澎湃新闻记者 森宁

2020年，加拿大核实验室向位于英国的大型核聚变反应堆欧洲联合环流器（Joint European Torus ，JET）交付了5个钢桶，里面覆盖着软木来吸收冲击。每个桶都有一个可乐罐大小的瓶子，瓶子里有一缕氢——只有10克，重量相当于几张纸。

这不是一种普通的氢，而是一种稀有的放射性同位素，由两个中子和一个质子组成。1克的价格是3万美元，几乎和钻石一样昂贵，但对于核聚变支持者来说，它是值得的。当高温下与同位素兄弟锶结合时，它可以像太阳一样燃烧。只要人们能找到有效的方法来刺激核聚变，这种反应就能提供无尽的清洁能源。

2021年，来自加拿大的锶JET一项实验提供了燃料，证明人类核聚变反应接近一个重要的临界值：聚变反应堆产生的能量超过了反应投入的能量。通常，人们使用Q值（能量输出输入比）来表示，只有Q值大于1，才能使用聚变反应装置进行发电。JET已达约0.67。

这一成就也是国际热核聚变实验堆（International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER）在未来十年内实现Q值1的突破，ITER它是在法国建造的，类似于JET聚变反应堆体积为JET的两倍。

然而，科学（www.science.com）网站最近的一篇文章分析说，这场胜利可能得不偿失。因为到那时，ITER目前人类掌握的大部分δ都会被消耗掉，后续聚变反应堆留下的ー也很少。ITER在不产生净能量的情况下，最初的实验将使用氢和锶。然而，一旦它开始燃烧净能量，反应堆每年消耗多达1公斤的ー。

核聚变支持者一直声称，聚变反应堆燃料便宜而丰富。对于锶来说，这是不可否认的：在海洋中，每5000个氢原子中就有一个是每克约13美元。然而，半衰期为12.3年，天然锶是宇宙射线轰击的产物，只存在于地球高层大气中。链式核反应堆也能产生少量的δ，但很少收集。

大多数聚变研究人员鄙视它，认为未来的核聚变反应堆可以生产所需的磷。如果反应堆内壁有金属锂，聚变反应中释放的高能中子可以将锂分成氦和锂，而锂资源在地球上相对充足。

但问题是，人们需要一个正常工作的聚变反应堆，而第一代核聚变发电站很可能没有足够的开始。目前，全球唯一的商业来源是19座加拿大铀核反应堆（CANDU，坎杜反应堆，又称坎杜反应堆，是一种加压重水反应堆设计)，每个反应堆每年产生约0.5公斤，但这些核反应堆中的一半将在十年内退役。根据ITER 根据2018年的推测，随着出售和衰退，可用的δ库存将在十年内达到峰值。目前全球存量约为25公斤。

图1：供应趋势趋势：供应趋势

更糟糕的是，有些人认为可能无法真正实现。在最近的模拟中，加州大学洛杉矶分校的核工程师穆罕默德在聚变反应堆中从未被测试过。·阿卜杜（Mohamed Abdou）和他的同事们发现，在最好的情况下，一个能产生净能量的聚变反应堆产生的氚只比其自身燃料所需的氚略多。长期停机维护反应堆会蚕食这一小红利。

在聚变反应堆面临的挑战中，运营商还必须学会处理等离子体湍流爆发和中子损伤等问题。但在普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）等离子体物理学家丹尼尔·贾斯比（Daniel Jassby）看来，问题迫在眉睫。这可能是对整个核聚变事业的致命打击。贾斯对科学说。

唯一的商业来源是ー——CANDU反应堆面临退休

如果没有CANDU对于全球核聚变反应堆来说，最幸运的是使用它CANDU阿卜杜说，反应堆产生的副产品。

许多核反应堆使用普通水冷却堆芯，缓解链反应，减慢中子速度，使其更容易引起裂变。CANDU反应堆使用重水，其中以氘代替氢，因为它吸收的中子较少，能够留下更多的中子用于裂变。但偶尔，氘原子核会捕获一个中子，转化为氚。

如果重水中积聚过多的磷，可能会造成辐射危害。因此，运营商经常将重水送到加拿大安大略发电公司（OPG）进行降解。安大略发电公司每年将过滤掉并出售大约100克，主要用作医用放射性同位素或夜光表盘和应急标志。

聚变反应堆将大大增加对苯的需求。杰森，安大略发电公司副总裁.范.瓦特（Jason Van Wart）预计2030年以后，当ITER与其他核聚变初创公司一起，每年出货量将达到2公斤。

但随着CANDU(其中许多已经运行了50年或更长时间)退休后，供应量会下降，聚变反应堆的δ窗最终可能会砰的一声关闭。ITER最初的计划是在2010年左右开始，并在十年内开始燃烧。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它最早可能要到2035年才能燃烧，届时将会耗尽。

根据ITER预测，一旦ITER2050年以后，世界上只剩下5公斤或更少的δ。最糟糕的情况可能是，在ITER之后，核聚变反应堆的需求还不够。欧洲核聚变研究机构（EuroFusion）詹弗兰科.费德里西（Gianfranco Federici）说。

图2：位于法国的ITER聚变反应堆装置

一些私营公司正在设计较小的聚变反应堆，在运行初期可以使用较少的ー。马萨诸塞州的一家初创公司联邦核聚变系统（Commonwealth Fusion Systems）它表示，它已经确保了其紧凑的原型堆和早期的示范反应堆的供应，预计在开发过程中需要不到1公斤。

然而，在中国、韩国和美国政府计划的大型试验聚变反应堆中，每个堆每年可能需要几公斤。根据欧洲核聚变研究机构的预期，ITER的继任者DEMO需要更多的δ，DEMO将比ITER大50%，将作为示范发电站，为电网提供500兆瓦的电力。

