核废料转化为氚的创新方法
摘要
美国洛斯阿拉莫斯国家实验室提出利用粒子加速器将核废料转化为氚的创新方法。氚是聚变能的关键原料，目前稀有且昂贵。其研究显示，该系统可高效生产氚，比传统方法安全且经济，有助于能源转型。下一步将优化技术并评估成本。
洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）的物理学家Terence Tarnowsky将于本周在美国化学学会（ACS）2025年丹佛秋季会议上展示他的研究成果。该会议共有约9000场报告。他的研究重点是利用先进的加速器驱动系统，将商业裂变反应堆产生的放射性废物转化为有价值的氚。
与当今裂变电厂通过分裂铀或钚原子并产生长寿命放射性废物不同，聚变能源通过结合氢同位素（如氘和氚）释放能量，类似于恒星的能量生成过程。虽然氘资源丰富，但氚非常稀有，目前每磅价值1500万美元（每公斤3300万美元）。美国目前没有国内生产氚的能力，仅依赖加拿大裂变反应堆的有限供应。
Tarnowsky指出，全球氚储量估计仅为55磅（25公斤），足以支持50多万户家庭半年的用电需求。与此同时，美国拥有数千吨核废料，必须安全储存以防止泄漏对生态系统和人类健康造成危害。
通过计算机模拟，Tarnowsky设计了利用粒子加速器触发核废料中受控反应的氚生产反应堆。这些设计比传统的链式反应更安全，操作者可随时开启或关闭反应过程。这一概念可追溯至20世纪90年代，但现代计算和材料科学的进步可能会使该方法更高效。
初步结果显示，一个1吉瓦的系统（足以为约80万户家庭供电一年）每年可生产4.4磅（2公斤）氚，相当于加拿大目前的总产量。Tarnowsky预计，在相同热功率下，其系统的氚生产效率比聚变反应堆高十倍以上。
他的下一步计划包括优化模型以提高效率和安全性评估。计划中的升级包括模拟熔融锂盐作为核废料的冷却和包容系统，这种配置在铀燃料反应堆中已验证，但从未应用于此领域。锂盐不仅能增强冷却效果，还可降低用于武器扩散的风险。
最终，Tarnowsky的目标是提供大规模氚生产的成本估算，并为决策者提供基于数据的指导，选择最适合部署的反应堆设计。他认为这是推动能源转型成本降低的重要努力之一。他表示：“能源转型是一项昂贵的事业，任何能使其更容易的尝试都应尽力而为。”
研究报告：《通过商业氚的公斤级生产加速聚变经济发展》