可控核聚变曙光初现，一朵乌云紧随其后可控核聚变曙光初现

可控核聚变曙光初现，一朵乌云紧随其后

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几十年来，可控核聚变无论是在科学界还是在民间讨论中，都被视为终极能源解决方案之一。虽然人们经过了一个又一个“五十年内实现”的失望，但是科学家们确实一直在努力。而在最近，聚变反应堆“盈利”的消息令人振奋，贪吃的反应堆在吞下巨量电能后终于回报了稍微多一些的能量，人类多年来的梦想似乎即将实现，但是就像一百多年前英国物理学家WilliamThomson在英国皇家学会发表的那次演讲中提到的“两朵乌云”一样，可控核聚变作为一种实用工程技术而非理论模型，可能面临着难以解决的实际问题。

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ITER聚变巨型反应堆的内部（艺术家想象图）
图源：DAVIDPARKER/SCIENCESOURCE
2020年，加拿大核实验室向位于英国的欧洲联合环状反应堆JET交付了五个钢桶，每个桶里都有一个可乐罐大小的钢瓶，里面装着一缕氢气，只有10克重——这不是普通的氢气，而是它稀有的放射性同位素氚，其中两个中子和一个质子在原子核中结合在一起，每克价值3万美元。这个价格虽然贵但是其潜在的价值则更高：可控的核聚变必须使用这种氢燃料。
JET最近实验表明聚变研究正在接近一个重要的门槛：产生的能量多于反应的能量。而多国联合开发的国际热核聚变实验堆（ITER）正是一个类似的反应堆，其规模是JET的两倍，当它在2030年之后的某个时候开始氘和氚(DT反应堆)燃烧时，将打破盈亏平衡，真正实现输出的能量大于输入。
但核聚变科学家们正在意识到，预期中的点火可能没法开始。
大多数聚变科学家对这个问题不以为然，认为未来的反应堆可以产生他们需要的氚。如果反应堆壁衬有金属锂，则聚变反应中释放的高能中子可以将锂分解成氦和氚。但是这个反应的前提是有一个正在运行的聚变反应堆，这个反应堆本身也需要足够的氚来启动。
目前世界上唯一的氚的商业来源是19座加拿大氘铀(CANDU)核反应堆，每座反应堆每年产生约0.5公斤的氚，其中一半将在2030年前退役。根据ITER2018年研究计划的预测，可用的氚库存——据估计目前约为25公斤——将在2030之前达到顶峰，并随着被出售和衰变而开始稳步下降。

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图表：K.FRANKLIN/SCIENCE;(DATA)ITERRESEARCHPLANWITHINTHESTAGEDAPPROACH,ITR-18-003,(2018)
ITER的第一个实验将使用氢和氘，并且不会产生净输出能量。但一旦它开始运行可以产生能量的DT反应堆，每年将消耗1公斤的氚。
而现实是，那种理论上可以产生氚的方式，其实从未在聚变反应堆中进行过测试。在最近的一次计算机模拟中，加州大学洛杉矶分校的核工程师MohamedAbdou和他的同事发现，在最好的情况下，发电反应堆只能产生比其自身燃料所需略多一点的氚，而如果考虑到泄露和停机维护，这多出来的一点点也没法收集到。
如果没有CANDU反应堆， DT反应堆将是一个遥不可及的梦想。 “世界上发生聚变最幸运的事情是CANDU反应堆产生氚作为副产品， ”MohamedAbdou说。许多核反应堆使用普通水来冷却堆芯并“减速”连锁反应，从而减慢中子的速度，因此它们更有可能引发裂变。 CANDU反应堆使用重水，其中氘代替了氢，因此它可以吸收较少的中子，留下更多用于裂变。但偶尔，氘核确实捕获中子并转化为了氚。