核裂变与核聚变的合作

聚变和裂变可能被视为相互竞争的对手，但聚变技术可以从裂变发展上学到很多，合作可能会在这两个领域都取得成功。

1、聚变优势

目前正在法国建造的ITER是多个托克马克聚变装置之一。(图源：ITER)

核裂变和核聚变通常遵循单独的、有时是竞争性的发展道路。

裂变界倾向于支持人们普遍认为的聚变“永远是30年后的事”。聚变界声称，与裂变相比，聚变提供了巨大的优势：

根据ITER组织：

“聚变是一种潜在的安全、无碳排放和几乎无限的能源。”

单位质量聚变释放的能量几乎是核裂变反应的四倍。

聚变燃料广泛可用，而且几乎取之不尽用之不竭。氘(D)可以从所有形式的水中回收，而氚(T)可在聚变反应过程中由聚变中子与锂相互作用而产生。

与裂变一样，聚变不会排放二氧化碳或其他温室气体——它的主要副产品是氦气，一种惰性无毒气体。

与裂变不同，核聚变反应堆不会产生高放射性或长寿命的核废料，聚变反应堆中也没有可用于制造核武器的浓缩材料。

在托卡马克聚变装置中，类似于福岛核事故是不可能发生的。

至关重要的是，聚变每千瓦时的平均电力成本预计也会类似于裂变——当技术刚开发时，会稍微贵一点，而随着规模经济降低成本，成本会更低。

这份清单主要涉及托卡马克装置产生的聚变，比如法国南部正在建造的ITER聚变装置。

完成ITER项目的关键组成部分——增强热负荷第一壁(图源：中核集团)

ITER建设始于2005年，建立在第一次全球合作的基础上。

欧洲承担了其建造成本的近一半，而这家国际合资企业的其他六个成员国(中国、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国)也承担其余成本。

2、聚变方式

MAST Upgrade是一款由英国支持的球形托卡马克(图源：英国原子能机构)

托卡马克装置是限制这种聚变装置所需等离子体的最常见方法。

他们使用强大的超导磁体将等离子体保持在环形(环形)容器中。带电等离子体粒子本身的流动也会产生磁场，有助于限制等离子体。

然而，还有其他重要的聚变方法。

20世纪50年代，美国天体物理学家莱曼·斯皮策(Lyman Spitzer)表示，磁场也可以配置在一个扭曲的环中——一种被称为恒星加速器的设备。

最初由苏联在20世纪60年代开发的托卡马克装置，直到发展到最近才不那么复杂。

Wendelstein 7-X装置的关键部件是一个50圈的超导磁线圈，高度大约为3.5米。

如今，马克斯·普朗克等离子体物理研究所(IPP)在德国格雷夫斯瓦尔德建造了Wendelstein 7-X实验恒星加速器，耗资11.5亿美元，于2015年完工。

惯性约束，这个想法自20世纪50年代以来就一直存在，聚变等离子体不受磁场约束。相反，冲击波将其压缩到所需的巨大密度。

NIF激光室内一名技术人员在将聚变燃料的芯块被固定在顶部圆柱形黑洞靶位置(图源：LLNL)

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的美国国家点火设施(NIF)正在研究这种方法，D–T燃料的小胶囊使用激光脉冲内爆。

英国原子能机构(UKAEA)的卡尔哈姆聚变能中心(CCFE)正在进行大量工作，该中心正在进行几个重大项目。

其中包括欧洲联合环流器(JET)，它是目前世界上最大、最强大的托卡马克。

JET项目控制室(图源：EUROfusion)

JET是欧洲聚变研究计划的焦点，为ITER提供资金。CCFE的MAST(Mega Amp Spherical Tokamak)Upgrade是一项先进的托卡马克实验，试验被称为球形托卡马克的紧凑聚变装置的设计。

计划中的STEP大楼(图源：UKAEA)

用于能源生产的球形托卡马克(STEP)是一个雄心勃勃的计划，旨在基于球形托卡马克概念为商业上可行的聚变发电厂提供集成设计。

韩国KSTAR(图源：国家聚变研究所)

