2020 年，加拿大核實驗室向英國的大型聚變反應堆歐洲聯合圓環 (JET) 交付了五個鋼桶，內襯軟木以吸收衝擊。每個鼓裡面都有一個可樂罐大小的鋼瓶，裡面裝著一縷氫氣——只有 10 克，或者幾張紙的重量。

這不是普通的氫，而是它稀有的放射性同位素氚，其中兩個中子和一個質子在原子核中結合在一起。每克 30,000 美元，它幾乎和鑽石一樣珍貴，但對於聚變研究人員來說，這個價格是值得的。當氚在高溫下與其同胞氘結合時，這兩種氣體可以像太陽一樣燃燒。只要聚變科學家弄清楚如何有效地激發它，這種反應就可以提供豐富的清潔能源。

去年，加拿大的氚為 JET 的一項實驗提供了燃料，該實驗表明聚變研究正在接近一個重要的門檻：產生的能量多於反應的能量。通過達到這個盈虧平衡點的三分之一，JET 保證 ITER 是一個類似的反應堆，它是法國正在建設的 JET 的兩倍，當它在下個十年的某個時候開始使用氘和氚 (D-T) 燃燒時，將打破盈虧平衡。 “我們發現的結果與預測相符，”JET 的等離子操作專家 Fernanda Rimini 說。

但核聚變科學家們正在意識到，這一成就可能是一場代價高昂的勝利。預計 ITER 將消耗世界上大部分的氚，為隨後的反應堆留下很少的東西。

聚變倡導者經常吹噓他們的反應堆燃料便宜且豐富。這對於氘來說當然是正確的：海洋中大約每 5000 個氫原子中就有一個是氘，它的售價約為每克 13 美元。但氚的半衰期為 12.3 年，在宇宙射線轟擊的產物上層大氣中自然只有微量存在。核反應堆也產生少量，但很少有人能收穫。

大多數聚變科學家對這個問題不以為然，認為未來的反應堆可以繁殖他們需要的氚。如果反應堆壁襯有金屬，則聚變反應中釋放的高能中子可以將鋰分解成氦和氚。儘管電動汽車電池對鋰有需求，但鋰相對豐富。

抑制需求的一種方法是將冷凍的燃料芯塊深入反應堆的燃燒區，在那裡它們將更有效地燃燒。 另一種是將回收時間縮短至僅 20 分鐘，通過使用金屬箔作為過濾器快速去除雜質，並將氫同位素直接送回機器而不分離它們。 Day 說，它可能不是一個完美的 50-50 D-T 混合，但對於一個工作的反應堆來說，它已經足夠接近了。

聚變是輕質原子聚變時產生的一種核能形式，是每顆恆星核心的工作過程，釋放出巨大的能量。研究人員一直在嘗試利用融合併以可控的方式在地球上複製它。如果他們成功了，他們將為世界提供安全、可持續、環保和豐富的能源。

幾十年來，科學界一直在追求核聚變，但現在研究已經到了關鍵階段，因為科學家們正在建造一個實驗反應堆，有朝一日可能會證明聚變可以在商業上用於發電。

什麼是融合？

50 多年來，核電站通過裂變產生能量，在這個過程中，鈾等重元素被釋放熱量的中子轟擊。

另一方面，核聚變基於相反的原理。在聚變反應堆中，輕原子核在高壓和高溫下被壓縮形成較重的原子核並在此過程中釋放能量。必須優化該過程以產生比消耗更多的能量。有了足夠大和可持續的能源“利潤”，聚變可以用於商業發電。

核聚變中使用的主要燃料是氘和氚，它們都是氫的重同位素。氘僅佔天然氫的一小部分，僅為 0.0153%，可以從海水中廉價提取。氚可以由鋰製成，鋰在自然界中也很豐富。

理論上，一升水中的氘量可以產生與燃燒 300 升油一樣多的能量。這意味著海洋中有足夠的氘來滿足人類數百萬年的能源需求。

融合方式

建造能夠承受該過程產生的巨大溫度和壓力的聚變發電廠是本世紀最大的工程挑戰之一。由氫同位素氘和氚組成的燃料必須加熱到大約 1 億攝氏度。在那個比太陽還熱的溫度下，形成了完全電離的氣體等離子體。然後等離子體將被點燃以產生聚變。目前，科學家們正在研究兩種實現核聚變的方法：慣性和磁約束。