聚变反应堆通常需要离气体等离子体最热的部分，因此聚变反应堆通常需要大量的锶来启动。这意味着在托卡马克装置（一个使用磁约束来实现控制核聚变的环形容器）中，很少燃烧。研究人员预测，ITER不到其注入量的1%，其余的将扩散到托卡马克装置的边缘，并被扫入回收系统。

为此，DEMO设计师们正在研究一些方法来减少开始聚变反应时对δ的需求。一种方法是将冷冻燃料颗粒发射到反应堆的深度燃烧区域，这将更有效地燃烧。另一种方法是将回收时间缩短到20分钟，使用金属箔作为过滤器快速去除杂质，并将直接送回机器而不是分离。

但阿卜杜说，DEMO胃口可能还是很大的。他和同事模拟了，包括DEMO在反应堆中，只得出结论DEMO需要5公斤到14公斤才能启动，超过2050年后反应堆启动时可能获得的反应堆量。

利用核聚变本身实现重大挑战

不过，即使DEMO团队和其他反应堆设计师可以减少他们对磷的需求，如果不能成功实现，核聚变将没有未来。根据阿卜杜的观点，一家年产3吉瓦电的商业核聚变工厂每年燃烧167公斤，相当于数百公斤CANDU反应堆的产量。

与裂变不同不能产生足够的中子，这与裂变不同，裂变是链式反应，释放的中子数呈指数级增长。在核聚变中，每次只产生一个中子，形成一个δ原子核。因此，反应堆的增殖系统需要中子倍增材料的帮助，当被一个中子撞击时，倍增材料会产生两个中子。工程师计划在反应堆壁层的毯子中混合锂和倍增材料(如铍或铅)。

图3：聚变反应堆采用增殖毯的内部结构

ITER它将成为第一个测试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）和固体卵石床（含锂和铍球的陶瓷球）。由于成本降低，ITER在600平方米的反应堆内只铺设4平方米的增殖材料。ITER之后，聚变反应堆需要覆盖尽可能多的表面，才有机会满足ー的需求。

然而，阿卜杜和他的同事发现，根据目前的技术，根据ITER据估计，增殖毯产生的最多只能比反应堆消耗的多15%，而这个数字更有可能是5%。

另一个影响反应堆停机的因素是反应堆停机时间。当反应堆停止时，同位素继续衰变。只有当反应堆运行超过50%时，才能保证其可持续性。

无论是图像ITER这种实验反应堆仍然是对的DEMO这样需要停机进行调整以优化性能的原型堆而言，这样的运行时间都很难保证。阿卜杜说，如果以现有的托卡马克装置为参照，故障发生的间隔时间可能是数小时或数天，维修将需要数月。他说，未来的聚变反应堆可能很难运行超过5%的时间。

此外，运营商还需要控制ju泄漏，以使ju增值可持续。ju会通过一个小间隙逃离反应堆的金属反应堆壁。阿卜杜的分析假设损失率为0.1%。但贾斯比认为，不仅如此，当ju通过复杂的反应堆和后处理系统时，想想它会去哪里。 贾斯比说。

可以通过聚变反应堆放弃δ燃料吗？

在这种情况下，两家核聚变私营公司决定干脆放弃δ燃料。

三氦能源技术创公司三氦能源技术（TAE Technologies）位于华盛顿州的初创公司氦核计划使用普通氢和硼（Helion）它将与氦-3-稀有氦同位素融合。这些反应需要比锶更高的温度，但两家公司认为这是一个值得付出的代价，以避免出现的问题。

这些替代聚变反应堆也有附加的吸引力，即产生较少甚至不产生中子，避免了材料损伤和放射性。 TAE米歇尔公司首席执行官·宾德鲍（Michl Binderbauer）说，没有中子，TAE该公司的反应器(粒子束稳定旋转的等离子体环)可维持40年。但这种反应堆模式的主要挑战来自于温度：1.5亿摄氏度，而普通氢和硼需要10亿摄氏度。

Helion该公司的燃料为δ和氦-3，燃烧温度为2亿摄氏度，类似于TAE等离子体环，但必须通过磁场压缩。然而，氦-3虽然稳定，但几乎稀有，难以获得。它的大部分商业来源依赖于δ的衰变。Helion首席执行官大卫.科特里（David Kirtley ）表示，通过在燃料混合物中加入额外的氘，可以发生氘-氘聚变反应，从而产生氦-3。

尽管如此，传统的聚变提倡者认为，通过建造更多的裂变反应堆，可以扩大其供应。目前，一些拥有核武器的国家专门建造或改装了商业核反应堆，并建立了自己的δ库存。20世纪80年代和90年代，美国能源部为普林斯顿等离子体物理实验室提供了一堆燃烧反应堆。然而，费德里西并不认为该机构或世界各地的军队将参与销售δ。他说：国防储备不太可能分享，他说。

也许世界可以看到CANDU技术复兴。韩国有四座CANDU反应堆和业销售的情况下，反应堆和售。罗马尼亚有两个，正在建设一个设施。中国有几个CANDU反应堆。它们可以通过在堆芯中加入锂棒，或者用锂与重水慢化剂混合来增加其产量。然而，这种做法可能会损害反应堆的安全性，而且δ本身也是危险的。

在几十年的核聚变研究中，等离子体物理学家全心全意地追求聚变反应堆Q值的突破，希望反应堆能产生多余的能量。贾斯比说，他们认为其他问题，比如获得足够的ー，只是一个微不足道的项目。但随着反应堆越来越接近临界值，是时候开始担心远非微不足道的项目细节了。把问题拖到未来只会是一个大错误。阿卜杜说。

主编：康逸梅

校对：张亮亮