美科學家透過核廢料產生氚，為核融合發電廠提供燃料

2025-11-16 06:57:24 [芜湖市] 来源：个中滋味网

核融合（nuclear fusion）是一種將兩個原子融合在一起以釋放熱能的過程，藉由這些熱能便可推動發電機提供幾乎零排放的大量電力，因此一直被視為最潔淨的能源形式之一。如今美國科學家正在開發一種方法，將核廢料回收再利用來製造氚（tritium，一種稀有的氫同位素），以做為核融合的主要燃料之一。

為解決氚短缺問題，美國動起讓核廢料回收再利用的腦筋

當前核電廠依靠核分裂（nuclear fission）來產生能量，但同時也會產生大量會持續多年具放射性的核廢料。相對地，為宇宙恆星提供能量的核融合過程，最終只會產生極少量的放射性廢料。這一過程需要氘（deuterium）與氚的融合。前者取得相對容易，但美國目前卻面臨氚的短缺。

氚天然存在於高層大氣層（upper atmosphere）中，目前氚的商用生產主要來自加拿大的反應爐。反觀美國，其國內並沒有任何生產氚的能力。

洛斯阿拉莫斯國家實驗室（LANL）物理學家 Terence Tarnowsk 表示，目前全球氚的庫存總量約為 55±31 磅（25±14 公斤）。商用氚的價格約為每磅 1,500 萬美元（每公斤 3,300 萬美元）。根據他的估算，55 磅（25 公斤）的氚足以為超過 50 萬戶家庭提供六個月的電力。

一個值得注意的問題是，美國現存商業核電廠產生的核廢料高達數千噸，面對高度放射性的核廢料，需要昂貴的儲存設施來確保安全封存。科學家們也因此看到利用核廢料來生產有價值氚的可行機會。

透過粒子加速器啟動原子分裂反應，實現效率與安全兼具的核融合發電

在洛斯阿拉莫斯國家實驗室與美國國家核安局（National Nuclear Security Administration）贊助下，Tarnowsky 對具潛在商用價值可能性的氚反應爐進行了多次電腦模擬，以評估這些設計的產能與能源效率。其所模擬的反應爐設計使用粒子加速器來啟動核廢料中的原子分裂反應（atom-splitting reaction），它們會釋放中子，並在一系列其他核躍遷（nuclear transition）之後產生氚。

由於加速器在設計上允許操作者開啟或關閉這些反應，因此這樣設計的核融合被認為比典型核電廠中的連鎖反應更安全。

據估計，這個理論系統若以 1 GW 的能量運行，每年可生產約 4.4 磅（2 公斤）的氚。Tarnowsky 預計，在相同的熱功率下，該設計將產生比一般核融合反應爐多出 10 倍以上的氚。

他的下一步計畫是，擁有對反應爐效率更精確的計算，進而算出氚生產的美元成本。這些模擬也將進一步優化，以精確評估反應爐設計的效率與安全性。

Tarnowsky 還計劃為一個模型開發一套新程式碼，該模型能用熔融鋰鹽將核廢料包覆起來，這是鈾燃料反應爐上行之已久的成熟設計，但目前僅用於科學實驗。

目前，美國及全球有許多公司正致力於建造第一座商業化核融合發電廠。若 Tarnowsky 的設計能夠實現，它將能為未來的核融合反應爐提供動力，進而讓低碳排放的能源轉型成真。