谈到可控核聚变,很多人先想到的是海水里取之不尽的氘,似乎只要“人造太阳”点火成功,人类就不再缺能源。可现实路线并没有这么简单。
目前最受重视的氘氚聚变,除了需要氘,还必须消耗一种非常稀少的氢同位素——氚。地球上的氘并不少,海水中就含有大量氘。
真正只有几公斤的是天然氚。参考资料中“地球上的氘本来就只有几公斤”显然是笔误。
国际原子能机构的资料显示,全球天然氚存量估计约为4.5公斤,而且这些氚分散在大气、海洋和土壤中,根本不适合集中开采。氚之所以少,不是地球形成时没有留下,而是它留不住。
氚具有放射性,半衰期约12.3年,经过一段时间就会衰变成氦-3。今天自然界里的氚,主要由宇宙射线与大气中的原子发生作用后产生,生成速度慢,衰变速度又不低,所以始终积累不起来。
如果商业聚变电站直接依靠天然氚,答案没有任何悬念:不但会用光,而且根本不够启动产业。大型聚变装置每年所需氚可能达到几十公斤甚至更多,而天然存量只有几公斤。
即便把全球各处的天然氚全部找出来,也无法满足一座大型电站长期运行。不过,这个结论并不意味着氘氚聚变没有前途。
聚变科学家从一开始就没打算把天然氚当成矿产开采。未来反应堆的设计逻辑,是先准备一批人工制造的氚作为启动燃料,再利用聚变反应产生的中子,在装置内部继续生产新的氚。
氘核和氚核发生聚变后,会生成氦核,同时放出一个高速中子。这个中子不仅携带大量能量,还能撞击包层中的锂-6,使其转化为氚和氦。
新产生的氚经过提取、净化和储存后,再被送回反应堆,补充已经燃烧掉的那部分燃料。因此,未来聚变电站真正大量消耗的原料,并不是自然界中那几公斤氚,而是氘和锂。
氚更像流水线上的“中间产品”:它进入反应区后被消耗,装置再用锂生产新的氚。ITER也明确指出,未来大功率聚变电站必须具备自行增殖氚的能力。
需要注意的是,这不能简单理解为“氚可以无限循环”。发生聚变的氚已经变成了氦,不可能恢复原样。
所谓氚循环,是把没有燃烧的部分回收,同时利用锂制造新的氚。只要生产量长期不低于消耗量,燃料系统才能维持平衡。
这也引出了聚变商业化的一道关键门槛:氚增殖比必须大于1。说得通俗一些,反应堆每烧掉100份氚,至少要生产出100份以上的新氚。
因为在提取、输送和储存过程中还会出现衰变、渗透和材料滞留,实际生产量还得留出一定余量。理论计算可以做到大于1,真正造出反应堆却困难得多。
聚变装置不可能是一个没有缝隙的铁球,内壁上要安装加热设备、诊断系统、冷却管道和维护窗口。一部分中子会从这些位置跑掉,另一些中子则会被结构材料吸收,无法用于制造氚。
铍等材料可以起到中子倍增作用,但它不能代替整个氚增殖系统。工程人员仍要围绕含锂陶瓷、液态铅锂合金或含锂熔盐设计包层,让中子尽可能多地与锂发生反应。
同时,包层还要承受高温、强辐射和巨大热负荷,难度远不只是“在内壁放一层锂”。更棘手的是氚本身很难管理。
氚属于氢的同位素,原子很小,容易穿过某些金属,也可能进入冷却剂或滞留在装置内壁。聚变电站既要快速把氚提取出来,又要准确掌握它去了哪里,还要避免向环境释放,这对材料、密封、监测和监管都提出了很高要求。
所以,氚问题并不是一道已经在纸面上彻底解决的题。科学家知道应该用锂增殖氚,也知道大致采用什么结构,但能否在真实电站中连续运行多年,能否让增殖速度稳定超过消耗速度,仍需要大型装置进行工程验证。
ITER将测试氚增殖包层模块,但它本身并不是一座商业聚变电站。还有一个现实问题常被忽略:第一批电站从哪里获得启动氚?
