11月26日，非营利性政策智库组织-美国科学家联合会（Federation of American Scientists，FAS)发表《Promoting Fusion Energy Leadership With U.S. Tritium Production Capacity》文章，建议新一届美国政府加强在聚变领域的投资，并通过提高氚产能确保在核聚变领域处于领先地位。
随着聚变能源未来日益变得触手可及，美国应该主动准备迎接它的到来。一个商业规模的核聚变反应堆将需要比目前全球民用库存更多的氚燃料。要使核聚变变得可行，超越替代的氚增殖技术将是必不可少的。然而，在净氚增益周期开始之前，世界需要足够的氚来完成研发，并成功启动首批同类（first-of-a-kind，FOAK）核聚变反应堆。美国拥有唯一经过验证且可扩展的氚生产供应链，但主要用于核武器。即将上任的新一届美国政府应该加强美国在商业核聚变中的投资和领导力，利用额外的氚产能确保聚变能源的成功和美国的领导地位。
挑战与机遇
核聚变能源研发目前依赖于有限的氚储备，而这些储备每年因放射性衰减而减少约5%。最近的一项估计表明，全球民用氚库存仅为25-30公斤，而启动一个商业核聚变反应堆可能需要高达10公斤。加拿大是民用氚的最大生产国，作为重水反应堆运行的副产品，加拿大每年生产约2公斤氚，但这些材料大部分用于未来的ITER项目。氚产量与加拿大氚重水铀（CANDU）反应堆的功率发电率直接相关。因此，增加氚产量的唯一方法就是建造更多的CANDU核电站。
美国国家核安全管理局（NNSA）是美国能源部（DOE）下属的一个办公室，他与田纳西河流域管理局（TVA）合作，将在接下来为期18个月的燃料循环周期内为两个Watts Bar核电站（WBN）生产高达4公斤的氚，这将比当前的需要的周期提前6个月，也超过了目前2.8公斤的生产目标，如果反应堆以最大许可限制运行，最多可生产约4.7公斤的氚。虽然这些氚都指定用于军事用途，但是NNSA和DOE可以利用超出国防需求的产能，以促进FOAK反应堆的部署，并支持美国在核聚变能源中的领导地位。DOE可以借鉴其当前基于里程碑的核聚变计划的成功，通过整合额外氚可用性的选项，以满足试点和商业核聚变反应堆的启动需求。
这个计划可以被称为“Gigatons-to-Gigawatts”（GtG），这一名称灵感来源于历史上最成功的裂变材料削减计划之一“ Megatons-to-Megawatts（MtM）”。规模的增加意味着的能量密度比通常用于裂变反应堆燃料的铀高得多。核聚变和核裂变反应堆技术在防扩散方面也有很大的不同。美国的国家安全和防扩散目标将通过系统地从裂变到聚变能源的过渡而得到推进，减少对铀浓缩等双重用途核燃料循环技术的依赖，将降低总体扩散风险。正如美国通过推广开放燃料循环所做的那样，美国可以利用其技术领导地位，推动采用更加防扩散的核聚变基础设施。
然而，必须指出GtG与MtM的另一个关键区别：因为GtG利用的是近期氚产能与储备相结合，而不是将库存的武器材料重新用于民用，这样的计划可能会影响美国的核威慑战略。NNSA战略综合路线图强调了到2025年“展示增强的氚产能”的目标，这被编码为“核威慑”。上述预期的超额产量将与这一目标相对应。从这个展示的能力开始，GtG计划将把这一生产能力扩展到面向未来聚变能源的长期努力中。此外，为了支持长期核裁军目标，GtG还将提供一个现成的框架，用于重新利用退役核弹头中的宝贵氚。
美国以库存管理计划（Stockpile Stewardship and Management Plan，SSMP)作为展示其核威慑可信度的一种方式。盟军和对手都必须相信，美国有足够的能力来补充这种关键且缓慢衰退的资源。增加的产能有利于安抚美国决策者的信心，因为关键材料设计要求正在可持续地得到满足，未来的核武器试验将是不必要的。尽管GtG在程序上将专门用于和平利用，但用于实现这一目标的技术机制仍将与现有的核防御态势兼容甚至互补。