其他政府支持的项目，包括位于大田的国家聚变研究所(NFRI)的韩国超导托卡马克反应堆(KSTAR)和中国的实验先进超导托卡马克(EAST)，这两个项目与JET一样，都将被送入ITER。

EAST托卡马克(图源：合肥物理科学研究院)

所有这些项目都旨在产生持续的聚变反应，大多数项目都实现了不同水平的聚变，时间以秒为单位。

有几个雄心勃勃的后续设备计划(2050年后)将展示商业聚变能源生产。其中包括EuroFusion计划中的ITER的继任者——DEMO;韩国的K-DEMO(与美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室合作)和中国的聚变工程试验堆。

3、私营企业扎堆

TAE是一家私人资助的聚变技术企业

除了这些政府举措之外，近年来开发聚变概念的私营公司数量迅速增长。

2022年初，聚变行业协会的一项调查显示，过去一年，对私营聚变公司的投资增加了一倍多，新成立了8家公司，总数达到约33家。

根据该调查，聚变公司宣布了超过48亿美元的资金，比2021增长了139%，私人对聚变能源的投资首次超过了政府的资金。

ST40球形托卡马克(图源：托卡马克能源公司)

一些私人聚变公司正在开发缩小版的托卡马克设计，例如正在研究球形托卡马克的托卡马克能源公司(Tokamak Energy)。

联邦聚变系统公司(CFS)，由麻省理工学院等离子体科学与聚变中心分拆出来的，正在为SPARC托卡马克开发高温超导磁体。

Machine 3示意图(图源：First Light Fusion)

另一个大学衍生项目，英国牛津大学的First Light Fusion，正在开发惯性约束，使用电磁射弹枪而不是激光来压缩目标。

加拿大的General Fusion和UKAEA已经启动了推进磁化目标聚变商业化的项目，目的是在牛津的卡尔哈姆校区建造一台演示机。

使用离心机旋转一个充满熔融铅和锂的腔室，在液态金属中打开一个空腔，等离子体就在这里。

活塞系统将更多的液态金属泵入腔室，压缩等离子体以启动聚变。该过程以脉冲形式重复。

加州初创公司TAE Technologies计划放弃D–T燃料，将普通氢气与硼-11融合。

华盛顿州的初创公司Helion的目标是直接通过聚变发电，而不使用该过程来加热流体和驱动涡轮机。

Trenta聚变发电机原型的分流器(图源：Helion Energy)

Helion计划融合氘和氦-3的混合物。然而，氦-3需要通过D–D聚变产生。

虽然这些私营公司建立在数十年来国家对大型项目的投资基础上，但一些公司，如托卡马克能源公司、CFS和GF，也直接受益于英国政府和美国能源部的投资。

4、聚变挑战

随着研究的继续，人们越来越意识到，聚变相对于裂变所声称的优势并没有那么明确。

毫无疑问，聚变反应堆比裂变反应堆本质上更安全。

由于聚变过程很难启动和维持，因此不存在失控反应或堆芯熔化的风险。

聚变只能在严格的操作条件下发生，在发生事故或系统故障的情况下，等离子体将自然终止，很快失去能量，并在反应堆受到任何持续损坏之前熄灭。

然而，聚变的批评者指出了一些需要解决的潜在问题：锂-6、铍和氚的供应有限;电力消耗问题;产生大量的中低级废物(ILW和LLW);以及冷却。他们还对不存在扩散风险的说法提出质疑。