在慣性約束系統中，離子束或激光束用於將豌豆大小的氘氚燃料芯塊壓縮到極高的密度。當達到臨界點時，通過衝擊波加熱點燃顆粒。

使用這種技術的聚變發電廠每秒會多次點燃燃料芯塊。然後將產生的熱量用於產生蒸汽，為發電渦輪機提供動力。

在磁約束系統中，電磁體用於容納等離子燃料。最有希望的選擇之一是託卡馬克裝置，它在一個環形腔室中包含等離子體。在等離子體中感應出強大的電流，導致溫度升高。等離子體也被輔助系統加熱，例如微波、無線電波或加速粒子。在這個過程中，達到了幾億攝氏度的溫度。

5 月，工程師開始組裝 ITER 的反應堆容器。 第一次氚燃燒計劃於 2035 年進行。© ITER ORGANIZATION

對人類的好處

核聚變能的潛在優勢是多方面的，因為它代表了一種長期、可持續、經濟和安全的發電能源。

燃料在自然界中既便宜又豐富，而通過聚變產生的長壽命放射性廢物和溫室氣體的數量卻很少。

雖然核聚變研究仍在繼續，但許多與等離子體物理學和聚變技術相關的衍生產品已經在造福社會。這些包括改進材料研究，如陶瓷、金屬和塗層，以及工業工藝，如焊接和廢物清除。

Bigot 說，當地球上的人口少於 10 億時，就有足夠的可再生能源來滿足需求。

“不再。自工業革命和隨後的人口爆炸以來就沒有了。所以我們接受了化石燃料，對我們的環境造成了很大的傷害。而我們現在擁有 80 億人口，正處於一場劇烈的氣候危機之中，”他說。

他說：“別無選擇，只能擺脫我們目前的主要動力來源。” “而最好的選擇似乎是宇宙已經使用了數十億年的那個。”

模仿太陽
聚變能量是通過將兩個本質上排斥的粒子強制在一起而產生的。在向託卡馬克注入少量燃料後，巨磁體被激活以產生等離子體，這是物質的第四種狀態，有點像帶電的氣體或湯。

通過將託卡馬克內部的溫度升高到不可思議的高水平，燃料中的顆粒被迫融合成一個。這個過程會產生氦和中子——它們的質量比最初製造它們的部件要輕。

缺失的質量轉化為巨大的能量。能夠逃離等離子體的中子然後撞擊託卡馬克壁上的“毯子”，它們的動能以熱量的形式傳遞。這些熱量可以用來加熱水、產生蒸汽和轉動渦輪機發電。

這一切都需要託卡馬克包含嚴重的熱量。等離子體需要達到至少 1.5 億攝氏度，比太陽核心熱 10 倍。這就引出了一個問題：地球上的任何東西怎麼能保持如此高的溫度？

這是幾代聚變能源尋求者設法克服的眾多障礙之一。科學家和工程師設計了巨大的磁鐵來產生強大的磁場來保持熱量被限制住。其他任何東西都會融化。

但有一個問題：為了培育氚，你需要一個工作中的聚變反應堆，而且可能沒有足夠的氚來啟動第一代發電廠。世界上唯一的商業來源是 19 座加拿大氘鈾 (CANDU) 核反應堆，每座核反應堆每年產生約 0.5 公斤的廢物，其中一半將在本十年內退役。根據 ITER 2018 年研究計劃的預測，可用的氚庫存——據認為今天約為 25 公斤——將在本世紀末之前達到頂峰，並隨著被出售和衰減而開始穩步下降。

氚供應減少
幾公斤的市售氚來自加拿大和韓國的一種核反應堆 CANDU 工廠。根據 ITER 的預測，供應量將在這十年達到頂峰，然後開始穩步下降，當 ITER 開始燃燒氚時，供應量將加速下降。

