英国和加拿大联手解决核聚变燃料短缺问题

2024-02-28 10:30      同位素  核聚变  英国核电  加拿大核电

英国和加拿大已就一项联合研究计划达成一致,以解决核聚变行业面临的最棘手问题之一——如何生产和加工氚,这是为未来核聚变工厂提供动力所需的极其稀有的氢同位素。


英国和加拿大已就一项联合研究计划达成一致,以解决核聚变行业面临的最棘手问题之一——如何生产和加工氚,这是为未来核聚变工厂提供动力所需的极其稀有的氢同位素。

受到清洁、丰富的新能源承诺的吸引,各国政府已向法国南部的 ITER 原型聚变工厂投入了估计 200 亿欧元,私人资本也流入了最近激增的私营聚变公司。

但大多数这些项目一旦启动并运行,都将依赖氚,而氚的天然储量并不丰富。

英国原子能管理局 (UKAEA) 聚变技术执行董事 Stephen Wheeler 表示,全球氚库存量可能只有 25-30 公斤,价格在每克 30,000-40,000 美元之间。

“这是未来核聚变的一个挑战,一座发电厂可能需要多达 10 公斤的重量来进行调试和启动,”他说。

迫在眉睫的氚短缺问题促使英国原子能机构和加拿大核实验室 (CNL) 本月同意建立新的合作伙伴关系,以磨练在聚变过程中产生、回收和纯化氚的新方法,以便未来的工厂不会耗尽氚。联合研发和人员交流已提上日程。

聚变工业希望通过开发“增殖毯”来解决氚短缺问题,这种“增殖毯”是一种锂包裹物,当受到聚变反应产生的高能中子轰击时会产生氚。

换句话说,一旦启动并运行,聚变反应(与为太阳提供动力的过程相同)应该会产生自己的燃料。

CNL 氢和氚技术理事会负责人伊恩·卡斯蒂略 (Ian Castillo) 比较了启动汽车电池所需的氚。“一旦过去了,原则上就过去了。”

未经证实的过程

这就是理论。实际上,“目前还没有全尺寸毯子的演示,”惠勒承认。

卡斯蒂略说,这一过程的物理学原理已经得到证实。在生产氚以提高核武器威力的过程中,已经进行了规模小得多的培育。

但获得平稳的培育和提取周期以持续为聚变反应提供动力将是一个更令人头疼的问题。

"他说:"更具挑战性的是,你是否能够以一种现在可以从毯子中提取氚、清除氚中的所有污染物、将氚回收并在适当的温度和压力下将氚放回反应堆的方式来培育氚?卡斯蒂略补充说,第一代核聚变电站要想做到这一点,可能会面临陡峭的学习曲线。

UKAEA 目前正在开展两个新项目来测试聚变过程的这一关键部分。锂增殖氚创新 ( LIBRTI ) 计划将测试增殖材料,而H3AT将模拟如何捕获、纯化氚并将其重新注入聚变反应。

氚管理过程非常复杂,H3AT 需要一座四层楼的综合设施才能处理 100 克放射性同位素。惠勒表示,虽然日本、美国、加拿大和欧洲确实存在其他氚处理中心,但 H3AT 预计将成为世界上最大的。

关键商品

惠勒说,即使聚变工业能够破解氚的增殖和回收问题,它“仍将是一种非常有价值的商品”。这是因为,即使成功的氚增殖过程也可能只会产生少量的剩余物质,从而使聚变工厂只能依赖其他来源来启动。

这就是加拿大的优势之处。目前,世界上氚的主要来源是一种特殊类型的裂变工厂,即加拿大氘铀(Candu)反应堆。

出于巧合而不是设计,这些反应堆特别适合收集氚作为副产品。

尽管加拿大在罗马尼亚、韩国、中国、印度、巴基斯坦和阿根廷建造了少量此类反应堆,但其中大部分反应堆都在加拿大境内,而且最重要的是,加拿大在提取和处理废氚方面处于世界领先地位。

罗马尼亚最近才签署了一份价值2 亿美元的合同,为其自己的坎杜工厂建造一座氚提取设施,这也是欧洲第一座工厂。

“这就是协同效应真正发挥得淋漓尽致的地方,”英国合作伙伴关系的卡斯蒂略说。“对我们来说,过去 70 年来,研究氢同位素一直是我们的生计。”

如果核聚变成功,这可能会使加拿大成为世界领先的燃料供应国,从而处于独特的强大地位。

由于人们对能源安全存在更广泛的担忧,加拿大政府还承诺翻新许多坎杜反应堆,使它们能够继续运行到 2070 年代,并有望避免令人担忧的氚供应紧缩。“这是一个游戏规则的改变者,”卡斯蒂略说。“氚生产能力仍将保留。”

惠勒说,除了这些现有的加拿大反应堆之外,甚至还可以专门建造新的裂变工厂来生产更多的氚。“这是一个未来的商业机会。”

CNL 在全球范围内分发这种氚,但仅用于和平目的。

融合硅谷

在可能引起欧盟关注的评论中,卡斯蒂略表示,加拿大选择与英国合作,因为它是“融合硅谷……产生融合生态系统,引进公司并培养员工”。

直到最近,英国的私营核聚变初创企业数量仍超过任何欧盟国家,尽管去年德国迎头赶上。美国仍然轻松领先。

卡斯蒂略还指出,UKAEA 是运营托卡马克聚变反应堆的“唯一可信组织”,该反应堆是牛津附近长期欧洲联合环面 (JET) 项目的一部分。JET 的研究人员(包括来自欧盟的研究人员)本月早些时候声称,他们在最近的实验中打破了新的能源记录。

与此同时,ITER 目前预计要到 2025 年才能产生第一个等离子体反应,而且由于大流行和施工相关的延误,即使这个最后期限也可能会推迟。英国去年选择退出 ITER 的正式成员资格,转而投资本国的聚变工业。

卡斯蒂略强调,与 UKAEA 和 ITER 的合作并不“相互排斥”。但加拿大只是ITER的准成员,而不是正式成员。“从某种程度上来说,加拿大在这场聚会上来得有点晚。所以我认为我们还没有到做出任何进一步承诺的阶段,”他说。

对于 CNL 来说,英国成为有吸引力的合作伙伴的第三个因素是其监管环境。它最近批准了一项立法,使核聚变不受围绕现有裂变工厂的更严格的安全规则的约束。

英国还宣布与美国建立聚变研发合作伙伴关系,并表示将与华盛顿合作,标准化该技术的全球监管。

卡斯蒂略说:“我认为这对加拿大加入这一领先地位将非常有利。”

尽管如此,氚能否成为无价燃料,使加拿大成为全球能源王者,取决于核聚变是否以及何时作为一项技术发挥作用。许多怀疑论者对私营部门在 2035 年之前将聚变发电并入电网的雄心勃勃的时间表表示怀疑。

卡斯蒂略的估计有些长:他认为融合电网发电将在 10-20 年内成为现实。“我想我会看到[这一切发生],”他说。

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