“能源圣杯”并非无代价：我们应该关注哪些聚变关键资源

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在核聚变能源从科学实验迈向未来能源体系的宏大进程中，除了突破性的工程技术，哪些因素将决定其长远、可持续的发展路径？

近期，两位深耕聚变领域多年的法国资深专家——巴黎西岱大学研究员、The Shift Project专家组主席雅克·特雷纳，与洛林大学荣休教授、法国物理学会能源与环境委员会主席热拉尔·博诺姆，就一项关乎聚变能源未来产业根基的议题展开了深入对话：如何为这项“终极能源”构建稳定、可靠且可持续的资源供应链。

核心要点

清洁、安全……且"近乎无限"，理论上，聚变似乎是理想的电力来源，该领域的实验也在不断增加。2024年，国际原子能机构（IAEA）确认了从加拿大到中国、美国、欧洲、以色列和韩国等地正在开发中的超过20种聚变电站设计。然而，技术障碍巨大，这一未来能源生产系统的每个方面都对研究人员构成了巨大挑战，以至于专家预计至少在未来数十年内不会实现大规模部署。这一遥远而不确定的前景并未阻止各种承诺的传播，这些承诺总是由一个听起来像咒语的关键词支撑："无限"。

如此描述聚变，旨在突出其极高的能量密度——即少量燃料即可产生大量电能——并利用其燃料几乎取之不尽的美誉。实际上，是两种氢同位素——氘（稳定）和氚（不稳定，具放射性）的融合将产生热量，随后转化为电力。虽然氘以自然状态存在，但氚则不然。

"因此，必须利用聚变产生的中子引发的反应，在反应堆内部用壁内含有的锂来产生氚，"雅克·特雷纳解释道。实现这一目标的最有效方法是使用锂-6丰度达50%的富集锂（天然锂中锂-6同位素仅占7.5%）。最终，一个提供1吉瓦电力的电站每年将消耗167公斤氘和7吨天然锂。

氘在自然界中确实大量存在：每立方米海水含33克，且可通过成熟工艺提取。但锂的情况如何呢？美国地质调查局估计锂资源量为1.15亿吨，其中目前可开采储量为3000万吨。在聚变支持者看来，这足以认为这种燃料"微不足道"。事实上，如果聚变是这种轻金属的唯一消耗者，那么其储量足以在超过一千年的时间里，每年生产3万太瓦时的电力（相当于2024年全球所有来源的电力总产量）。用煤炭、天然气或裂变电站生产同样的电力，其燃料储量将在不到一个世纪——甚至短得多——的时间内耗尽。

但聚变远非唯一需要锂的行业。这种元素已是能源转型中消耗最多的资源之一，特别是为蓬勃发展的电动汽车电池市场提供动力。根据国际能源署（IEA）的数据，全球锂需求从2021年的9.5万吨增加到2024年的20.5万吨，到2040年可能达到92.8万吨。有研究警告称，由于需求飙升、资源地理集中、价格波动以及回收和采矿的局限性，到本世纪末可能出现供应短缺。诚然，此类预测总是伴随着高度不确定性。但对锂的竞争仍然非常现实，并可能在长期内持续。因此，当聚变技术成熟时，并不能保证供应会很容易。

"为了强调长期资源管理战略的必要性，我们可以提出一个显然相当天真的建议：决定为聚变预留储备，"热拉尔·博诺姆表示。"聚变所需的锂与电动汽车相比低得惊人：我们可以认为，聚变未来将带来的巨大利益，值得为其用途保留少量储备。"然而，聚变目前的发展水平、锂市场可预见的紧张局势以及缺乏对这种轻金属的全球治理，是目前实现这一方案的重大障碍。

电站的材料需求不仅限于燃料：还包括生产设施以及配电和储存基础设施中使用的所有资源。因此，聚变的未来也将取决于研究能否限制甚至消除所用稀缺资源的数量。这一要求可能难以满足，特别是对于用于约束等离子体的技术。虽然国际热核聚变实验堆（ITER）依靠铌-锡线圈产生的磁场运行，但这些资源可能不足以建造数千个反应堆。迄今为止，取代它们并确保聚变能的控制和大规模工业部署的最佳候选方案仍然是高温超导体。然而，最有前途的使用REBCO高温超导体的方案依赖于稀土元素的使用，而稀土元素已被列入欧盟和美国地质调查局的"关键材料"清单（即对经济至关重要且可能遭遇供应中断）。是否会出现其他敏感性较低的候选材料？只有时间才能给出答案。

