英國和加拿大已就一項聯(lián)合研究計劃達成一致，以解決核聚變行業(yè)面臨的最棘手問題之一——如何生產(chǎn)和加工氚，這是為未來核聚變工廠提供動力所需的極其稀有的氫同位素。
受到清潔、豐富的新能源承諾的吸引，各國政府已向法國南部的 ITER 原型聚變工廠投入了估計 200 億歐元，私人資本也流入了最近激增的私營聚變公司。
但大多數(shù)這些項目一旦啟動并運行，都將依賴氚，而氚的天然儲量并不豐富。
英國原子能管理局 (UKAEA) 聚變技術(shù)執(zhí)行董事 Stephen Wheeler 表示，全球氚庫存量可能只有 25-30 公斤，價格在每克 30,000-40,000 美元之間。
“這是未來核聚變的一個挑戰(zhàn)，一座發(fā)電廠可能需要多達 10 公斤的重量來進行調(diào)試和啟動，”他說。
迫在眉睫的氚短缺問題促使英國原子能機構(gòu)和加拿大核實驗室 (CNL) 本月同意建立新的合作伙伴關(guān)系，以磨練在聚變過程中產(chǎn)生、回收和純化氚的新方法，以便未來的工廠不會耗盡氚。聯(lián)合研發(fā)和人員交流已提上日程。
聚變工業(yè)希望通過開發(fā)“增殖毯”來解決氚短缺問題，這種“增殖毯”是一種鋰包裹物，當(dāng)受到聚變反應(yīng)產(chǎn)生的高能中子轟擊時會產(chǎn)生氚。
換句話說，一旦啟動并運行，聚變反應(yīng)(與為太陽提供動力的過程相同)應(yīng)該會產(chǎn)生自己的燃料。
CNL 氫和氚技術(shù)理事會負責(zé)人伊恩·卡斯蒂略 (Ian Castillo) 比較了啟動汽車電池所需的氚。“一旦過去了，原則上就過去了。”
未經(jīng)證實的過程
這就是理論。實際上，“目前還沒有全尺寸毯子的演示，”惠勒承認。
卡斯蒂略說，這一過程的物理學(xué)原理已經(jīng)得到證實。在生產(chǎn)氚以提高核武器威力的過程中，已經(jīng)進行了規(guī)模小得多的培育。
但獲得平穩(wěn)的培育和提取周期以持續(xù)為聚變反應(yīng)提供動力將是一個更令人頭疼的問題。
"他說："更具挑戰(zhàn)性的是，你是否能夠以一種現(xiàn)在可以從毯子中提取氚、清除氚中的所有污染物、將氚回收并在適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫ο聦㈦胺呕胤磻?yīng)堆的方式來培育氚?卡斯蒂略補充說，第一代核聚變電站要想做到這一點，可能會面臨陡峭的學(xué)習(xí)曲線。
UKAEA 目前正在開展兩個新項目來測試聚變過程的這一關(guān)鍵部分。鋰增殖氚創(chuàng)新 ( LIBRTI ) 計劃將測試增殖材料，而H3AT將模擬如何捕獲、純化氚并將其重新注入聚變反應(yīng)。
氚管理過程非常復(fù)雜，H3AT 需要一座四層樓的綜合設(shè)施才能處理 100 克放射性同位素。惠勒表示，雖然日本、美國、加拿大和歐洲確實存在其他氚處理中心，但 H3AT 預(yù)計將成為世界上最大的。
關(guān)鍵商品
惠勒說，即使聚變工業(yè)能夠破解氚的增殖和回收問題，它“仍將是一種非常有價值的商品”。這是因為，即使成功的氚增殖過程也可能只會產(chǎn)生少量的剩余物質(zhì)，從而使聚變工廠只能依賴其他來源來啟動。
這就是加拿大的優(yōu)勢之處。目前，世界上氚的主要來源是一種特殊類型的裂變工廠，即加拿大氘鈾(Candu)反應(yīng)堆。
出于巧合而不是設(shè)計，這些反應(yīng)堆特別適合收集氚作為副產(chǎn)品。
