供应将枯竭 全球核融合反应炉面致命危机

氚的供应量将面临枯竭。 图：ITER推特@iterorg

1 克价格高达 3 万美元的氚，几乎和钻石一样昂贵，但对于核融和支持者来说，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。只要人们能找到完成核融合的有效方法，这种反应便能提供无尽的绿能。

据《澎湃新闻》报导，加拿大核实验室 2020 年向英国大型核融合反应炉“欧洲联合环状反应炉”（Joint European Torus ，JET）交付了5个钢桶，每个桶里都有一个可乐罐大小的钢瓶，瓶里装有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。

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融合反应正在接近一个重要的临界值：核融合反应炉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，核融合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融合实验反应炉（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》期刊近日一篇文章分析，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，留给后续核融合反应炉的氚将极少。ITER 初期的实验将使用氢和氘，不产生绿能。然而，一旦它开始产生净能量的氘（氚燃烧），反应炉每年将消耗多达 1 公斤的氚。

核融合支持者们一向宣称，反应炉燃料廉价且充裕。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，天然氚是宇宙线轰击的产物，只在地球高层大气中微量存在。链式核反应炉也能产生少量的氚，但很少被收集。

大多数核融合研究者对此不屑一顾，认为未来的核融合反应炉可以生产出需要的氚。如果反应炉内壁衬有金属锂，融合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核融合反应炉，而第一代核融合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 座加拿大重水铀反应炉 （CANDU，是一种加压重水反应炉设计），每个反应堆每年产生约 0.5 公斤氚，但这些核反应堆中半数将于十年内退役。根据ITER 2018 年的推测，可用氚的库存将在十年内达到峰值，之后会随著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。

雪上加霜的是，一些人认为氚增殖可能无法真正实现。氚增殖从未在核融合反应炉中测试过，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，一个能产生绿能的反应炉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。

氚的稀缺并不是核融合反应炉面临的唯一挑战，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。但在普林斯顿电浆物理实验室（PPPL）前工作人员、等离子体物理学家贾斯比（Daniel Jassby）看来，氚紧缺的问题迫在眉睫。“这对整个核融合事业来说，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反应炉面临退役，如果没有CANDU反应炉，氘-氚聚变将是一个无法实现的梦想。“对于全球核融合反应炉而言，最幸运的是可以利用CANDU反应炉产生的副产品氚”。阿卜杜说。

安大略发电公司副总裁瓦特（Jason Wart）预估，从2030年后，当ITER和其它核融合初创公司将开始燃烧氚，每年氚的出货量会达到 2 公斤。

但随著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，核融合反应炉的“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。