氚是另一个关键问题。

虽然氢同位素氘可以从海水中廉价提取，但氚的半衰期仅超过12年，因此根本不容易获得。它只以微量自然存在，并且需要核反应堆来生产。

聚变科学家的目标是通过培育他们需要的氚来解决这个问题。

如果反应堆壁衬有锂毯，聚变反应中释放的高能中子可以将锂分解为氦和氚。

然而，首先需要一个工作的聚变反应堆来以这种方式繁殖氚。

目前，世界上唯一的商业来源是19个加拿大氘铀(Candu)反应堆，每个反应堆每年产生约0.5公斤。其中一半的反应堆已接近设计寿命的终点。

此外，除非能够开发出新的生产方法，否则随着ITER等聚变反应堆开始燃烧燃料，可用的氚库存将稳步下降。

迄今为止，氚的增殖从未在聚变反应堆中进行过测试，其效率也未知。

在最近的一次模拟中，加州大学的核工程师发现，在最好的情况下，发电反应堆只能产生略多于自身燃料所需的氚。

氚泄漏或长期维护停机可能会进一步降低这一裕度。

丹尼尔·贾斯比(Daniel Jassby)在1999年之前一直是普林斯顿等离子体物理实验室研究聚变的主要研究物理学家，他在最近的几篇文章中详细描述了聚变面临的问题，指出，有不到10%的注入燃料在逃离反应区之前会被燃烧。

他说：“因此，绝大多数……必须从反应堆无数子系统的表面和内部清除，并在完全燃烧之前重新注入10到20次。”

他补充说，在使用氚的两个磁约束聚变设施(普林斯顿的托卡马克聚变试验堆和JET)中，大约10%的注入氚从未被回收。

至于其他缺点，贾斯比说，聚变产生的中子流直接导致四个问题：对结构的辐射损伤;放射性废物;生物屏蔽的必要性;以及生产武器级钚239的可能性，从而增加了核武器扩散的威胁。

此外，聚变反应堆也面临许多裂变问题，“包括氚释放、令人生畏的冷却剂需求和高昂的运行成本”。

聚变装置特有的问题包括不可避免的现场电力消耗，这大大减少了可供销售的电力，以及氚的有限可用性。

5、输出电力情况

聚变反应堆消耗了其产生的大部分功率，导致“寄生功率消耗，其规模是任何其他电源都未出现的”。

即使在聚变等离子体处于休眠状态时，反应堆外部的基本辅助系统也必须持续保持，并且当聚变输出因任何原因中断时，必须从区域电网购买该电力。

在磁约束聚变中控制聚变等离子体和在脉冲惯性约束聚变中点燃燃料舱也需要功率。

他补充道，如果聚变功率为300 MWe，那么120 MWe的全部电力输出几乎无法满足现场需求。

“为了有任何经济运行的机会……聚变功率必须提高到数千兆瓦，这样总的寄生功率消耗就相对较小”。

聚变反应堆还对产生蒸汽的二次冷却回路以及从低温冰箱和泵等其他反应堆子系统中去除热量的水资源提出了巨大的需求。

寄生电力消耗对用于冷却的水资源提出了额外需求，这些其他类型的热电厂都是没有的。

为了产生可用的热量，携带氘-氚聚变80%能量的中子流必须通过反应堆结构，这些容器结构壁有含锂覆盖层和冷却剂减速、冷却层。

预计固体容器壁中的中子辐射损伤将比裂变反应堆中的更严重。许多部件，如毯和分流器，预计每5-10年需要更换一次。

此外，虽然每公斤废物的放射性水平比裂变反应堆废物小得多，但体积会大很多倍。

国际社会越来越认识到，这是一个需要解决的问题。

2022年5月发表在《核聚变》杂志上的一项研究得出结论：“需要制定废物战略，以减轻大量废物对公众认为聚变是一种可行和清洁的替代能源的影响。”

此外，今年，英国放射性废物管理委员会(CoRWM)就退役、放射性废物管理和与聚变能相关的放射性废物处理的影响发表了一份初步立场文件。

它指出：“除了氚排放和受污染的材料外，还需要在监管控制范围内，在聚变反应堆的整个生命周期内管理中子活化产生的放射性材料和废物。”

最后，有人断言，核聚变不会造成核武器扩散的风险。

贾斯比指出，“在聚变反应堆中，只要将天然或贫铀氧化物放置在任何能量中子飞行的任何位置，就有可能公开或秘密生产钚239”。

此外，“一个以氘-氚或仅以氘为燃料的反应堆，将有许多公斤的氚库存，这为转移用于核武器提供了机会”。

6、从裂变经验中学习聚变

加拿大核实验室(CNL)和私人聚变开发商General Fusion将开展一系列联合项目，以加快在加拿大部署商业聚变动力。

人们越来越意识到这些问题。特别是自2005年ITER开始建设以来，人们已经认识到，与其将裂变视为竞争对手或“不良关系”，聚变界可以从核电行业发展过程中积累的几十年经验中学习很多。

