1、燃料需求量微小
ITER设施的托卡马克内部（图源：西屋电气）
自2000年以来，核聚变领域的发展，已经从一个单一的全球性项目ITER（国际热核聚变实验堆），发展出了几十个相互竞争的设计。
根据聚变产业协会2024年全球聚变产业报告的内容，全球至少有45家公司致力于聚变发展的商业化。
ITER认为，氘氚（D-T）反应是“聚变装置中最有效的”技术,在其他设计中，有30个项目计划使用DT燃料。
与反应堆的大小相比，聚变燃料的使用量几乎是微不足道的。
ITER反应堆是一个巨大的工程：其托卡马克装置的重量相当于三个艾菲尔铁塔，中央真空容器带有辅助设备和屏蔽“毯子”，该容器也是新燃料的来源，重达8,000吨。
在ITER设施中，未被消耗的氚被排出后，通过氚工厂（Tritium Plant）回收再利用。
ITER反应堆建筑高23米，但是在任何给定的时刻，发生聚变反应的过热和压缩等离子体中存在不到1 g的燃料。
装载的燃料基本没有完全“燃烧”，等离子体室中的有效燃烧率估计只有1%，未消耗的燃料作为环面等离子体排气的一部分被抽出，最终被回收再利用。
2、聚变氚的供应
一座1 GW的核聚变发电厂，每年需要250公斤燃料，其中一半是氘，一半是氚，相比之下，一座1 GW的燃煤发电厂需要270万吨燃料。
ITER表示，一座1 GW的核聚变电厂，每年需要250公斤的燃料，其中一半是氘，一半是氚，而1 GW的燃煤电厂需要270万吨燃料。
在这两种燃料中，氘相对容易获取，可以通过蒸馏来生产，例如每吨海水中含有约33克的氘，并且通常用于科学和工业应用。
相比之下，氚的获取就难多了。
氚在自然界中微量存在，主要是由一些气体与宇宙射线相互作用形成。
氚不稳定，容易衰变为氦3，半衰期在12.3年左右。
氚在核聚变工业之外也有用途，可以作为夜光照明的一种元素和用于生物医学研究。
作为气体，氚无色、无臭、无味，有很高的扩散系数，很容易通过多孔物质如橡胶和金属扩散。
在2024年2月接受《科学商业》杂志采访时，英国原子能管理局（UKAEA）聚变技术执行主任斯蒂芬·惠勒（Stephen Wheeler）表示，氚的价格目前为每克3-4万美元。
不过，氚的这种稀缺情况可能会发送改变。
根据ITER的数据，目前全球氚库存约为20公斤。
但对于这样一种全球重要的燃料来说，这个量显然是不够的，即使在目前的发展阶段，许多聚变项目正在筹备中，氚的量是不够的。
从长远来看，有专家提出可以利用反应堆来生产氚。他们计划在大多数运行的项目中，在托卡马克设施周围的墙壁放置一层所谓的“毯子”，“毯子”中含有锂，锂的原子核包含三个质子和四个中子。
当中子在聚变反应中释放，就会被毯中的锂原子吸收，锂原子会重新结合成氚原子和氦原子。从“毯子”中收集到氚后，作为燃料再循环到等离子体中。
ITER指出，未来的聚变工厂需要“增殖”自己所用的氚，目前需要进一步的研究和开发来证明大规模生产和回收氚的可行性。
以上技术在稳定运行状态下是可行的。但是，在“毯子”中的锂转化为足够使用的氚之前，如何获取启动用的氚燃料？
在此之前，新兴的聚变工业必须从其他地方获得足够的氚来为其反应堆提供燃料，必要时由氚运输和储存行业提供服务。
3、氚源
劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）的国家点火装置（National Ignition Facility）使用以上过滤系统从靶室中提取氚。
英国Culham科学中心的5位科学家在一篇关于在没有外部氚源情况下启动聚变反应堆的论文中，列出了在民用核裂变反应堆中生产氚的五种技术：
