地球天然氚仅几公斤,百万千瓦聚变电站一年却要吞百余公斤

聚变这个东西,从上世纪就被人记住了,国际上很多国家都投入大量精力去研究它。就在今年七八月份,中核集团牵头把聚变加料的国际标准送进国际标准化组织官方文件。十二个国家包括法国德国俄罗斯在内,全都票决通过。这表面看是技术走向海外,实际上却说明聚变离真正连上电网越来越近,燃料问题也变得绕不开。

氢家族里有个兄弟叫氚,原子核结构上它是一个质子加上两个中子。由于中子数量多,它本身不稳定,容易放射性衰变成为氦,半衰期大约十二年多一点。宇宙射线在高空不断制造新的氚,可这些新生的氚也撑不住十几年就有一半缩水。这就让地球上的天然氚永远只能维持在几公斤的水平,永远无法满足大规模能源需求。

答案藏在一层特殊的包被里,专业上称为氚增殖包层。它包裹在反应堆芯外面,里面填充含锂六的陶瓷小球或锂合金。当聚变反应产生的高能中子撞击锂时,会发生反应产生氦和氚。整个过程简单得像自然法则,可在工程层面却复杂得多,需要反复试验调整。

行内有个重要指标叫氚增殖比,意思是烧掉一个氚,包层至少要再生产出一点多一点的氚。通常要求达到一比一点零五以上,才能实现基本自给。国际原子能机构发布的示范堆许可框架里,这个数字已经作为建造许可证的硬性要求写入。这看起来只是多了百分之五,却成了实际工程里的拦路虎。

目前多个装置的实测数据显示,包层出口的氚提取效率最高也就六成多。一部分氚还会进入冷却水,或者钻进钢结构里变成难提取的“钉子户”。中核集团西南物理研究院和中国工程物理研究院,在含氚重水提取氚、气液催化交换、超声分子束加料等方向积累了多年经验。那项刚刚通过的国际标准,就是从这些积累里长出来的成果。合肥科学岛上还有专门的氚工艺实验室,正在为BEST装置的未来建设打基础。

地球上那几公斤天然氚,从来就没有打算用来支撑聚变能源。真正让人担心的,是人造氚的循环工艺能不能在工程上真正跑通。产得出来、提得出来、计算清楚、控制住泄漏,每一步都像是一座大山。任何一步卡住,聚变电站就可能一天都烧不下去,商业化进程也就遥遥无期。

还有一条备选路线正在探索。人们设想用氘加上氦三作为第二代燃料,或者用氦三对撞作为第三代。这样一来,就能避开氚的不稳定问题,也能减少中子辐射带来的影响。不过氦三在地球上比氚还稀缺,反倒是月球南极地区储量丰富。这也是中美俄印等航天大国近年来一直关注月球的原因。嫦娥六号带回的月背样品里,专门的团队正在分析氦三含量。

现在聚变最棘手的关卡,已经从温度高不高、约束时间长不长这些物理参数,转向了工程上的可靠性。破裂预警能不能提前,装置第一壁能不能经得住中子轰击,氚循环能不能自己转起来。三点都顺利过关,“人造太阳”才算真正落地。


(财经责编:拓荒牛 )