与约束技术相关的材料远非唯一引发问题的因素。"需要承受极高能量中子强流的墙壁将选择何种材料？需要多久更换一次？这些问题目前仍未解决。计划建造一台专用的测试装置——国际聚变材料辐照设施（IFMIF）来研究这些问题，"雅克·特雷纳补充道。

相比之下，其他运行中的电站的材料需求如何？"裂变电站和化石燃料电站在基础材料（混凝土、钢铁、铝和铜）的消耗量上与聚变电站大致相同。但可再生能源的用量要高出10到20倍，"雅克·特雷纳说。可再生能源也使用关键材料，有时用量很大，例如风力发电中的钕。"聚变不会是万灵药。但它将是一种高强度的能源，对资源的影响相对较低。无论是化石燃料、可再生能源，还是第二代或第三代核裂变，都难以声称具备这种双重优势，"热拉尔·博诺姆总结道。

因此，聚变是"有前景的"且"极具雄心的"，但并非"实际上无限的"。这反而是件好事，因为"无限的能源将不会带来物质的丰富和无限的增长，而是导致资源以更快的速度耗尽，"雅克·特雷纳指出。"淡化甚至掩盖地球资源的有限性，源于一种绝望的无知欲望，这有些适得其反。相反，直面其局限性，使我们能够明确与气候、能源和水资源、农业投入、生物多样性状况等相关的时间尺度。这是恢复政治行动的地位和意义的条件。"

然而，对热拉尔·博诺姆而言，这必须基于长期愿景："认识到全球资源的有限性，必须促使我们思考并制定战略，优化组合具有不同发展时间尺度的解决方案，以确保能为百亿人口提供充足的能源供应。"

这一对话，将聚变能源的讨论焦点，从“能否实现”延伸至“如何可持续实现”，这本身就是一个标志性的进步。它并非对聚变前景的质疑，而恰恰反映了整个领域正从一个激动人心的科学愿景，走向一个需要周全规划的未来能源工程系统。

早期的聚变叙事常聚焦于“无限能源”的远大理想，这固然激动人心，但更像一个科幻愿景。而现在的讨论，开始深入燃料循环、材料供应链、工程化生产等具体工程和经济问题。这证明聚变正从一个实验室科学项目，转向一个需要被严肃规划和设计的未来能源工程系统。任何成熟的产业（如航天、裂变核电）都必须经历这个“算账”的阶段。

特雷纳和博诺姆提出的问题，并非说“聚变不可能”，而是在说 “为了让聚变得以成功并大规模部署，我们现在就需要开始规划和解决这些潜在的瓶颈” 。这是一种前瞻性的风险管理和负责任的长远规划。在技术尚未完全成熟时，就预见并研究其全生命周期的制约因素，恰恰是确保其最终成功的最理性、最负责任的做法。

“资源有限”的认知直接驱动技术创新。例如：推动研究更高效的氚增殖包层设计；激励探索使用更少或不使用稀缺稀土元素的高温超导材料（如正在兴起的铁基超导研究）；思考氘-氦3等其他聚变燃料路线。

一个对挑战避而不谈、只描绘美好前景的领域，容易在遇到挫折时失去公众和决策者的信任。相反，主动、透明、严谨地分析自身发展可能遇到的障碍，并提出应对思路，才能建立起一个行业可靠、专业的形象。这有助于争取更稳定、更长期的政策和资金支持，因为支持者知道这笔投资是基于对完整图景的清醒认识。

这就像计划建造一座通往对岸的宏伟桥梁。早期的讨论是欢呼“我们将连接两岸，带来繁荣！”（愿景）。而现在的讨论则是开始详细勘探地质、计算建材用量、规划供应链、评估环境影响（工程规划）。后者绝不是对建桥梦想的否定，而是将梦想变为现实的唯一途径。