氚供應量（公斤）
供應在 2030 年之前達到峰值。
即使沒有 ITER，由於 CANDU 退役、氚衰變和其他銷售，供應也會下降。
由於 ITER 每年燃燒 0.9 千克氚，下降速度加快。
隨著退役的 ITER 返回未使用的氚，庫存增加。
圖形：K.富蘭克林/科學； （數據）分階段方法中的 ITER 研究計劃，ITR-18-003，（2018）
ITER 的第一個實驗將使用氫和氘，並且不產生淨能量。但一旦它開始產生能量產生 D-T 彈丸，ITER 科學部門負責人阿爾貝托·洛阿爾特預計該反應堆每年將消耗多達 1 公斤的氚。 “它將消耗大量可用的資源，”他說。希望在那之後啟動反應堆的聚變科學家可能會發現 ITER 已經喝了他們的奶昔。

使問題更加複雜的是，一些人認為氚增殖——從未在聚變反應堆中進行過測試——可能無法勝任這項任務。在最近的一次模擬中，加州大學洛杉磯分校的核工程師 Mohamed Abdou 和他的同事發現，在最好的情況下，一個發電反應堆只能產生比它自身燃料所需的略多的氚。氚洩漏或長時間的維護停機將在這個狹窄的範圍內消失。

稀缺的氚並不是聚變面臨的唯一挑戰；該領域還必須學會處理斷斷續續的操作、等離子體的湍流爆發和中子損傷（見下面的邊欄）。但對於從普林斯頓等離子體物理實驗室 (PPPL) 退休的等離子體物理學家、D-T 聚變能的知名批評家丹尼爾·賈斯比來說，氚問題迫在眉睫。他說，這對整個企業來說可能是致命的。 “這使得氘氚聚變反應堆成為不可能。”

如果不是 CANDU 反應堆，D-T 聚變將是一個無法實現的夢想。 “世界上發生聚變最幸運的事情是 CANDU 反應堆產生氚作為副產品，”Abdou 說。許多核反應堆使用普通水來冷卻堆芯並“緩和”連鎖反應，從而減慢中子的速度，因此它們更有可能引發裂變。 CANDU反應堆使用重水，其中氘代替氫，因為它吸收較少的中子，留下更多用於裂變。但偶爾，氘核確實捕獲中子並轉化為氚。

如果重水中的氚含量過多，可能會造成輻射危害，因此運營商經常將重水送到公用事業公司安大略發電 (OPG) 進行“脫氚”。 OPG 過濾掉氚，每年賣出大約 100 克氚，主要用作醫用放射性同位素以及用於夜光手錶錶盤和緊急指示牌。 “這是一個非常好的廢物到產品的故事，”作為 OPG 分銷商的加拿大核實驗室的 Ian Castillo 說。

使用反應堆將大大增加需求。 OPG 副總裁 Jason Van Wart 預計，從 2030 年代開始，每年的運輸量將達到 2 公斤，屆時 ITER 和其他聚變初創公司計劃開始燃燒氚。 “我們的立場是盡我們所能，”他說。

但隨著 CANDU（其中許多 50 歲或以上）退役，供應量將會下降。研究人員在 20 多年前就意識到，聚變的“氚窗”最終會被關閉，從那以後情況只會變得更糟。 ITER 原本打算在 2010 年代初啟動並在同一十年燒毀 D-T。但由於法國核監管機構要求進行大流行和安全檢查，ITER 的啟動已被推遲到 2025 年，並​​且可能會再次推遲。 ITER 最早要到 2035 年才會燃燒 D-T，屆時氚供應將萎縮。

根據 ITER 的預測，一旦 ITER 在 2050 年代完成工作，氚的殘留量將達到 5 公斤或更少。 EuroFusion 研究機構聚變技術負責人 Gianfranco Federici 承認，在最壞的情況下，“似乎沒有足夠的氚來滿足 ITER 之後的聚變需求”。

一個巨大的環形反應堆容器的一部分，懸掛在一個圓形的房間裡。
5 月，工程師開始組裝 ITER 的反應堆容器。第一次氚燃燒計劃於 2035 年進行。© ITER ORGANIZATION
一些私營公司正在設計更小的聚變反應堆，這些反應堆的建造成本更低，而且——至少在最初——使用更少的氚。馬薩諸塞州的一家初創公司 Commonwealth Fusion Systems 表示，它已經為其緊湊型原型和早期示範反應堆獲得了氚供應，預計在開發過程中這些反應堆需要不到 1 公斤的同位素。

