1克氚要3萬美元,全球核聚變反應堆將遭遇斷氚之殤?

2022年07月02日16:22

  2020年,加拿大核實驗室向位於英國的大型核聚變反應堆“歐洲聯合環流器”(Joint European Torus ,JET)交付了5個鋼桶,桶內鋪著軟木以吸收衝擊。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,重量相當於幾張紙。

  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子構成。1克氚的價格為3萬美元,幾乎和鑽石一樣昂貴,但對於核聚變支持者來說,它物有所值。氚在高溫下與其同位素兄弟氘結合,便可以像太陽一樣燃燒。只要人們能找到激發核聚變的有效方法,這種反應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正在接近一個重要的臨界值:聚變反應堆產生的能量超過為反應所投入的能量。通常,人們用Q值(能量輸出輸入之比)來表示,只有Q值大於1,聚變反應裝置才能用於發電。JET已經達到了約0.67。

  這一成果也為國際熱核聚變實驗堆(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER)在未來十年內實現Q值1的突破提供了保證,ITER是一個正在法國建設、類似於JET的聚變反應堆,體積是JET的兩倍。

  不過,《科學》(www.science.com)網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,留給後續聚變反應堆的氚將極少。ITER初期的實驗將使用氫和氘,不產生淨能量。然而,一旦它開始產生淨能量的氘-氚燃燒,反應堆每年將消耗多達1公斤的氚。

  核聚變支持者們一向宣稱,聚變反應堆燃料廉價且充裕。對於氘來說,這無可否認: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物,只在地球高層大氣中微量存在。鏈式核反應堆也能產生少量的氚,但很少被收集。

  大多數聚變研究者對此不屑一顧,認為未來的核聚變反應堆可以生產出需要的氚。如果反應堆內壁襯有金屬鋰,聚變反應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堆,而第一代核聚變發電站很有可能都沒有足夠的氚來啟動。目前,全球範圍內氚的唯一商業來源是19座加拿大氘鈾核反應堆(CANDU,又稱坎杜反應堆,是一種加壓重水反應堆設計),每個反應堆每年產生約0.5公斤氚,但這些核反應堆中的一半將在十年內退役。根據ITER 2018年的推測,可用氚的庫存將在十年內達到峰值,之後會隨著氚的出售和衰變而穩步下降。目前全球氚的存量約為25公斤。

圖一:氚的供應量趨勢
圖一:氚的供應量趨勢

  雪上加霜的是,一些人認為氚增殖可能無法真正實現。氚增殖從未在聚變反應堆中測試過,而在最近的一次模擬中,加州大學洛杉磯分校的核工程師穆罕默德·阿卜杜(Mohamed Abdou)和他的同事們發現,在最好的情況下,一個能產生淨能量的聚變反應堆產生的氚只比其自身燃料所需的氚略多。氚泄漏或反應堆較長時間的停運維護將蠶食掉這一微小的紅利。

  氚的稀缺並不是聚變反應堆面臨的唯一挑戰,運營者還必須學會處理等離子體的湍流暴發和中子損傷等問題。但在普林斯頓等離子體物理實驗室(PPPL)前工作人員、等離子體物理學家丹尼爾·賈斯比(Daniel Jassby)看來,氚緊缺的問題迫在眉睫。“這對整個核聚變事業來說,可能會是致命的一擊。”賈斯比對《科學》表示。

  氚的唯一商業來源——CANDU反應堆面臨退役

  如果沒有CANDU反應堆,氘-氚聚變將是一個無法實現的夢想。“對於全球核聚變反應堆而言,最幸運的是可以利用CANDU反應堆產生的副產品氚。”阿卜杜說。

  許多核反應堆使用普通水來冷卻堆芯,緩和鏈式反應,減慢中子的速度,使它們更容易引發裂變。但CANDU反應堆使用重水,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於裂變。但偶爾,氘原子核會捕獲一個中子,轉化為氚。

  如果重水中積聚過多的氚,則可能會發生輻射危害,因此運營商經常將重水送到加拿大安大略發電公司(OPG)進行“降解”。安大略發電公司會過濾掉氚並將其出售,每年的售量約為100克,這些氚主要用作一種醫用放射性同位素,或者用於夜光手錶表盤和應急標誌。

  聚變反應堆將大大增加對氚的需求。安大略發電公司的副總裁傑森。範。瓦特(Jason Van Wart)預計,從2030年後,當ITER和其它核聚變初創公司將開始燃燒氚,每年氚的出貨量會達到2公斤。

  但隨著CANDU(其中許多已運行了50年或更長時間)退役,氚的供應量將下降,聚變反應堆的“氚窗”最終可能會砰然關閉。ITER最初計劃在2010年左右啟動,並在十年內開始燃燒氘-氚。但其啟動被推遲到了2025年,並且由於新冠疫情和法國核監管機構要求的安全檢查,可能會再次延後。因此,ITER最早可能要到2035年才會燃燒氘-氚,那時氚的供應量將面臨枯竭。

  根據ITER的預測,一旦ITER在2050年後結束工作,全球將只剩下5公斤或更少的氚。最壞的情況可能是,“在ITER之後,沒有足夠的氚來滿足核聚變反應堆的需求。”歐洲核聚變研究機構(EuroFusion)聚變技術主管詹弗蘭科。費德里西(Gianfranco Federici)說。

圖二:位於法國的ITER聚變反應堆裝置
圖二:位於法國的ITER聚變反應堆裝置

  一些私營公司正在設計更小的聚變反應堆,在運行初期能夠使用更少的氚。美國馬薩諸塞州的一家初創公司“聯邦核聚變系統”(Commonwealth Fusion Systems)表示,它已經為其緊湊型的原型堆和早期示範反應堆確保了氚供應,預計在開發過程中需要不到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堆中,每個堆每年可能都需要幾公斤氚。根據歐洲核聚變研究機構預計,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範發電站,為電網提供500兆瓦的電力。

