔姆斯也承认，这项技术离投入使用还有很长的路要走，而且对氚培育的全面测试将不得不等到下一代反应堆，有人认为这可能太晚了。马祖卡托说：“2035年之后，我们必须建造一台新的机器，这将需要再花20或30年的时间来测试像如何生产氚这样的关键任务。因此，如果我们在本世纪末之前不能准备好，我们如何用聚变反应堆来阻止和制止全球变暖？” 还有其他制造氚的方法。将育种材料主动插入核裂变反应堆，或使用直线加速器向氦-3发射中子。但这些技术太昂贵，无法用于所需的数量，而且它们仍然核武器项可以目的储备。威尔姆斯说，如果想做到完美，应该有一个更雄心勃勃的计划，与ITER平行开发育种技术，以便在ITER完善核聚变反应堆时，有一个燃料源来运行它。他说：“我们不希望在汽车建成后就没油了。” 氚的问题正在助长对ITER以及更普遍的D-T核聚变项目的怀疑态度。最初选择这两种元素是因为它们能在相对较低的温度下聚合，而且在核聚变的早期是有意义的。那时，其他一切技术路线似乎都不可能。 但是现在，在人工智能控制的磁铁的帮助下，限制核聚变反应的技术，以及材料科学的进步，一些公司正在探索替代方案。总部位于加州的TAE技术公司正试图建立一个使用氢和硼的核聚变反应堆，它说这将是比D-T核聚变更清洁、更实用的方案。 它的目标是在2025年前达到净能量增益，即核聚变反应创造的能量多于其消耗的能量。硼可以从海水中以公吨为单位提取，而且它还有一个好处，就是不会像D-T核聚变那样对机器进行辐照。TAE技术公司首席执行官Michl Binderbauer说，这是一条更具有商业可行性的可扩展核聚变动力路线。 但是主流核聚变专家仍然对ITER寄予希望，尽管其关键燃料存在潜在的供应问题。威尔姆斯说：“核聚变真的非常非常困难，除了氘氚以外的任何东西都将是100倍的困难。一个世纪后，也许我们才可以谈论其他东西。”