有可能有利于社区的协同作用，也有可以解决的共同问题，特别是在四代先进堆的设计和开发方面。

这方面的文章开始出现在《聚变科学与技术》(2005年-四代堆与先进聚变发电厂研究计划之间的协同作用)等期刊上;聚变工程与设计(2006年-FNT发展与先进核裂变技术之间的协同作用);和Revue Ge´ne´rale Nuclear´aire(2007年-裂变与聚变核能之间的协同作用)。所有这些都指出了开发新材料的必要性、安全和监管问题。

原子能机构一直站在最前沿，鼓励人们理解核裂变和聚变在能源生产技术发展方面的协同作用，以及长期可持续性——包括放射性废物的处理——以及聚变设施的法律和体制问题。

2022年初(2月28日至3月3日)，国际原子能机构(IAEA)创新核反应堆和燃料循环国际项目(INPRO)启动会议举行。9月举行了一次后续会议。

这项跨学科研究的总体目标是，支持聚变界在未来几十年内加快基于聚变的设施和集成聚变裂变系统的开发和实施，并利用INPRO评估和分析尽早发现长期可持续性和所需能力方面的可能差距。

工作范围包括：审查和批判性分析以往在制定国家立法和基础设施方面的经验;参与开创性的新聚变概念;确定关键问题，以便从使用INPRO工具和国家方法的角度进行进一步分析;以及在不同情况下确定全球和区域层面的相关政策选择。

将在2024年根据研究结果编制IAEA核能系列技术报告或IAEA TECDOC系列出版物。

实现这一总体目标将通过IAEA和INPRO成员国在跨领域问题上的合作以及IAEA部门间的合作来实现。

UKAEA 卡尔哈姆服务中心的莎莉·福布斯(Sally Forbes)博士表示：“INPRO的研究将许多非技术领域结合在一起，学习了几个国家的经验。由于时间的原因，在核能方面，很多工作都是在最初阶段之后完成的，而在聚变方面，我们现在正处于一个可以学习的阶段。希望我们能将这些初步讨论建立成指导意见，以制定一个共同的框架，在聚变之旅开始时实现一些国际协调，而不是在吸取教训中使用核能。”

对于核工业来说，安全、安保和保障措施是非常完善的程序，IAEA在这些领域的指导在全世界都得到接受。

然而，福布斯博士指出，聚变的放射性危险性要低得多。

“我们可能不需要全面的核监管立法指导来进行聚变，”她说，监管需要适度，并为一种通常危险性较低但非常创新的技术提供支持。“很明显，它从核能中提取了很多组件，但其中很多都是创新的。我们正在研究核能监管是否合适。

我相信我们会从中借鉴很多东西，但许多聚变国家正在考虑这一点，也许决定我们需要一个具体的聚变监管框架。”

例如，她指出，英国政府最近决定，英国的聚变将作为放射性设施而非核设施进行监管。

“这仍然意味着我们必须向上建立指导，”她补充道，这是INPRO会议讨论的一部分。

“这将纳入INPRO的研究——也许着眼于这种相称性，也许是核框架和辐射框架之间的混合，以调节管理聚变发展。这是关于“从核能中吸取积极的教训，了解如何在安全保障和环境保护方面采取非常结构化的方法，但也要明白，这可能会导致过度工程或延长时间，而这对聚变的危险程度来说是不必要的”。

