隨著融合技術從研究實驗轉向工業生產，它將受到更多關于可持續性的審查。在燃料采購方面，也可以有一個很好的開端。

1、清潔能源時代

法國ITER核聚變反應堆(圖源：Aerovista Luchtfotografie)

聚變在理論研究方面已有很長時間，但作為工業規模發電機組的實用性尚未成形。

今年1月，國際能源署(IEA)發布了《2023年能源技術展望》報告，該報告預示著“新的工業時代——清潔能源技術時代”，并審視了能源技術和燃料的全球供應鏈，但這份450頁的報告中根本沒有提到聚變。

如果該行業最近在發展聚變工藝和吸引私人投資者方面取得的成功，要轉化為在幾年而不是幾十年內推出的一批聚變反應堆，有一點就必須改變。

在技術(如傳熱和發電“工廠平衡”)和工業(如開發必要的供應鏈和技能)范圍內，從發展中的技術逐步發展為商業產業，需要解決一些關鍵的發展問題。

這些問題將在關于未來問題中討論。在本期中，我們討論燃料供應。

2、鋰和氚

與其他發電類型相比，就產生太瓦電能所需的燃料量而言，核能的燃料需求很小。

大多數核聚變反應堆設計燃料為氘和氚。

氘天然存在。水中氘的濃度各不相同，但通常每7000個氫原子中就有一個氘原子。它可以從水中蒸餾出來，通常用于科學研究和工業生產。氘也可以長期儲存。

氚帶來了不同的挑戰。由于其半衰期約為12年，因此無法長期儲存。

氚可以在聚變反應堆中產生，當從等離子體中逸出的中子與托卡馬克周圍的鋰包層或壁相互作用時(在這種核反應中，鋰吸收中子并分裂成氚和氦)，氚就“孕育”了出來。

這意味著聚變工業必須確保鋰供應符合其增長計劃。

據稱，一個1,000MW的聚變反應堆在運行中需要非常少量的燃料——每年約125kg的氘和大約相同重量的鋰。

這代表了一年中消耗的鋰和氘。但反應堆啟動所需的初始鋰包層將超過20噸。

只有鋰的一種同位素——鋰-6——在核反應過程中產生熱量(需要2kg的鋰-6才能產生1kg的氚)以及產生氚和傳熱所需的過量中子。

更豐富的同位素鋰-7，占天然鋰的92%至98%，不利于反應。目前尚不清楚鋰包層中所需的鋰-6比例，但文獻中的比例在40%以上。

此外，一旦“繁殖”了氚氣體，就必須從鋰包層中提取氚氣體，目前還不清楚在捕獲和提取過程中可以達到什么效率。

正如核裂變工業一次又一次發現的那樣，即使是少量的核燃料，也依賴于廣泛的全球供應鏈來獲取、運輸和加工燃料，這可能存在問題，有可能會對工業造成重大風險，或者資源開采帶來的環境破壞。

3、鋰產量

在西班牙，這樣的偉晶巖是鋰的潛在來源。

鋰生產容易出現環境問題。

目前有兩種生產方式。一些含鹽地下水的積聚富含溶解鋰，也存在于偉晶巖中的礦物中，偉晶巖是富含礦物質的巖漿從巖漿室侵入地殼時形成的巖石單元。

對于鹽水方案，現場鉆井可將鹽水泵送至地表。

將其保存在蒸發池中數月或數年，直到通過蒸發去除大部分液態水含量。反滲透可能會加快速度。

提取鋰需要幾個階段的提純，化學分離其他副產物、過濾和處理，最終形成可以銷售的產品，例如使用碳酸鈉生產碳酸鋰。

礦物沉積物可能具有較高的鋰含量，但在用化學試劑提取鋰之前，必須對材料進行開采和粉碎，利用化學試劑形成漿料，通過蒸發過程加熱、過濾和濃縮，以形成可銷售的鋰鹽。

從礦物礦石中提取鋰所涉及的更高的能源消耗、化學品和材料，意味著典型的鋰成本是鹽水提取的兩倍。

根據美國地質調查局(US Geological Survey)的數據，2021年，全球鋰產量的主要來源是澳大利亞的四個礦場、阿根廷和智利的兩個鹵水礦場以及中國的兩個鹽水礦場和一個礦場。

