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核聚變技術面臨燃料危機

來源：新能源網(wǎng)
時間：2022-05-26 09:02:07
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核聚變技術面臨燃料危機甚至還沒有開始工作，核聚變就已經(jīng)遇到了氚的短缺問題，而氚是核聚變反應堆的關鍵燃料來源。在法國南部，國際熱核實驗反應堆（ITER）正逐步接近完成。當它最終在20

甚至還沒有開始工作，核聚變就已經(jīng)遇到了氚的短缺問題，而氚是核聚變反應堆的關鍵燃料來源。
在法國南部，國際熱核實驗反應堆（ITER）正逐步接近完成。當它最終在2035年完全開啟時，ITER將成為有史以來最大的核聚變裝置。
在一個被稱為托卡馬克的環(huán)形的反應室中，兩種類型的氫，即氘和氚，將被聚合在一起，它們在比太陽表面更熱的等離子體中融合，釋放出大量能量，為數(shù)以萬計的家庭提供清潔電力，這原本只是一種只存在于科幻小說的無限電力來源。
至少我們是這樣計劃的。問題是，當ITER準備好的時候，可能已經(jīng)沒有足夠的燃料來運行它了。
像許多最著名的實驗性核聚變反應堆一樣，ITER的實驗依賴于氘和氚的穩(wěn)定供應。氘可以從海水中提取，但氚這種氫的放射性同位素卻非常罕見。
氚在大氣中的含量在20世紀60年代達到頂峰，當時還沒有禁止試驗核武器，根據(jù)最新的估計，現(xiàn)在地球上只有不到20公斤（44磅）的氚。而隨著ITER項目的拖延，雖然預算多了幾十億，但我們用來為聚變反應堆提供燃料的氚源正在慢慢消失。
現(xiàn)在，像ITER和英國較小的JET托卡馬克這樣的聚變實驗中使用的氚，來自一種非常特殊的核裂變反應堆，稱為重水慢化反應堆。但是，大部分此類反應堆即將退役，全世界僅剩不到30個在運行。20個在加拿大，4個在韓國，2個在羅馬尼亞，每個反應堆每年生產(chǎn)大約100克的氚。（印度有計劃建造更多，但它不太可能將氚提供給聚變研究人員）。
核聚變的全部意義在于，它比傳統(tǒng)的核裂變反應堆發(fā)電更清潔、更安全。馬祖卡托說：“用骯臟的裂變反應堆為‘干凈的’核聚變反應堆提供燃料是荒謬的。”他是一位退休的物理學家，盡管在他的工作生涯中大部分時間都在研究托卡馬克，但他一直是ITER以及更廣泛的核聚變的公開批評者。
氚的第二個問題是它衰減得很快，其半衰期為12.3年，這意味著當ITER準備好開始氘—氚聚合操作時（恰好在大約12.3年后），今天可用的一半氚將衰變?yōu)楹?mdash;3。這個問題在ITER啟動后只會變得更糟，屆時還將有幾個氘氚（D-T）的后續(xù)被計劃。
上述兩個問題將氚從一個必須小心處理的核裂變的無用副產(chǎn)品，變成了地球上最昂貴的物質(zhì)。它的價格是每克3萬美元，而且據(jù)估計，工作中的聚變反應堆每年將需要多達200公斤的氚。更糟糕的是，氚也被核武器項目所覬覦，因為它有助于使核彈的威力更大。軍隊傾向于自己生產(chǎn)氚，因為擁有世界大部分氚生產(chǎn)能力的加拿大拒絕為非和平目的出售它。