铀裂变
向反应堆冷却剂中添加硼和锂的中子捕获反应
控制棒中硼的中子俘获反应
水中氘的活化
结构材料内的高能中子俘获反应
其中，他们表示：“在民用氚市场上，氚的主要来源是带有重水冷却和调节功能的裂变反应堆。”
因此，氚的一个来源是反应堆，如加拿大的Candu设计，这种设计使用重水作为慢化剂。
加拿大原子能有限公司（AECL）表示，Candu反应堆每年通常会产生130克氚。
在安大略发电公司3.5 GW的达林顿工厂的氚去除设施，自1989年以来一直在运行，每年处理高达2,500吨重水。
2023年，欧洲投资银行批准了向罗马尼亚核能电力公司提供的1.45亿欧元贷款，用于在切尔纳沃达核电站建造一座氚去除设施。
2023年12月，欧洲投资银行批准了向罗马尼亚核能电力公司提供的1.45亿欧元贷款，用于在切尔纳沃达核电站建造一座氚去除设施。
欧洲投资银行将这笔贷款标记为一项辐射安全措施，称其将“减少放射性废物的数量，优先考虑工人的福祉，并允许在去除氚后重新使用冷却剂和慢化剂。
该项目的成功完成将使核电站的定期维护、翻新和最终退役更容易、更安全、更有效地进行。
但除此之外，”去除的氚作为一种稀有的放射性同位素，作为另一种有前景的低碳发电技术核聚变开发过程中所需的关键材料，具有重大的战略价值。
切尔纳沃达氚去除设施将于2028年初投入运行，该设施将使用罗马尼亚国家低温和同位素技术研究所开发的技术。
韩国月城核电站已经在使用氚提取设施，2023年6月，韩国水电核电公司（KHNP）与罗马尼亚核能电力公司签署了新设施的工程、采购和施工合同。
4、美国氚生产
田纳西流域管理局的瓦特棒反应堆使用产氚可燃吸收棒（TPBAR）生产氚（来源:Bechtel）
美国国防工业也会用到氚，其供应以及其他关键材料由国家核安全局（NNSA，美国能源部办公室的一部分）在其2024年10月发布的25年计划“企业蓝图”中解决，以使专业基础设施的交付与整个核储备、全球安全和海军核推进任务的需求保持一致。
NNSA表示：“强健的供应链、高效的处理效率和减少单点故障对氚获取任务至关重要。”需要弹性和高效的氚处理和气体输送系统（GTS）装载来维持国防储备。
美国萨凡纳河现场除了GTS装载和精加工能力外，还进行氚提取、同位素分离和储存。新设施将取代GTS监控、包装和运输的关键功能。
美国在田纳西河流域管理局（TVA）的瓦茨巴反应堆中，使用控制棒（产生氚的可燃吸收棒或TPBARS）中的硼中子捕获反应来生产氚。
NNSA的氚获取主要依赖于其他实体。太平洋西北国家实验室是TPBAR的设计权威。哥伦比亚燃料制造公司负责TPBAR的组装，爱达荷州国家实验室负责测试TPBAR。
TVA于2000年根据《经济法》与国家核安全局签订了一项跨部门协议，在2035年11月之前提供辐照服务，在其轻水反应堆中生产氚。
自2003年以来，TVA一直在瓦茨巴核电站1号机组生产氚，产量一直在增加。
在2024年美国科学家联合会的一篇文章《利用美国的氚生产能力促进聚变能源的领导地位》中，作者泰勒·洛伊（Taylor Loy）强调了美国“经过验证和可扩展的氚生产供应链”，但指出这“主要是为核武器生产保留的”。
洛伊呼吁利用氚生产能力来确保美国在聚变能源方面的领导地位。
洛伊强调，国家核安全局的一个目标是在2025年“证明增强氚生产能力”，尽管这是为了“核威慑”目的，并表示一项新计划将把这一生产能力扩展到面向聚变能源未来的长期努力中，并为从退役核武器中重新利用氚提供一个框架。