盡管加拿大在羅馬尼亞、韓國、中國、印度、巴基斯坦和阿根廷建造了少量此類反應(yīng)堆，但其中大部分反應(yīng)堆都在加拿大境內(nèi)，而且最重要的是，加拿大在提取和處理廢氚方面處于世界領(lǐng)先地位。
羅馬尼亞最近才簽署了一份價值2 億美元的合同，為其自己的坎杜工廠建造一座氚提取設(shè)施，這也是歐洲第一座工廠。
“這就是協(xié)同效應(yīng)真正發(fā)揮得淋漓盡致的地方，”英國合作伙伴關(guān)系的卡斯蒂略說。“對我們來說，過去 70 年來，研究氫同位素一直是我們的生計。”
如果核聚變成功，這可能會使加拿大成為世界領(lǐng)先的燃料供應(yīng)國，從而處于獨特的強大地位。
由于人們對能源安全存在更廣泛的擔(dān)憂，加拿大政府還承諾翻新許多坎杜反應(yīng)堆，使它們能夠繼續(xù)運行到 2070 年代，并有望避免令人擔(dān)憂的氚供應(yīng)緊縮。“這是一個游戲規(guī)則的改變者，”卡斯蒂略說。“氚生產(chǎn)能力仍將保留。”
惠勒說，除了這些現(xiàn)有的加拿大反應(yīng)堆之外，甚至還可以專門建造新的裂變工廠來生產(chǎn)更多的氚。“這是一個未來的商業(yè)機會。”
CNL 在全球范圍內(nèi)分發(fā)這種氚，但僅用于和平目的。
融合硅谷
在可能引起歐盟關(guān)注的評論中，卡斯蒂略表示，加拿大選擇與英國合作，因為它是“融合硅谷……產(chǎn)生融合生態(tài)系統(tǒng)，引進公司并培養(yǎng)員工”。
直到最近，英國的私營核聚變初創(chuàng)企業(yè)數(shù)量仍超過任何歐盟國家，盡管去年德國迎頭趕上。美國仍然輕松領(lǐng)先。
卡斯蒂略還指出，UKAEA 是運營托卡馬克聚變反應(yīng)堆的“唯一可信組織”，該反應(yīng)堆是牛津附近長期歐洲聯(lián)合環(huán)面 (JET) 項目的一部分。JET 的研究人員(包括來自歐盟的研究人員)本月早些時候聲稱，他們在最近的實驗中打破了新的能源記錄。
與此同時，ITER 目前預(yù)計要到 2025 年才能產(chǎn)生第一個等離子體反應(yīng)，而且由于大流行和施工相關(guān)的延誤，即使這個最后期限也可能會推遲。英國去年選擇退出 ITER 的正式成員資格，轉(zhuǎn)而投資本國的聚變工業(yè)。
卡斯蒂略強調(diào)，與 UKAEA 和 ITER 的合作并不“相互排斥”。但加拿大只是ITER的準成員，而不是正式成員。“從某種程度上來說，加拿大在這場聚會上來得有點晚。所以我認為我們還沒有到做出任何進一步承諾的階段，”他說。
對于 CNL 來說，英國成為有吸引力的合作伙伴的第三個因素是其監(jiān)管環(huán)境。它最近批準了一項立法，使核聚變不受圍繞現(xiàn)有裂變工廠的更嚴格的安全規(guī)則的約束。
英國還宣布與美國建立聚變研發(fā)合作伙伴關(guān)系，并表示將與華盛頓合作，標準化該技術(shù)的全球監(jiān)管。
卡斯蒂略說：“我認為這對加拿大加入這一領(lǐng)先地位將非常有利。”
盡管如此，氚能否成為無價燃料，使加拿大成為全球能源王者，取決于核聚變是否以及何時作為一項技術(shù)發(fā)揮作用。許多懷疑論者對私營部門在 2035 年之前將聚變發(fā)電并入電網(wǎng)的雄心勃勃的時間表表示懷疑。
卡斯蒂略的估計有些長：他認為融合電網(wǎng)發(fā)電將在 10-20 年內(nèi)成為現(xiàn)實。“我想我會看到[這一切發(fā)生]，”他說。