但中國、韓國和美國計劃的更大的、由公共資助的試驗反應堆可能每個都需要幾公斤。啟動 EuroFusion 計劃中的 ITER 繼任者將需要更多，這是一個名為 DEMO 的機器怪物。作為一個正在運行的發電廠，它預計將比 ITER 大 50%，向電網提供 500 兆瓦的電力。

聚變反應堆通常需要大量的啟動氚供應，因為合適的聚變條件只發生在電離氣體等離子體的最熱部分。這意味著環形反應堆容器或託卡馬克中的氚很少被燃燒。研究人員預計 ITER 將燃燒不到 1% 的注入氚；其餘的將擴散到託卡馬克的邊緣並被掃入回收系統，該系統從廢氣中去除氦和其他雜質，留下 D-T 的混合物。然後將同位素分離並送回反應器。這可能需要幾小時到幾天的時間。

DEMO 的設計師正在研究減少其啟動需求的方法。 “我們需要有一個低氚 [起始] 庫存，”卡爾斯魯厄理工學院的 Christian Day 說，他是 DEMO 燃料循環設計的項目負責人。 “如果你需要 20 公斤來裝滿它，那是個問題。”
 

但 Abdou 表示，DEMO 的胃口可能仍然很大。他和他的同事為發電反應堆（包括 DEMO 及其後續產品）模擬了 D-T 燃料循環。他們估計了一些因素，包括燃燒 D-T 燃料的效率、回收未燃燒燃料所需的時間以及反應堆運行的時間比例。在 2021 年發表在《核聚變》上的一篇論文中，該團隊得出結論，僅 DEMO 就需要 5 至 14 公斤的氚才能開始——這比預計反應堆在 2050 年代啟動時可能提供的要多。

即使演示團隊和其他 ITER 後反應堆設計人員可以減少對氚的需求，如果氚繁殖不起作用，聚變也將沒有未來。根據 Abdou 的說法，一個生產 3 吉瓦電力的商業聚變工廠每年將燃燒 167 公斤氚——這是數百個 CANDU 反應堆的輸出。

育種的挑戰在於聚變不會產生足夠的中子，這與裂變不同，裂變中的連鎖反應釋放出指數級增長的數量。在聚變中，每個 D-T 反應只產生一個中子，可以孕育出一個氚核。由於繁殖系統無法捕獲所有這些中子，因此它們需要中子倍增器的幫助，這種材料在被中子撞擊時會釋放出兩個作為回報。工程師計劃將鋰與倍增材料（如鈹或鉛）混合在反應堆壁上的毯子中。

ITER 將是第一個試驗繁殖毯的聚變反應堆。測試將包括液體毯（鋰和鉛的熔融混合物）以及固體“卵石床”（含有鋰的陶瓷球與鈹球混合）。由於成本削減，ITER 的增殖系統將在 600 平方米的反應堆內部僅佔 4 平方米。 ITER 之後的聚變反應堆將需要盡可能多地覆蓋表面，以便有機會滿足其對氚的需求。

氚可以連續提取，也可以在計劃停機期間提取，具體取決於鋰是液態還是固態，但必須堅持不懈地進行繁殖。繁殖毯還有第二項工作：從中子中吸收千兆瓦的能量並將其轉化為熱量。通過熱毯輸送水或加壓氦氣的管道將吸收熱量並產生蒸汽，從而驅動發電渦輪機。 ITER 工程設計主管馬里奧·梅羅拉 (Mario Merola) 說：“所有這些都在具有超高真空、中子轟擊和高磁場的聚變反應堆環境中進行。” “這是一個工程挑戰。”

對於 Abdou 和他的同事來說，這不僅僅是一個挑戰——這很可能是不可能的。他們的分析發現，利用目前主要由 ITER 定義的技術，繁殖毯最多只能產生比反應堆消耗的多 15% 的氚。但研究得出的結論是，這個數字更有可能是 5%——一個令人擔憂的小幅度。

作者確定的一個關鍵因素是反應堆停機時間，當氚繁殖停止但同位素繼續衰變時。只有當反應堆的運行時間超過 50% 時，才能保證可持續性，這對於像 ITER 這樣的實驗反應堆來說實際上是不可能的，對於像 DEMO 這樣需要停機進行調整以優化性能的原型來說也很困難。 Abdou 說，如果現有的託卡馬克可以作為指導，那麼故障之間的時間可能是幾小時或幾天，而維修則需要幾個月的時間。他說，未來的反應堆可能難以運行超過 5% 的時間。