全球能够交易和调配的氚主要来自部分重水裂变反应堆,存量只有几十公斤规模。ITER公布的资料称,现有全球氚库存约为20公斤,这些氚还会随着时间自然衰变。
这意味着,即便某种聚变装置突然证明自己能够稳定发电,也不可能第二年就在全球复制几百座。每座电站都需要启动库存,早期装置还要在满足自身需求之外,多生产一部分氚,为后续装置提供燃料。
聚变产业扩张速度,很可能受制于氚供应链。从这个角度看,第一座真正成功的聚变电站,不能只看它输出了多少电,还要看它能不能独立“养活自己”。
如果装置每年烧掉50公斤氚,却只能生产40公斤,那它仍然要依赖外部供应,规模越大,燃料缺口反而越严重。锂会不会成为下一个短板?
从地球资源总量看,暂时没有必要担心“很快用完”。聚变反应的能量密度很高,所需锂的质量远低于同等规模化石燃料。
不过,能够高效制造氚的锂-6只占天然锂的一小部分,仍需进行富集和加工。这会带来新的产业竞争。
锂不仅用于聚变包层,也是动力电池和储能产业的重要原料。未来的挑战未必是地球上有没有锂,而是能不能建立稳定的采选、同位素分离、材料制造和回收体系。
能源技术从来不是只解决一个物理公式,就能自动进入千家万户。截至2026年7月,可控核聚变仍处在由科学实验走向工程验证的关键阶段。
2025年1月,合肥全超导托卡马克核聚变实验装置EAST实现了1亿摄氏度、1066秒的高约束模等离子体运行,为长时间稳定控制积累了经验。到了2026年7月,ITER仍处于核心设备总装和系统调试准备阶段。
7月26日,ITER组织首席科学家在接受新华社采访时再次肯定中国在设备制造、技术研发和科学合作方面作出的贡献。这说明全球聚变竞争正在加快,但距离稳定并网发电仍有多道工程关口。
我国的布局也不只是追求一次实验纪录。EAST解决的是长时间约束问题,正在建设和推进的相关装置更关注燃烧等离子体、材料耐久、超导磁体、氚循环以及工程堆设计。
2026年7月底,合肥还启动了可控核聚变产业知识产权运营中心,说明国内聚变研发正在加强科研、产业与成果转化之间的衔接。围绕氚的讨论,恰好能够给“聚变能源取之不尽”的说法降降温。
聚变能源的燃料基础确实十分广阔,但它不是从空气中免费变出电力。氚增殖、锂-6富集、耐辐照材料、远程维护和安全监管,每一项都可能决定最终电价。
人类也在研究氘氘聚变、氢硼聚变等其他路线,这些路线可以减少甚至绕开氚依赖,但反应条件通常更加苛刻。现阶段把氘氚聚变做好,仍是最现实的选择。
不能因为未来可能出现更先进的燃料,就跳过当前必须解决的工程难题。因此,可控核聚变一旦实现,人类不会专门跑到自然界中,把地球上仅有的几公斤天然氚收集并用光。
那些天然氚分布太散,几乎没有工业价值。真正进入反应堆的氚,主要将由人工途径获得,并通过含锂包层不断增殖。
但答案也不能简单说成“完全不用担心”。天然氚不会被用光,不等于氚供应没有风险。
首批装置能否获得启动燃料,反应堆能否实现氚自给,新建电站能否获得额外库存,都会影响聚变能源的发展节奏。归根结底,人类面对的不是“几公斤氚够不够烧”这道算术题,而是一道完整的工业体系题。
谁能把氚生产、提取、回收、监测和安全管理连成闭环,谁才真正迈过可控核聚变商业化最重要的门槛之一。