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核聚变技术面临燃料危机

2022-05-26 08:31:19 嘿嘿能源heypower
甚至还没有开始工作,核聚变就已经遇到了氚的短缺问题,而氚是核聚变反应堆的关键燃料来源。
 
在法国南部,国际热核实验反应堆(ITER)正逐步接近完成。当它最终在2035年完全开启时,ITER将成为有史以来最大的核聚变装置。
 
在一个被称为托卡马克的环形的反应室中,两种类型的氢,即氘和氚,将被聚合在一起,它们在比太阳表面更热的等离子体中融合,释放出大量能量,为数以万计的家庭提供清洁电力,这原本只是一种只存在于科幻小说的无限电力来源。
 
至少我们是这样计划的。问题是,当ITER准备好的时候,可能已经没有足够的燃料来运行它了。
 
像许多最著名的实验性核聚变反应堆一样,ITER的实验依赖于氘和氚的稳定供应。氘可以从海水中提取,但氚这种氢的放射性同位素却非常罕见。
 
氚在大气中的含量在20世纪60年代达到顶峰,当时还没有禁止试验核武器,根据最新的估计,现在地球上只有不到20公斤(44磅)的氚。而随着ITER项目的拖延,虽然预算多了几十亿,但我们用来为聚变反应堆提供燃料的氚源正在慢慢消失。
 
现在,像ITER和英国较小的JET托卡马克这样的聚变实验中使用的氚,来自一种非常特殊的核裂变反应堆,称为重水慢化反应堆。但是,大部分此类反应堆即将退役,全世界仅剩不到30个在运行。20个在加拿大,4个在韩国,2个在罗马尼亚,每个反应堆每年生产大约100克的氚。(印度有计划建造更多,但它不太可能将氚提供给聚变研究人员)。
 
核聚变的全部意义在于,它比传统的核裂变反应堆发电更清洁、更安全。马祖卡托说:“用肮脏的裂变反应堆为‘干净的’核聚变反应堆提供燃料是荒谬的。”他是一位退休的物理学家,尽管在他的工作生涯中大部分时间都在研究托卡马克,但他一直是ITER以及更广泛的核聚变的公开批评者。
 
氚的第二个问题是它衰减得很快,其半衰期为12.3年,这意味着当ITER准备好开始氘—氚聚合操作时(恰好在大约12.3年后),今天可用的一半氚将衰变为氦—3。这个问题在ITER启动后只会变得更糟,届时还将有几个氘氚(D-T)的后续被计划。
 
上述两个问题将氚从一个必须小心处理的核裂变的无用副产品,变成了地球上最昂贵的物质。它的价格是每克3万美元,而且据估计,工作中的聚变反应堆每年将需要多达200公斤的氚。更糟糕的是,氚也被核武器项目所觊觎,因为它有助于使核弹的威力更大。军队倾向于自己生产氚,因为拥有世界大部分氚生产能力的加拿大拒绝为非和平目的出售它。
 
1999年,普林斯顿等离子体物理实验室的研究员保罗—卢瑟福(Paul Rutherford)发表了一篇论文,预测了这个问题,并描述了“氚窗口”的最优点。随着重水慢速反应堆的关闭,氚的供应将达到顶峰,然后逐渐减少。我们现在就在这个最优点上,但是ITER比计划晚了近十年,并没有准备好利用它。“如果ITER像我们三年前计划的那样,一切都会很顺利”,ITER的燃料循环部门负责人威尔姆斯说。“我们现在大约正处于这个氚窗口的高峰期”。
 
科学家们知道这个潜在的问题已经有几十年了,他们开发了一个巧妙的方法:计划使用核聚变反应堆来“培育”氚,以便它们最终在燃烧的同时实现自我补充。这项增殖技术通过用锂-6的“毯子”包围核聚变反应堆来发挥作用。
 
当一个中子逃离反应堆并击中一个锂-6分子时,它会生成氚,然后就可以被提取并反馈到反应中。JET核聚变项目的主办方英国原子能管理局的发言人怀特说:“计算表明,一个设计得当的“培育毯”将能够为发电厂提供足够的氚,以实现燃料的自给自足,还有一点额外的氚用于启动新反应堆。
 
氚的培育技术原本打算作为ITER的一部分进行测试,但随着其成本从最初的60亿美元膨胀到超过250亿美元,它被悄悄放弃了。威尔姆斯在ITER的工作是管理较小规模的测试。ITER将使用手提箱大小的不同形式的锂样品插入托卡马克周围的“端口”,而不是围绕聚变反应植入一整片锂。
 
然而,即使是威尔姆斯也承认,这项技术离投入使用还有很长的路要走,而且对氚培育的全面测试将不得不等到下一代反应堆,有人认为这可能太晚了。马祖卡托说:“2035年之后,我们必须建造一台新的机器,这将需要再花20或30年的时间来测试像如何生产氚这样的关键任务。因此,如果我们在本世纪末之前不能准备好,我们如何用聚变反应堆来阻止和制止全球变暖?”
 
还有其他制造氚的方法。将育种材料主动插入核裂变反应堆,或使用直线加速器向氦-3发射中子。但这些技术太昂贵,无法用于所需的数量,而且它们仍然核武器项可以目的储备。威尔姆斯说,如果想做到完美,应该有一个更雄心勃勃的计划,与ITER平行开发育种技术,以便在ITER完善核聚变反应堆时,有一个燃料源来运行它。他说:“我们不希望在汽车建成后就没油了。”
 
氚的问题正在助长对ITER以及更普遍的D-T核聚变项目的怀疑态度。最初选择这两种元素是因为它们能在相对较低的温度下聚合,而且在核聚变的早期是有意义的。那时,其他一切技术路线似乎都不可能。
 
但是现在,在人工智能控制的磁铁的帮助下,限制核聚变反应的技术,以及材料科学的进步,一些公司正在探索替代方案。总部位于加州的TAE技术公司正试图建立一个使用氢和硼的核聚变反应堆,它说这将是比D-T核聚变更清洁、更实用的方案。
 
它的目标是在2025年前达到净能量增益,即核聚变反应创造的能量多于其消耗的能量。硼可以从海水中以公吨为单位提取,而且它还有一个好处,就是不会像D-T核聚变那样对机器进行辐照。TAE技术公司首席执行官Michl Binderbauer说,这是一条更具有商业可行性的可扩展核聚变动力路线。
 
但是主流核聚变专家仍然对ITER寄予希望,尽管其关键燃料存在潜在的供应问题。威尔姆斯说:“核聚变真的非常非常困难,除了氘氚以外的任何东西都将是100倍的困难。一个世纪后,也许我们才可以谈论其他东西。”



责任编辑: 江晓蓓

标签: 核聚变

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