IEA表示，預計的產能增加，將使2030年的供應僅比現在稍微多樣化，這主要歸功于加拿大的礦業啟動。

一旦所有新增項目全部投入運營，澳大利亞和智利仍將占所有采礦項目的70%左右。中國擁有將鋰提煉成專用電池化學品的一半以上產能。

鋰-6與鋰-7的分離是另一個潛在的環境問題。

世界核協會(WNA)列出了兩種選擇。

基于汞的分離，依賴于鋰-6對汞的更大親和力。當鋰-汞汞合金與氫氧化鋰混合時，鋰-6濃縮在汞合金中，鋰-7濃縮在氫氧化鋰中。

汞合金和氫氧化物的逆流通過級聯，這個過程需要大量的汞，而今天這只在俄羅斯和中國進行。

該工藝目前在美國被禁止，在之前的工藝中使用了11萬噸汞，導致“廢物、泄漏和蒸發”的重大損失。

WNA表示，替代方法是在金屬蒸氣上進行激光處理或使用冠醚進行化學分離。

4、滿足商業需求

回收電池可能成為聚變工業的重要燃料來源

如果核聚變工業要在滿足我們的電力需求方面發揮重要作用，就不僅是擁有一個1000MW的核電站，而是數百或數千個。

Statista網站顯示，2010年代初，全球鋰產量徘徊在3萬噸大關之上(比前十年增加了三分之一)。

產量從2017年開始增加(當時接近7萬噸)，2021估計為10萬噸。

IEA在一月份的報告中估計，到2050年，全球對鋰的需求(幾乎全部用于電動汽車電池和電機)將達到每年70萬噸。

如果屆時聚變反應堆的供應量達到5GW(其中5臺為上述1000MW機組)，該行業的年鋰需求量將低于1噸鋰-6，但未分離鋰的需求量將高達20倍，同時還有100噸啟動量。

鋰轉化和氚生產和收集過程中的損失后，需要額外的“補充”這些數據，所以需求量只會更多。

這一總數在鋰行業仍然存在爭議。但該行業的目標將比這更大：如果它與目前的裂變行業相匹配，產能接近500GW，其對鋰的需求將增加到數百噸——其復雜性在于，大量鋰(以廢棄的富含鋰-7的材料形式)可以重新供應給市場。

這意味著，如果聚變工業要在滿足需求方面發揮重要作用(包括為數百萬輛電動汽車充電)，它將成為一個重要的鋰客戶。

5、鋰供應問題

美國國家點火設施的靶室，最近一次聚變突破的地點(圖源：勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室)

關于聚變工業的一個重要觀點是，它的燃料供應與鈾工業有著明顯的區別，在鈾工業中，核工業(幾乎)是唯一的消費者。

它使聚變產業處于不同的地位：如果聚變發展緩慢或中斷，作為眾多客戶之一將提供保護，因為鋰生產將繼續用于其他市場。

但這也意味著，在確保必要的鋰供應方面，核電站運營商將擁有強大的競爭對手。

此外，鋰的價格可能會波動——近年來鋰的價格因需求增加而上漲，但隨著開采公司通過尋找新資源來應對不斷增長的需求和更高的價格，去年鋰的價格再次下降。

新生的聚變工業可能沒有市場力量以低價獲得鋰，但這是否應該是該行業的目標?

目前，鋰的回收還處于起步階段。IEA提出了回收鋰電池的選擇，但表示這很難，因為鋰電池的成分復雜。

高溫冶金——熔煉電池以分離金屬——目前還不適合回收鋰。另一種方法，即陰極修復，需要將電池組件物理上拆開包裝、分離、回收或重復使用。

根據《美國基礎設施投資和就業法案》，美國能源部已為電池制造劃撥了30億美元的資金——主要是新的鋰資源，如Lilac Solutions公司從低濃度鹽水中的生產和回收利用，但Cirba Solutions公司正在開發一個回收鋰離子電池的設施。

回收電動汽車電池很可能會在未來變得司空見慣，但在這些電池的背后，會出現不同類型的電池或其他用途，回收鋰就變得更為困難。

這為聚變提供了什么?

甚至比裂變的情況更嚴重，燃料(鋰)成本將是總發電成本的一小部分，需要進行處理以提取所需的鋰-6。

這表明該行業可以選擇為其鋰電池支付高于最低價格的價格。它可能會決定支付額外的價格，以幫助開發鋰回收設施，為聚變工業(可能是整個行業)提供燃料。

事實上，聚變對鋰的需求為其在“燃料循環前端”創造了一個完全有益的位置。

一個利用太陽提供電力并利用廢物為其提供燃料的行業，肯定會成為未來的電力行業。