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可控核聚变实现后,氚资源会枯竭吗?

2026-08-18

每当看到关于“人造太阳”的新闻时,我心中总是充满复杂的情绪。一方面,各国在这一领域投入巨额资金,争相推动研究与开发,另一方面,所需的燃料却少得可怜。氚,这种物质在地球上的总量仅约为3.5公斤,几乎与一瓶大可乐的重量相当。然而,我们却寄希望于它来支撑人类未来的能源需求,这种期望就如同用一把米开一家粥店。氚是氢的一种同位素,只有在宇宙射线与大气反应时才能产生极微量。它的性质相对不稳定,半衰期仅约为12.3年,存放时间越久钦前的量就会减少,犹如冰淇淋融化成水。因此,氚的自然产生量始终保持在几公斤的级别,无法通过“挖矿”方式获取,必须依靠“合成”。

那么全球的氚储备到底有多少呢?根据一份新数据,全球的商业氚储备大约为50公斤,主要由加拿大的重水堆CANDU系统产生;而另一份数据显示,仅约20公斤,几乎全部为CANDU的副产品。全球有19座CANDU反应堆,每座年度产出氚约为0.5公斤,若将这一产量用于聚变堆,根本无法满足需求。更令人沮丧的是,氚的售价极高,每克氚的市场价在3万到4万美元之间,使其成为地球上最昂贵的物质之一,基于这些数据,商业氚的价格换算成公斤后大约为3300万美元,而美国的洛斯阿拉莫斯实验室的研究人员也坦承,美国在民用氚生产方面没有能力。试问,谁又能承受如此高昂的成本?

再看看消耗速度。一座100兆瓦的聚变电厂,每年需要消耗17公斤的氚;而在1吉瓦的规模下,仅一天就需消耗400克。一座1吉瓦的聚变堆在满功率下,全年食用的氚量可达到55.6公斤,日均消耗152克。用这一数据对比全球现有的20多公斤储备,显然不足以维持商用堆的运作。行业内对此形成了共识,采用氘和氚作为燃料的聚变堆,必须自我生成氚,即自我增殖。在首次点火之前,就需要注入若干公斤的氚,这个时间节点与国际热核聚变实验堆(ITER)及示范堆的关键进展期恰好一致,这一现象被称为“启动氚缺口”,是近年来面临的重要技术挑战。

2026年中国的聚变研究领域动静颇大。今年年初,中国的EAST设备取得了重要成果,突破了学术界多年的“格林沃尔德密度极限”,首次证实“无密度自由区”的存在,为磁约束聚变的高密度运行提供了新的物理理论支撑。这是上半年最振奋人心的科研进展,但即使在这一广阔的物理探索中,燃料问题依旧没有得到解决。与此同时,民营企业也在急速追赶。今年1月,能量奇点的“洪荒70”在第5319次实验中实现了120秒的稳态长脉冲等离子体,成为全球首个由民营公司打造的百秒级运行装置。同一个月,星环聚能也完成了10亿元的A轮融资,创下国内可控核聚变领域的融资新纪录。资金来得快,设备搭建迅速,可是氚的来源未见解决之道。

工程进度也在不断推进。到2025年10月,合肥的BEST装置成功安装了400吨、直径18米的杜瓦底座,计划在2027年建成,并争取在2030年实现全球首次聚变能发电,领先ITER项目十年以上。而2025年6月,CFETR也正式改名为中国聚变工程示范堆CFEDR,标志着工程试验向示范工程的升级,预示着需求的急剧增长。海外的竞争也愈发激烈,美国的Helion Energy正在建设其首个商用聚变电厂“猎户座”;意大利佐恩集团与美国CFS签署了超过10亿美元的售电协议;而英国的Tokamak Energy则期待在2034年建成实验工厂。ITER的项目截至2026年5月底也已安装了五个真空室扇区,全球都在同一氚池中争相取水。

那未来的出路在哪里?显然,氚矿资源不可得。业内人士开始寄希望于“氚增殖包层”,其位于等离子体的外部,可以捕获氘氚反应生成的中子。理想状态下,通过烧掉一个氚原子,释放的中子可生成新的氚,实现自给自足。尽管理论简单,实际操作却异常复杂。业内表示,“包层”的工程实施极为困难。锂-6吸收中子生成氚的方案备受关注,但工程化这一环节仍需克服不少挑战,氚燃料自持循环技术依然是当前的瓶颈之一,氚必须在堆内增殖并有效循环,但该技术尚未取得实质性突破。这犹如让锅里的米自己生长,尽管图纸上已有理论,现实中却难以实现。

最近,欧洲提出了一项有前景的方案。德国的Proxima Fusion及合作方于2025年2月发布的Stellaris工程概念,通过模拟结果显示氚增殖比大于1,即理论上能够实现在多年的运行中不需要外部氚的供应。尽管如此,能否将这一理论转化为实际成果,仍需通过真实实验数据进行验证,跨出这一步才算真正实现目标。还有一种思路是利用核裂变的副产品,研究人员目前正在开发利用核废料来生产氚的新系统。据估算,该系统若在1吉瓦的能量下运行,一年可产生2公斤的氚,几乎与加拿大全国的反应堆年度产量相当。尽管听起来是变废为宝的创新,但也暴露出与追求“终极清洁能源”初衷相悖的短板。

更远的目标或许可以寄希望于外太空。氦-3是氚衰变的产物,长年累月的太阳风作用使得月壤中潜藏了丰富的氦-3。然而,地球上的氦-3资源极其稀缺,由于其会缓慢地泄漏到太空,若人类要进行大规模的开采,简直面临巨大的挑战。