可控核聚变曙光初现，一朵乌云紧随其后

2022-08-23 03:08

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几十年来，可控核聚变无论是在科学界还是在民间讨论中，都被视为终极能源解决方案之一。虽然人们经过了一个又一个“五十年内实现”的失望，但是科学家们确实一直在努力。而在最近，聚变反应堆“盈利”的消息令人振奋，贪吃的反应堆在吞下巨量电能后终于回报了稍微多一些的能量，人类多年来的梦想似乎即将实现，但是就像一百多年前英国物理学家 William Thomson 在英国皇家学会发表的那次演讲中提到的“两朵乌云”一样，可控核聚变作为一种实用工程技术而非理论模型，可能面临着难以解决的实际问题。

ITER聚变巨型反应堆的内部（艺术家想象图）

图源：DAVID PARKER/SCIENCE SOURCE

2020年，加拿大核实验室向位于英国的欧洲联合环状反应堆 JET 交付了五个钢桶，每个桶里都有一个可乐罐大小的钢瓶，里面装着一缕氢气，只有10克重——这不是普通的氢气，而是它稀有的放射性同位素氚，其中两个中子和一个质子在原子核中结合在一起，每克价值3万美元。这个价格虽然贵但是其潜在的价值则更高：可控的核聚变必须使用这种氢燃料。

JET最近实验表明聚变研究正在接近一个重要的门槛：产生的能量多于反应的能量。而多国联合开发的国际热核聚变实验堆（ITER）正是一个类似的反应堆，其规模是 JET的两倍，当它在2030年之后的某个时候开始氘和氚 (DT反应堆) 燃烧时，将打破盈亏平衡，真正实现输出的能量大于输入。

但核聚变科学家们正在意识到，预期中的点火可能没法开始。

聚变倡导者经常吹嘘核聚变燃料便宜且丰富，这对于氘来说当然是正确的：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，在地球大气层的最外层有一些，运行中的核反应堆也有一些，但是很难收集。

大多数聚变科学家对这个问题不以为然，认为未来的反应堆可以产生他们需要的氚。如果反应堆壁衬有金属锂，则聚变反应中释放的高能中子可以将锂分解成氦和氚。但是这个反应的前提是有一个正在运行的聚变反应堆，这个反应堆本身也需要足够的氚来启动。

目前世界上唯一的氚的商业来源是19座加拿大氘铀 (CANDU) 核反应堆，每座反应堆每年产生约 0.5 公斤的氚，其中一半将在2030年前退役。根据 ITER 2018 年研究计划的预测，可用的氚库存——据估计目前约为25公斤——将在2030之前达到顶峰，并随着被出售和衰变而开始稳步下降。

图表：K. FRANKLIN/SCIENCE; (DATA) ITER RESEARCH PLAN WITHIN THE STAGED APPROACH, ITR-18-003, (2018)

ITER 的第一个实验将使用氢和氘，并且不会产生净输出能量。但一旦它开始运行可以产生能量的DT反应堆，每年将消耗1公斤的氚。

而现实是，那种理论上可以产生氚的方式，其实从未在聚变反应堆中进行过测试。在最近的一次计算机模拟中，加州大学洛杉矶分校的核工程师 Mohamed Abdou 和他的同事发现，在最好的情况下，发电反应堆只能产生比其自身燃料所需略多一点的氚，而如果考虑到泄露和停机维护，这多出来的一点点也没法收集到。

如果没有 CANDU反应堆，DT反应堆将是一个遥不可及的梦想。“世界上发生聚变最幸运的事情是 CANDU 反应堆产生氚作为副产品，”Mohamed Abdou 说。许多核反应堆使用普通水来冷却堆芯并“减速”连锁反应，从而减慢中子的速度，因此它们更有可能引发裂变。CANDU反应堆使用重水，其中氘代替了氢，因此它可以吸收较少的中子，留下更多用于裂变。但偶尔，氘核确实捕获中子并转化为了氚。

