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核聚变燃料,存着也会减少

100克氚即使没有泄漏或消耗,十年后也只剩约57克。从真实的储存与回收设备,看燃料采购为何离不开电站建设进度。

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氢与氘的储存试验设备,照片由ITER于2013年刊载。
氢与氘的储存试验设备,照片由ITER于2013年刊载。© ITER Organization, https://www.iter.org/ · 使用条款

把100克氚存起来,不去使用。即使没有泄漏,也不补充,十年后仍只剩约57克。氚是与氘配合使用的核聚变燃料之一,即使电站尚未启动,它的数量也在减少。提前备好燃料看似理所当然,但买得越早,等待的时间也越长。首次运行所需的燃料,究竟该何时采购?

容器密封,原子仍在变化

氚是氢的放射性同位素。ITER给出的半衰期约为12.3年。在储存过程中,氚原子核会衰变成氦-3。即使没有从容器中泄漏,可用作燃料的氚原子也会减少。

按12.3年的半衰期计算,假设没有补充、取出或泄漏,100克氚在一年后剩94.5克,五年后剩75.4克,十年后剩56.9克。公式为100×2^(−年数/12.3)。这里计算的是剩余氚的质量,并不是容器及其内容物总重量的变化。

储存燃料,也要回收燃料

燃料并不是只能以气体形式放着。ITER在2013年介绍的韩国试验设施,使用氢和氘研究将其吸收进金属的储存技术。改变金属温度,可以控制吸收与释放。头图展示的就是用于这些试验的手套箱。

燃料的约束与管理也不止于储存容器。ITER正在建设水去氚系统,从设备回收的水中去除氚。2016年安装的20立方米储罐也是该系统的一部分。储存时的衰变与设备泄漏是两个不同的问题,管理时必须同时考虑。

2016年,ITER水去氚系统储罐的安装作业。
2016年,ITER水去氚系统储罐的安装作业。© ITER Organization, https://www.iter.org/ · 使用条款

买回烧掉的燃料还不够

在实验装置中,没有参与反应的燃料会经排气系统取出,处理后再次使用。欧洲制造的ITER低温泵也是参与这一燃料循环的设备。不过,反复回收并不能阻止氚自身的衰变。

美国能源部指出,海水中广泛存在氘,而天然氚十分稀少,未来的聚变电站需要稳定的供应链。用中子照射锂来生产氚,是支撑这一供应的候选技术。在电站规模上持续生产、回收和使用燃料,仍有研究难题需要解决。

存放在ITER的低温泵,照片于2025年3月刊载。这是燃料循环与真空系统的部件,并非运行中的画面。
存放在ITER的低温泵,照片于2025年3月刊载。这是燃料循环与真空系统的部件,并非运行中的画面。©F4E · 使用条款

燃料也有自己的时钟

ITER的氚厂房将容纳燃料储存、处理与再利用设备。F4E于2024年2月报告其土建工程完工。厂房建成和燃料系统投入运行,是需要分别确认的两个阶段。

FI关注的是,燃料采购时间必须与启动运行的时间一起考虑。为防短缺而提前备货,等待期间库存仍会减少;等到运行前才采购,又要面对届时能否买到的问题。按上述计算,仅等待五年,原有氚就有约四分之一不再是氚。原子的时钟,不会等待工程进度。

ITER要通过实验验证什么

建设中的ITER氚厂房。F4E于2024年2月报告土建工程完工。
建设中的ITER氚厂房。F4E于2024年2月报告土建工程完工。© ITER Organization, https://www.iter.org/ · 使用条款
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