洛伊希望通过在最大许可极限下运行反应堆，将生产目标从2.8公斤提高一倍。
洛伊说：“国家核安全局和美国能源部可以利用超过国防要求的生产能力来促进核聚变首台示范装置（FOAK）反应堆的部署，并支持美国在聚变能源方面的领导地位。”
在2016年发布环境影响声明后，TVA根据许可证修正案107（2016年7月）增加了瓦茨巴核电站1号反应堆TPBAR辐照量，根据许可证修正案27（2019年5月）增加了2号反应堆TPBAR辐照量。
2024年4月，瓦茨巴核电站1号和2号机组进一步获得授权，将每个机组的氚产量增加到2,496 TPBAR。
TVA不打算遵循之前评估的方案在其塞阔亚工厂生产氚，因此它和国家核安全局计划跟进之前评估的方案不同，该方案将允许在瓦茨巴核电站1号和2号机组每18个月辐照多达5,000 TPBAR。
这样，美国国家核安全局和TVA预计，在接下来的燃料循环（18个月的循环被6个月抵消）中，两个瓦茨巴反应堆将生产高达4公斤的氚。
5、英国氚计划
H3AT正在牛津郡Culham的UKAEA工厂建设中，该设施配备了一个同位素分离系统，用于收集、处理和回收氚。
罗马尼亚的切尔纳沃达的氚去除设施声称是欧洲第一个氚生产设施，但英国希望紧随其后。
2024年5月，英国原子能管理局（UKAEA）任命Atkins Räalis公司完成同位素分离系统的详细设计，该系统将成为UKAEA的氢-3先进技术（H3AT）设施的一部分。
该合同是英国加强可持续聚变交付研究的一部分。
氚燃料循环研究设施将包括一个原型规模的工艺装置和实验平台（ITER设计的缩放版本）。
Atkins Räalis公司已经完成了位于牛津郡Culham的UKAEA工厂在建主要H3AT设施的概念和详细工艺设计，以及同种型分离系统的概念和初步设计。
公司现在将为该系统提供详细的工艺和机械设计，包括收集、处理和回收氚的低温和环境温度设备。
Atkins Räalis公司先进能源技术负责人杰森·德赖斯巴赫（Jason Dreisbach）表示：“H3AT设施将是加强英国和国际上推进氚燃料循环技术的第一个研究设施。同位素分离系统是大规模展示聚变燃料循环性能的关键要素，我们期待着贡献我们在聚变工程和氚方面的丰富经验，以帮助实现UKAEA的雄心壮志。”
UKAEA执行董事斯蒂芬·惠勒（Stephen Wheeler）表示：“该系统将是世界上第一个工业规模的氚聚变设施，将使工业界和学术界能够研究如何处理、储存和回收氚。
由于涉及的燃料量如此之少，需要谨慎管理，以充分利用聚变室内的氚。
ITER在这方面再次领先。为ITER中的聚变反应提供燃料不是一个“一次通过”的过程。
相反，未消耗的燃料与氦“灰”和杂质气体一起作为环形等离子体废气的一部分被抽出。
分流器区域的气体连续排放到氚厂，然后在那里被回收，氘和氚被提取出来进行回注和再利用。
尽管等离子体室中的有效燃烧率估计仅为1%，但这足以使氦灰开始积聚，堆芯等离子体稀释。
ITER预计将采用多阶段提取和分离过程，从其等离子体中回收“未燃烧”的氚。
氚工厂将有几个子系统：托卡马克废气处理，以从氢同位素中分离出杂质；从废气中分离氘和氚；储存和交付；从水蒸气等杂质气体中回收氚；并返回到燃料流。
除了出现的氚增殖聚变反应堆外，目前全球还有多种氚源在运行，并且正在努力尽可能谨慎地保护这种宝贵的资源。
然而，由于全球氚库存仅为20公斤，在增殖反应堆上线之前，是否有足够的氚来维持这个快速增长的行业仍然是一个紧迫的问题。
对于核聚变行业来说，通过商业力量实现多年研究落地是另一个需要回答的问题。
（完）