从2030年代开始，聚变反应堆将大大增加对氚的需求，每年的需求量将达到2公斤，届时 ITER 和其他聚变初创公司计划开始燃烧氚。

2022年5月，工程师开始组装 ITER 的反应堆容器。第一次氚燃烧计划于2035年进行。

图源：© ITER

但随着 CANDU（其中许多反应堆已经运行了50年或更多）的退役，供应量将会下降。研究人员在20多年前就意识到，聚变的“氚窗”最终会砰然关闭，从那以后情况只会变得更糟。ITER 原本打算在2010年代初启动并在十年内结束一个DT反应堆。但由于法国核监管机构要求进行疫情大流行和安全检查，ITER 的启动已被推迟到2025年，并且可能再次推迟。ITER 最早要到2035年才会点燃DT，届时氚供应已经开始萎缩。

根据 ITER 的预测，一旦 ITER 在2050年代完成使命并关闭，氚的残留量只有5公斤或更少。EuroFusion 研究机构聚变技术负责人 Gianfranco Federici 承认，在最坏的情况下，“似乎没有足够的氚来满足 ITER 之后的聚变需求”。也就是说如果 ITER 顺利的完成了实验，证明了这套装置可以稳定运行输出电力，但是可能人们却没有足够的氚来供应一个真正的核聚变电厂。

一些私营公司正在设计更小的聚变反应堆，这些反应堆的建造成本更低，而且只需更少的氚。马萨诸塞州的一家初创公司 Commonwealth Fusion Systems 表示，它已经为其紧凑型原型和早期示范反应堆获得了氚供应，预计在开发过程中这些反应堆需要不到 1 公斤的氚。

但中国、韩国和美国计划的更大的、由公共资助的试验反应堆可能每个都需要几公斤。启动 EuroFusion 计划中的 ITER 继任者将需要更多，这是一个名为 DEMO 的机器怪物。作为一个正在运行的发电厂，它预计将比 ITER 大 50%，向电网提供 500 兆瓦的电力。

聚变反应堆通常需要大量的氚来启动反应，因为合适的聚变条件只发生在电离气体等离子体的最热部分。这意味着环形反应堆容器或托卡马克中的氚很少被燃烧。研究人员预计 ITER 将燃烧不到1%的氚；其余的将扩散到托卡马克的边缘并被扫入回收系统，该系统从废气中去除氦气和其他杂质，留下DT的混合物，然后将氚分离并送回反应器。这可能需要几小时到几天的时间。

DEMO 的设计师正在研究减少其启动需求的方法。“我们可能面临着很低的氚库存，”卡尔斯鲁厄理工学院的 Christian Day 说，他是 DEMO 燃料循环设计的项目负责人。“如果新设备需要20公斤来启动它，那这将是个严重的问题。”

但是根据加州大学洛杉矶分校的核工程师 Mohamed Abdou 和他的同事为发电反应堆（包括 DEMO 及其后续产品）模拟的 DT 燃料循环。他们估计了一些因素，包括燃烧 DT 燃料的效率、回收未燃烧燃料所需的时间以及反应堆运行的时间比例。在 2021年发表在 Nuclear Fusion 杂志上的一篇论文中，该团队得出结论，仅 DEMO 就需要5至14公斤的氚才能开始——这比预计中2050年代启动时市场可能提供的数量要多。

即使 DEMO团队和其他 ITER 后反应堆设计人员可以减少他们对氚的需求，如果氚增殖不起作用，聚变也将没有未来。根据 Abdou 的计算，一个产生3 GW电力的商业聚变工厂每年将燃烧167公斤氚——这是数百个 CANDU 反应堆的供应量。

英国的一个小型聚变反应堆，摄像机捕捉到了等离子体的湍流爆发。

图源：英国原子能局

另一个潜在的问题是：如果实践中的氚增殖的效率不太够，那即便是DT反应堆能够启动也无法持续。增殖的挑战在于聚变不会产生足够的中子，这与裂变不同，裂变中的链式反应释放出指数级增长的数量。在聚变中，每个 DT 反应只产生一个中子，可以孕育出一个氚核。由于增殖系统无法捕获所有这些中子，因此它们需要中子倍增器的帮助，这种材料在被中子撞击时会释放出两个作为回报。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毯子中。

ITER 将是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”（含有锂的陶瓷球与铍球混合）。由于成本削减，ITER 的实验增殖系统将在 600 平方米的反应堆内部仅占 4 平方米。ITER 之后的聚变反应堆将需要尽可能多地覆盖表面，以便有机会满足其对氚的需求。

