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(yīng)堆的關(guān)鍵燃料來源。
在法國南部，國際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）正逐步接近完成。當(dāng)它最終在2035年完全開啟時(shí)，ITER將成為有史以來最大的核聚變裝置。
在一個(gè)被稱為托卡馬克的環(huán)形的反應(yīng)室中，兩種類型的氫，即氘和氚，將被聚合在一起，它們?cè)诒忍柋砻娓鼰岬牡入x子體中融合，釋放出大量能量，為數(shù)以萬計(jì)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(jì)劃的。問題是，當(dāng)ITER準(zhǔn)備好的時(shí)候，可能已經(jīng)沒有足夠的燃料來運(yùn)行它了。
像許多最著名的實(shí)驗(yàn)性核聚變反應(yīng)堆一樣，ITER的實(shí)驗(yàn)依賴于氘和氚的穩(wěn)定供應(yīng)。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(jì)60年代達(dá)到頂峰，當(dāng)時(shí)還沒有禁止試驗(yàn)核武器，根據(jù)最新的估計(jì)，現(xiàn)在地球上只有不到20公斤（44磅）的氚。而隨著ITER項(xiàng)目的拖延，雖然預(yù)算多了幾十億，但我們用來為聚變反應(yīng)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(shí)驗(yàn)中使用的氚，來自一種非常特殊的核裂變反應(yīng)堆，稱為重水慢化反應(yīng)堆。但是，大部分此類反應(yīng)堆即將退役，全世界僅剩不到30個(gè)在運(yùn)行。20個(gè)在加拿大，4個(gè)在韓國，2個(gè)在羅馬尼亞，每個(gè)反應(yīng)堆每年生產(chǎn)大約100克的氚。（印度有計(jì)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(yīng)堆發(fā)電更清潔、更安全。馬祖卡托說：“用骯臟的裂變反應(yīng)堆為‘干凈的’核聚變反應(yīng)堆提供燃料是荒謬的。”他是一位退休的物理學(xué)家，盡管在他的工作生涯中大部分時(shí)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(píng)者。
氚的第二個(gè)問題是它衰減得很快，其半衰期為12.3年，這意味著當(dāng)ITER準(zhǔn)備好開始氘—氚聚合操作時(shí)（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(gè)問題在ITER啟動(dòng)后只會(huì)變得更糟，屆時(shí)還將有幾個(gè)氘氚（D-T）的后續(xù)被計(jì)劃。
上述兩個(gè)問題將氚從一個(gè)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(jià)格是每克3萬美元，而且據(jù)估計(jì)，工作中的聚變反應(yīng)堆每年將需要多達(dá)200公斤的氚。更糟糕的是，氚也被核武器項(xiàng)目所覬覦，因?yàn)樗兄谑购藦椀耐Ω?。軍?duì)傾向于自己生產(chǎn)氚，因?yàn)閾碛惺澜绱蟛糠蛛吧a(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(shí)驗(yàn)室的研究員保羅—盧瑟福（Paul Rutherford）發(fā)表了一篇論文，預(yù)測了這個(gè)問題，并描述了“氚窗口”的最優(yōu)點(diǎn)。隨著重水慢速反應(yīng)堆的關(guān)閉，氚的供應(yīng)將達(dá)到頂峰，然后逐漸減少。我們現(xiàn)在就在這個(gè)最優(yōu)點(diǎn)上，但是ITER比計(jì)劃晚了近十年，并沒有準(zhǔn)備好利用它。“如果ITER像我們?nèi)昵坝?jì)劃的那樣，一切都會(huì)很順利”，ITER的燃料循環(huán)部門負(fù)責(zé)人威爾姆斯說。“我們現(xiàn)在大約正處于這個(gè)氚窗口的高峰期”。
科學(xué)家們知道這個(gè)潛在的問題已經(jīng)有幾十年了，他們開發(fā)了一個(gè)巧妙的方法：計(jì)劃使用核聚變反應(yīng)堆來“培育”氚，以便它們最終在燃燒的同時(shí)實(shí)現(xiàn)自我補(bǔ)充。這項(xiàng)增殖技術(shù)通過用鋰-6的“毯子”包圍核聚變反應(yīng)堆來發(fā)揮作用。
當(dāng)一個(gè)中子逃離反應(yīng)堆并擊中一個(gè)鋰-6分子時(shí)，它會(huì)生成氚，然后就可以被提取并反饋到反應(yīng)中。JET核聚變項(xiàng)目的主辦方英國原子能管理局的發(fā)言人懷特說：“計(jì)算表明，一個(gè)設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)?ldquo;培育毯”將能夠?yàn)榘l(fā)電廠提供足夠的氚，以實(shí)現(xiàn)燃料的自給自足，還有一點(diǎn)額外的氚用于啟動(dòng)新反應(yīng)堆。
氚的培育技術(shù)原本打算作為ITER的一部分進(jìn)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(yīng)植入一整片鋰。
然而，即使是威爾姆斯也承認(rèn)，這項(xiàng)技術(shù)離投入使用還有很長的路要走，而且對(duì)氚培育的全面測試將不得不等到下一代反應(yīng)堆，有人認(rèn)為這可能太晚了。馬祖卡托說：“2035年之后，我們必須建造一臺(tái)新的機(jī)器，這將需要再花20或30年的時(shí)間來測試像如何生產(chǎn)氚這樣的關(guān)鍵任務(wù)。因此，如果我們?cè)诒臼兰o(jì)末之前不能準(zhǔn)備好，我們?nèi)绾斡镁圩兎磻?yīng)堆來阻止和制止全球變暖？”
還有其他制造氚的方法。將育種材料主動(dòng)插入核裂變反應(yīng)堆，或使用直線加速器向氦-3發(fā)射中子。但這些技術(shù)太昂貴，無法用于所需的數(shù)量，而且它們?nèi)匀缓宋淦黜?xiàng)可以目的儲(chǔ)備。威爾姆斯說，如果想做到完美，應(yīng)該有一個(gè)更雄心勃勃的計(jì)劃，與ITER平行開發(fā)育種技術(shù)，以便在ITER完善核聚變反應(yīng)堆時(shí)，有一個(gè)燃料源來運(yùn)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(duì)ITER以及更普遍的D-T核聚變項(xiàng)目的懷疑態(tài)度。最初選擇這兩種元素是因?yàn)樗鼈兡茉谙鄬?duì)較低的溫度下聚合，而且在核聚變的早期是有意義的。那時(shí)，其他一切技術(shù)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(yīng)的技術(shù)，以及材料科學(xué)的進(jìn)步，一些公司正在探索替代方案。總部位于加州的TAE技術(shù)公司正試圖建立一個(gè)使用氫和硼的核聚變反應(yīng)堆，它說這將是比D-T核聚變更清潔、更實(shí)用的方案。
它的目標(biāo)是在2025年前達(dá)到凈能量增益，即核聚變反應(yīng)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(gè)好處，就是不會(huì)像D-T核聚變那樣對(duì)機(jī)器進(jìn)行輻照。TAE技術(shù)公司首席執(zhí)行官M(fèi)ichl Binderbauer說，這是一條更具有商業(yè)可行性的可擴(kuò)展核聚變動(dòng)力路線。
但是主流核聚變專家仍然對(duì)ITER寄予希望，盡管其關(guān)鍵燃料存在潛在的供應(yīng)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(gè)世紀(jì)后，也許我們才可以談?wù)撈渌麞|西。”
責(zé)任編輯： 江曉蓓
標(biāo)簽：核聚變
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