  聚變反應堆通常需要大量的氚進行啟動,因為聚變只發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受控核聚變的環形容器)中,很少的氚被燃燒。研究人員預計,ITER燃燒的氚量不到其注入量的1%;其餘的氚將擴散到托卡馬克裝置的邊緣,並被掃入回收系統。

  為此,DEMO的設計者正在研究一些方法,來減少啟動聚變反應時對氚的需求。一種方法是將冷凍的燃料顆粒發射到反應堆的深度燃燒區,在那裡它們將更有效地燃燒。另一種方法是將回收時間縮短到20分鍾,利用金屬箔作為過濾器快速去除雜質,並將氚直接送回機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在內的反應堆中的氘-氚燃料循環,得出結論,僅DEMO就需要5公斤到14公斤的氚才能啟動,超過預計該反應堆在2050年後啟動時可能獲得的氚量。

  利用核聚變本身實現氚增殖挑戰重重

  不過,即使DEMO團隊和其它的反應堆設計者能夠減少其對氚的需求,如果不能成功實現氚增殖,核聚變也將沒有未來。根據阿卜杜的觀點,一個年產3吉瓦電的商業核聚變工廠每年將燃燒167公斤氚——這相當於數百個CANDU反應堆的氚產量。

  氚增殖的挑戰在於,核聚變不能產生足夠的中子,這與裂變不同,裂變是鏈式反應,釋放出的中子數量呈指數級增長。在核聚變中,每次氘-氚反應只產生一個中子,形成1個氚原子核。因此,反應堆的增殖系統需要中子倍增材料的幫助,當被1個中子撞擊,倍增材料會產生兩個中子。工程師計劃將鋰與倍增材料(如鈹或鉛)混合在反應堆壁層的“毯子”中。

圖三:聚變反應堆使用“增殖毯”的內部結構
圖三:聚變反應堆使用“增殖毯”的內部結構

  ITER將成為第一個試驗“增殖毯”的聚變反應堆。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)。由於成本削減,ITER將在600平方米的反應堆內部僅鋪設4平方米的增殖材料。ITER之後的聚變反應堆將需要覆蓋住儘可能多的表面,才有機會滿足對氚的需求。

  不過,阿卜杜和他的同事們分析發現,以目前的技術,並根據ITER的情況估計,“增殖毯”產生的氚最多隻能比反應堆消耗的氚多15%,而這個數字更有可能是5%。

  另一個影響氚增殖的因素是反應堆停機時間。當氚增殖停止,但同位素繼續衰變。只有當反應堆運行超過50%的時間時,可持續性才能得到保證。

  無論是對於像ITER這樣的實驗反應堆,還是對DEMO這樣需要停機進行調整以優化性能的原型堆而言,這樣的運行時間都很難保證。阿卜杜說,如果以現有的托卡馬克裝置為參照,故障發生的間隔時間可能是數小時或數天,維修將需要數月。他說,未來的聚變反應堆可能很難運行超過5%的時間。

  此外,為了使氚增值具有可持續性,運營者還需要控製氚泄漏。氚會通過微小的間隙從反應堆的金屬反應堆壁逸出。阿卜杜的分析假設損失率為0.1%。但賈斯比認為不止如此,當氚經過複雜的反應堆和後處理系統時,“想想它會去的所有地方。” 賈斯比說。

  聚變反應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幹脆放棄氚燃料。

  位於美國加州的初創公司“三氦能源科技”(TAE Technologies)計劃使用普通氫和硼,而位於美國華盛頓州初創公司“氦核”(Helion)則將融合氘和氦-3——一種稀有的氦同位素。這些反應需要比氘-氚更高的溫度,但兩家公司認為,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堆還有附加的吸引力,那就是產生更少的、甚至不產生中子,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公司的反應器(粒子束穩定旋轉的等離子體環)能夠維持40年。但這種模式的反應堆主要的挑戰來自於溫度: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,它使用類似於TAE的等離子體環,但要經過磁場壓縮。不過,氦-3雖然穩定,但幾乎和氚一樣稀有,並難以獲得。它的大多數商業來源依賴於氚的衰變。Helion的首席執行官大衛。科特里(David Kirtley )表示,通過在燃料混合物中加入額外的氘,可以發生氘-氘聚變反應,從而產生氦-3。

  儘管如此,傳統氘-氚聚變倡導者認為,通過建造更多的裂變反應堆,可以擴大氚的供應。目前,一些擁有核武器的國家專門建造或改裝了商業核反應堆,建立了自己的氚庫存。美國能源部在20世紀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,當時該實驗室有一個氘-氚燃燒反應堆。但費德里西並不認為該機構或世界各地的軍隊會參與銷售氚的業務。“氚的國防儲備不太可能被分享,”他說。

  或者也許,世界可以看到CANDU技術的複興。韓國有四座CANDU反應堆和一座提取氚的工廠,但沒有進行商業銷售。羅馬尼亞有兩個,並且正在建設一個氚設施。中國有幾個CANDU反應堆。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量。不過這種做法可能會損害反應堆的安全性,並且氚本身也具有危險。

  在核聚變幾十年的研究中,等離子體物理學家一心一意地追求著對聚變反應堆Q值的突破,希望反應堆能產生多餘的能量。賈斯比說,他們認為其它問題,例如獲得足夠的氚,只是“微不足道”的工程。但隨著反應堆離臨界值越來越近,是時候開始擔心遠非微不足道的工程細節了。“把問題拖到以後只會大錯特錯。”阿卜杜說。

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