為了使養殖可持續，運營商還需要控制氚洩漏。對於 Jassby 來說，這是真正的殺手。氚因滲透反應堆的金屬壁並從微小的縫隙中​​逸出而臭名昭著。 Abdou 的分析假設損失率為 0.1%。 “我認為這不現實，”賈斯比說。 “想想氚必須去的所有地方”，因為它在復雜的反應堆和後處理系統中移動。 “你不能失去任何氚。”

兩個私人聚變努力決定乾脆放棄氚燃料。加州初創公司 TAE Technologies 計劃使用純氫和硼，而華盛頓州初創公司 Helion 將融合氘和氦 3，這是一種稀有的氦同位素。這些反應需要比 D-T 更高的溫度，但這些公司認為，為了避免氚麻煩，這是值得付出的代價。 “我們公司的存在歸功於氚的稀缺性和令人討厭的事實，”TAE 首席執行官 Michl Binderbauer 說。
 

替代聚變反應具有產生更少甚至不產生中子的額外吸引力，這避免了 D-T 方法威脅的材料損壞和放射性。 Binderbauer 說，沒有中子應該可以讓 TAE 的反應堆——用粒子束穩定等離子體的旋轉環——持續 40 年。挑戰在於溫度：D-T 將在 1.5 億攝氏度下融合，而氫和硼則需要 10 億攝氏度。

Helion 的氘和氦 3 燃料的燃燒溫度僅為 2 億度，這是使用與 TAE 類似但被磁場壓縮的等離子環實現的。但是氦3雖然穩定，但幾乎與氚一樣稀有且難以獲得。它的大多數商業來源取決於氚的衰變，通常來自軍事儲備。然而，Helion 的 CEO David Kirtley 表示，通過在燃料混合物中加入額外的氘，他的團隊可以產生 D-D 聚變反應，從而產生氦 3。 “這是一個成本低得多的系統，更容易加油，更容易操作，”他說。

儘管如此，傳統 D-T 聚變的倡導者認為，可以通過建造更多的裂變反應堆來擴大氚供應。世界各地的軍隊使用氚來提高核武器的產量，並使用專門建造或改裝的商業核反應堆建立了自己的氚儲備。

例如，美國能源部 (DOE) 依賴於商業反應堆——由田納西河谷管理局運營的瓦茨棒 1 號和 2 號機組——其中鋰控制棒已經取代了一些硼控制棒。這些棒偶爾會被取出並加工以提取氚。 DOE 在 1980 年代和 90 年代為 PPPL 提供了氚，當時實驗室有一個 D-T 燃燒反應器。但費德里奇認為該機構或世界各地的軍隊不會涉足銷售同位素的業務。 “氚的國防儲備不可能永遠共享，”他說。

也許世界可以看到 CANDU 技術的複興。韓國有四個 CANDU 反應堆和一個提取氚的工廠，但不進行商業銷售。羅馬尼亞有兩個，正在建設一個氚設施。中國有幾個 CANDU，印度已經建立了一些 CANDU 衍生品。他們的氚生產可以通過在其核心中添加鋰棒或在重水慢化劑中摻雜鋰來進行渦輪增壓。但卡勒姆聚變能源中心的邁克爾·科瓦里 (Michael Kovari) 及其同事在 2018 年發表的一篇關於核聚變的論文認為，此類修改可能會面臨監管障礙，因為它們可能會危及反應堆的安全性，並且由於氚本身的危險。

有人說聚變反應堆可以通過單獨使用氘來製造自己的啟動氚。但是 D-D 反應在託卡馬克溫度下效率極低，而且不會產生能量，而是消耗大量電力。根據 Kovari 的研究，DD 氚育種每生產一公斤可能要花費 20 億美元。所有這些解決方案“都會帶來重大的經濟和監管困難，”科瓦里說。
 

在幾十年的聚變研究中，等離子體物理學家一心一意地想達到盈虧平衡點並產生多餘的能量。 Jassby 說，他們認為其他問題，例如獲取足夠的氚，只是“微不足道的”工程。 但隨著反應堆接近收支平衡，像阿卜杜這樣的核工程師說，是時候開始擔心那些遠非微不足道的工程細節了。 “把[他們]留到以後是大錯特錯的。”