氚可以连续提取，也可以在计划停机期间提取，具体取决于锂是液态还是固态，但必须坚持不懈地进行增殖。增殖毯还有第二项任务：从中子中吸收千兆瓦的能量并将其转化为热量。通过热毯输送水或加压氦气的管道将吸收热量并转化为蒸汽，从而驱动发电涡轮机。ITER 工程设计主管 Mario Merola 说：“所有这些过程都在超高真空、中子轰击和高磁场的聚变反应堆环境中进行，这是一个巨大的工程挑战。”

对于 Abdou 和他的同事来说，这不仅仅是一个挑战——这很可能是无法完成的。他们的分析发现，利用目前主要由 ITER 定义的技术描述，增殖毯最多只能产生比消耗的多15%的氚，理论上。而通过计算机模拟的结果是，这个数字更有可能是5%——一个令人担忧的幅度。

作者确定的一个关键因素是反应堆的停机时间，当氚繁殖停止但已有的氚继续衰变时，只有当反应堆的运行时间超过50%时，才能保证可持续性，这对于像 ITER 这样的实验反应堆来说几乎是不可能的，对于像 DEMO 这样需要停机进行调整以优化性能的原型机来说也很困难。Abdou 说，如果现有的托卡马克可以作为指导，那么故障停机的时间可能是几小时或几天，而维修则需要几个月的时间。他说，未来的反应堆的运行时间可能很难超过5%。

为了使增殖可持续，整个装置还需要控制氚泄漏。从普林斯顿退休的物理学家 Daniel Jassby 认为，这是真正的问题。氚因为能渗透反应堆的金属壁并从微小的缝隙中逸出而臭名昭著。Abdou 的分析假设损失率为 0.1%。“我不认为这是现实的，” Daniel Jassby 说。“想想氚必须去的所有地方”，因为它在复杂的反应堆和后处理系统中移动，但是“你不能失去任何氚”。

另一些团队选择干脆放弃氚燃料。加州初创公司 TAE Technologies 计划使用纯氢和硼，而华盛顿州初创公司 Helion 将融合氘和氦3，这是一种稀有的氦同位素。这些反应需要比 DT 更高的温度，但他们认为这是一个值得为避免氚麻烦而付出的代价。

替代聚变反应具有产生更少甚至不产生中子的额外吸引力，这避免了DT方法威胁的材料损坏和放射性，这应该可以让 TAE 的反应堆——用粒子束稳定旋转的等离子体环——持续40年。挑战在于温度：DT反应堆在1.5亿摄氏度下聚变，而氢和硼则需要10亿摄氏度。Helion 公司的氘和氦3 燃料的燃烧温度仅为 2 亿度，这是使用类似于 TAE 的等离子环实现的，但被磁场压缩。但是氦3虽然稳定，但几乎与氚一样稀有且难以获得。

尽管如此，传统DT聚变的倡导者认为，可以通过建造更多的裂变反应堆来扩大氚供应。世界各地的军队使用氚来提高核武器的产量，并使用专门建造或改装的商业核反应堆建立了自己的氚储备。

也许世界可以看到 CANDU 技术的复兴。许多国家都 CANDU 反应堆的建设计划，他们可以通过在其核心中添加锂棒或在重水慢化剂中掺杂锂来大大提高氚的产量。但卡勒姆聚变能源中心的 Michael Kovari 及其同事在 2018 年发表的一篇关于核聚变的论文认为，此类技术的修改可能会面临监管障碍，因为它们可能会危及反应堆的安全性，并且难以克服氚本身带来的危险。

有人说聚变反应堆可以通过单独使用氘来制造自己的启动氚。但 DD 反应在托卡马克温度下效率极低，而且不会产生能量，还会消耗大量电力。根据 Kovari 的研究，DD 氚生产每一公斤可能要花费20亿美元——有这钱还不如多开几个油田了。

Daniel Jassby 表示，在几十年的聚变研究中，等离子体物理学家一心一意地想达到盈亏平衡点并产生多余的能量。他们认为其他问题，例如获取足够的氚，只是“微不足道的”小事。但随着反应堆接近收支平衡，更多的科学家开始担心那些远非微不足道的工程细节了。