1克氚要3万美元，全球核聚变反应堆将遭遇断氚之殇？
聚变反应堆将大大增加对氚的需求。安大略发电公司的副总裁杰森.范.瓦特（Jason Van Wart）预计，从2030年后，当ITER和其它核聚变初创公司将开始燃烧氚，每年氚的出货量会达到2公斤。
但随着CANDU（其中许多已运行了50年或更长时间）退役，氚的供应量将下降，聚变反应堆的“氚窗”最终可能会砰然关闭。ITER最初计划在2010年左右启动，并在十年内开始燃烧氘-氚。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最早可能要到2035年才会燃烧氘-氚，那时氚的供应量将面临枯竭。
根据ITER的预测，一旦ITER在2050年后结束工作，全球将只剩下5公斤或更少的氚。最坏的情况可能是，“在ITER之后，没有足够的氚来满足核聚变反应堆的需求。”欧洲核聚变研究机构（EuroFusion）聚变技术主管詹弗兰科.费德里西（Gianfranco Federici）说。
图二：位于法国的ITER聚变反应堆装置
一些私营公司正在设计更小的聚变反应堆，在运行初期能够使用更少的氚。美国马萨诸塞州的一家初创公司“联邦核聚变系统”（Commonwealth Fusion Systems）表示，它已经为其紧凑型的原型堆和早期示范反应堆确保了氚供应，预计在开发过程中需要不到1公斤的氚。
不过，中国、韩国和美国政府计划的大型试验聚变反应堆中，每个堆每年可能都需要几公斤氚。根据欧洲核聚变研究机构预计，ITER的继任者DEMO还需要更多的氚，DEMO将比ITER大50%，届时其将作为一个示范发电站，为电网提供500兆瓦的电力。
聚变反应堆通常需要大量的氚进行启动，因为聚变只发生在电离气体等离子体最热的部分。这意味着在甜甜圈形状的托卡马克装置（一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器）中，很少的氚被燃烧。研究人员预计，ITER燃烧的氚量不到其注入量的1%；其余的氚将扩散到托卡马克装置的边缘，并被扫入回收系统。
为此，DEMO的设计者正在研究一些方法，来减少启动聚变反应时对氚的需求。一种方法是将冷冻的燃料颗粒发射到反应堆的深度燃烧区，在那里它们将更有效地燃烧。另一种方法是将回收时间缩短到20分钟，利用金属箔作为过滤器快速去除杂质，并将氚直接送回机器中而不是分离它们。
但阿卜杜表示，DEMO的胃口可能仍然很大。他和同事模拟了包括DEMO在内的反应堆中的氘-氚燃料循环，得出结论，仅DEMO就需要5公斤到14公斤的氚才能启动，超过预计该反应堆在2050年后启动时可能获得的氚量。
利用核聚变本身实现氚增殖挑战重重
不过，即使DEMO团队和其它的反应堆设计者能够减少其对氚的需求，如果不能成功实现氚增殖，核聚变也将没有未来。根据阿卜杜的观点，一个年产3吉瓦电的商业核聚变工厂每年将燃烧167公斤氚——这相当于数百个CANDU反应堆的氚产量。
氚增殖的挑战在于，核聚变不能产生足够的中子，这与裂变不同，裂变是链式反应，释放出的中子数量呈指数级增长。在核聚变中，每次氘-氚反应只产生一个中子，形成1个氚原子核。因此，反应堆的增殖系统需要中子倍增材料的帮助，当被1个中子撞击，倍增材料会产生两个中子。工程师计划将锂与倍增材料（如铍或铅）混合在反应堆壁层的“毯子”中。
图三：聚变反应堆使用“增殖毯”的内部结构
ITER将成为第一个试验“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）以及固体“卵石床”（含有锂与铍球混合的陶瓷球）。由于成本削减，ITER将在600平方米的反应堆内部仅铺设4平方米的增殖材料。ITER之后的聚变反应堆将需要覆盖住尽可能多的表面，才有机会满足对氚的需求。
不过，阿卜杜和他的同事们分析发现，以目前的技术，并根据ITER的情况估计，“增殖毯”产生的氚最多只能比反应堆消耗的氚多15%，而这个数字更有可能是5%。
另一个影响氚增殖的因素是反应堆停机时间。当氚增殖停止，但同位素继续衰变。只有当反应堆运行超过50%的时间时，可持续性才能得到保证。
无论是对于像ITER这样的实验反应堆，还是对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。