1999年，普林斯頓等離子體物理實驗室的研究員保羅—盧瑟福（Paul Rutherford）發(fā)表了一篇論文，預測了這個問題，并描述了“氚窗口”的最優(yōu)點。隨著重水慢速反應堆的關閉，氚的供應將達到頂峰，然后逐漸減少。我們現(xiàn)在就在這個最優(yōu)點上，但是ITER比計劃晚了近十年，并沒有準備好利用它。“如果ITER像我們?nèi)昵坝媱澋哪菢樱磺卸紩茼樌?rdquo;，ITER的燃料循環(huán)部門負責人威爾姆斯說。“我們現(xiàn)在大約正處于這個氚窗口的高峰期”。
科學家們知道這個潛在的問題已經(jīng)有幾十年了，他們開發(fā)了一個巧妙的方法：計劃使用核聚變反應堆來“培育”氚，以便它們最終在燃燒的同時實現(xiàn)自我補充。這項增殖技術通過用鋰-6的“毯子”包圍核聚變反應堆來發(fā)揮作用。
當一個中子逃離反應堆并擊中一個鋰-6分子時，它會生成氚，然后就可以被提取并反饋到反應中。JET核聚變項目的主辦方英國原子能管理局的發(fā)言人懷特說：“計算表明，一個設計得當?shù)?ldquo;培育毯”將能夠為發(fā)電廠提供足夠的氚，以實現(xiàn)燃料的自給自足，還有一點額外的氚用于啟動新反應堆。
氚的培育技術原本打算作為ITER的一部分進行測試，但隨著其成本從最初的60億美元膨脹到超過250億美元，它被悄悄放棄了。威爾姆斯在ITER的工作是管理較小規(guī)模的測試。ITER將使用手提箱大小的不同形式的鋰樣品插入托卡馬克周圍的“端口”，而不是圍繞聚變反應植入一整片鋰。
然而，即使是威爾姆斯也承認，這項技術離投入使用還有很長的路要走，而且對氚培育的全面測試將不得不等到下一代反應堆，有人認為這可能太晚了。馬祖卡托說：“2035年之后，我們必須建造一臺新的機器，這將需要再花20或30年的時間來測試像如何生產(chǎn)氚這樣的關鍵任務。因此，如果我們在本世紀末之前不能準備好，我們?nèi)绾斡镁圩兎磻褋碜柚购椭浦谷蜃兣?rdquo;
還有其他制造氚的方法。將育種材料主動插入核裂變反應堆，或使用直線加速器向氦-3發(fā)射中子。但這些技術太昂貴，無法用于所需的數(shù)量，而且它們?nèi)匀缓宋淦黜椏梢阅康膬?。威爾姆斯說，如果想做到完美，應該有一個更雄心勃勃的計劃，與ITER平行開發(fā)育種技術，以便在ITER完善核聚變反應堆時，有一個燃料源來運行它。他說：“我們不希望在汽車建成后就沒油了。”
氚的問題正在助長對ITER以及更普遍的D-T核聚變項目的懷疑態(tài)度。最初選擇這兩種元素是因為它們能在相對較低的溫度下聚合，而且在核聚變的早期是有意義的。那時，其他一切技術路線似乎都不可能。
但是現(xiàn)在，在人工智能控制的磁鐵的幫助下，限制核聚變反應的技術，以及材料科學的進步，一些公司正在探索替代方案。總部位于加州的TAE技術公司正試圖建立一個使用氫和硼的核聚變反應堆，它說這將是比D-T核聚變更清潔、更實用的方案。
它的目標是在2025年前達到凈能量增益，即核聚變反應創(chuàng)造的能量多于其消耗的能量。硼可以從海水中以公噸為單位提取，而且它還有一個好處，就是不會像D-T核聚變那樣對機器進行輻照。TAE技術公司首席執(zhí)行官Michl Binderbauer說，這是一條更具有商業(yè)可行性的可擴展核聚變動力路線。
但是主流核聚變專家仍然對ITER寄予希望，盡管其關鍵燃料存在潛在的供應問題。威爾姆斯說：“核聚變真的非常非常困難，除了氘氚以外的任何東西都將是100倍的困難。一個世紀后，也許我們才可以談論其他東西。”
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