7、聚变-裂变协作

6月，IAEA主办了为期一周的范围广泛的“核聚变技术发展与先进核裂变技术之间的协同作用技术会议”。

此次活动的目的是提供一个交流信息的论坛，并对国家和国际两级核裂变与聚变能源生产技术发展协同作用方面的活动进行最新审查。

这些讨论将纳入IAEA核能系列出版物，该出版物旨在深入了解所涵盖的领域，提供良好做法和经验教训的例子，并为加速从裂变到聚变的技术、知识和专门知识转让提供建议。

聚变和核裂变之间被认为具有强大协同作用和共同性的领域包括开发能够承受恶劣服务条件的聚变材料，以及将放射性废物危害降至合理可实现的水平。

聚变和裂变之间具有适度协同作用和共同性的领域包括：

反应堆相关条件下的聚变材料辐照设施;

开发高温能量转换系统;

计算工具、设计和安全分析代码;

聚变能源设施许可的监管规模;

可靠可行的燃料循环增殖材料供应(锂和铅);

远程处理和在役检查;

远程控制、辐射强化电子设备和CAD支持的操作。

总的来说，会议得出的结论是，聚变可以受益于与核裂变经验的许多相关协同作用，以及材料开发、活性金属管理、远程处理和液态金属方面的共性。

四代先进裂变工厂和DEMO等商业聚变设施之间也有发展上的相似之处。

虽然核电站的许可和退役，以及聚变的放射性废物管理可能需要稍微不同的监管方法——因为潜在的危险/风险降低了——但燃料循环的设计、建造、运行和部分以及聚变设施的等离子体控制等要素与裂变经验有很多协同作用。

曾在意大利ENEA从事聚变工作的顾问路易吉·迪佩斯表示，他相信聚变和裂变合作有很好的前景。

他指出，聚变界正在从设计规范、安全规范和材料方面学习核能的经验。

“我认为，未来将出现相反的协同效应。裂变不仅有助于聚变，而且在某些专业领域，聚变可以改进和推进裂变技术，特别是基于先进技术的四代堆。”

他补充道：“我不确定时间表——谁将首先到达商业技术。可能是裂变，但与此同时，随着双方朝着示范工厂的方向努力，将有一座桥梁。我们确实不知道将在何时发生，但我认为大概在本世纪中叶。”

他认为，聚变和裂变之间的大问题和主要共性是材料和废物管理，以及设计规范、安全分析规范和在役检查。

“聚变反应堆和先进的裂变反应堆都需要在高温下运行。这意味着材料和商业系统应该设计成在高温下工作。”

8、核废料管理经验

至于核废料管理，随着核电站运行寿命的结束，裂变反应堆很快将不得不处理更多的退役问题。

“真正的问题不在于高水平的废物或乏燃料，而在于大量轻度活化的金属，聚变可能会面临同样的问题。除非他们找到其他解决方案，否则由于中子损伤，每五年就必须更换一次托卡马克的整个内部构件，这意味着需要数千吨的材料。开发新材料不仅有助于聚变，而且有助于先进堆，其中许多反应堆也将面临巨大的中子通量。因此，人们对开发耐中子材料有着共同的兴趣。”

氚也会对材料造成损坏。另一个点是，产生氚需要裂变。

“例如，要启动DEMO，我们需要几公斤氚。目前只能由Candu反应堆生产。问题是氚会衰变，所以你不能将其储存20年——氚每12年衰变一次”。

迪佩斯对该领域越来越多的私营公司，及其引发的对聚变新热情表示担忧。

“他们有很多钱，实际上他们承诺到2030年发电，而政府计划说我们在2050年之前不会产生电力。他们正在开发聚变机的新概念，主要集中在概念和实验上。”

与此同时，政府支持的大型项目正在努力解决与材料、燃料库存以及法律和监管问题有关的问题。

迪佩斯指出，“当有强大的驱动力和资金时，所以说真的，我非常有信心在未来二十年内会实现一些事情。”

然而，他补充说，ITER实验应该成功是很重要的，“否则我们必须重新考虑一切”。

他补充道：“我希望我们最迟在2070年建成商业反应堆。如果一切顺利，DEMO将于2040年开始建设。我希望JET和ITER的经验也能发挥有所作用。”

他说，他预计到本世纪末会取得一些进展。“这是我的希望。我职业生涯的大部分时间都在做这件事。我很高兴我们的年轻同事对此非常热情。让从事核聚变和核裂变工作的新一代参与进来也很重要。”