依据FIA发布的《The Global Fusion Industry Report in 2024》，氚仍然是大多数商业化聚变公司正在开发的聚变反应堆的燃料，因此氚的产量将在未来成为主要挑战。一个1GW的聚变反应堆运行一年可能需要超过55公斤的氚。对于核聚变行业来说，实现氚的自给自足是没有谈判余地的。如果技术发展在公司努力实现可持续的氚增殖周期时停滞不前，他们可能会发现自己处于比需要额外资金更加尴尬的境地。
行动计划建议
建议1：任命白宫科技政策办公室（OSTP）国家安全团队的高级顾问担任白宫“GtG”特使，来协调美国长期的氚战略，并促进国家安全和聚变能源的机构间合作
GtG特使的核心任务之一是与核武器委员会NWC协调，审查总统政策指令9（PPD-9）和相关/取代的规划文件，这些文件涉及评估氚需求，包括实验室研发与监测、总统授权的氚储备。这两个氚需求组成部分可能会扩展以满足GtG需求。如果认为合适，美国总统可以被建议扩大总统授权的储备。否则，可以根据最佳数量扩大前一需求，以建立GtG计划能力。一个参考目标是在预计的时间表上为全面FOAK核聚变反应堆的启动积累约10公斤的氚。
建议2：美国能源部部长应指示科学办公室评估基于里程碑的核聚变发展计划，以整合GtG氚生产和供应目标与聚变电厂启动的行业需求
基于里程碑的核聚变发展计划已经向8家美国公司提供了4600万美元的奖项。至关重要的是，要确保为GtG计划生产的任何氚都不是在没有可行的成功路径的情况下积累的，以启动FOAK核聚变电厂。鉴于WBN现场目前可用的适度生产能力，将需要5-10年的时间来积累氚。每个燃料循环都可以调整生产目标，但需要足够的提前时间来预测和计划必要的核心变化和燃料组件生产。
如果成本由私人获奖者和DOE公平分担，那么与基于里程碑的核聚变发展计划对齐的GtG氚奖项也将更加可行和有吸引力。美国政府在WBN以每克约5万美元的溢价生产氚，而加拿大生产的氚市场价格接近每克3万美元。通过GtG计划获得氚的聚变公司应在提取氚时支付萨凡纳河场（SRS）的现行市场价格。这将允许聚变公司从增加的氚可用性中受益，而DOE则承担TPBAR生产方法的成本差异。此外，这种随用随付的要求还将激励聚变能源公司为FOAK反应堆部署制定现实的时间表。
科学办公室主任还应指示聚变能科学咨询委员会（FESAC）准备一份报告，评估适用于领先核聚变技术开发时间表的氚需求情景，并评估维持核聚变电厂运营所需的氚增殖效率。FESAC应特别考虑预测可能的氚增殖短缺的缓解和恢复策略。委员会还应为FOAK核聚变反应堆提供短期可恢复性的阈值。基于这份FESAC报告的氚数量应考虑作为这些核聚变反应堆开始运行后的未来氚对冲。
建议3：国家核安全局NNSA ONMI（NA-532）应协调氚供应链基础设施的机构间审查
将氚生产目标提高到之前预测的要求之上，将需要从西屋公司的CFFF的TPBAR组装，TVA的Watts Bar反应堆的辐照，然后通过SRS的SRTE计划进行提取和处理的审查。由于这种审查自然涉及民用反应堆和核材料的运输，还应征求NRC的意见，以确保监管合规性。这次审查将提供可以为GtG计划指定的氚数量和生产时间表的实际限制。审查结果将为行业提供参考，以更好地评估额外的氚供应如何最好地支持核聚变能源研发和试点工厂启动。
作为这个过程的一部分，NA-532办公室应确定哪些现有的氚供应链模型最适合评估商业应用，包括LANL氚供需模型和NNSA内部开发的模型。如果没有合适的模型，那么应该开发一个新模型，以最好地捕捉商业核聚变研发的动态。无论如何，现有的模型应该形成整合军事需求和民用市场的基础，以确保GtG计划充分考虑两者。
这一建议的附加选项是准备一个非机密的、公开可访问的商业氚供应链模型。这将加强自2003年以来在Watts Bar商业反应堆生产的氚中已经建立的透明度和公共问责制。此外，这样的资源还将帮助使用公共资金支持聚变研发和FOAK聚变反应堆投产的理由和意图。
建议4：美国能源部部长应指导对DOE技术标准进行审查，以解决与氚相关的辐射风险
虽然科学界的普遍共识是：少量的氚暴露对人类健康和生态系统的风险可以忽略不计，但在聚变能源向环境释放前所未有的氚量之前，有几个未知因素应该得到更好的理解。这一充分性审查至少应包括：对有机氚风险的全面分析、更精确地量化和考虑损害线粒体DNA和胎儿的潜在损伤。
本次审查应包括的关键DOE技术标准：衍生浓度技术标准（DOE-STD-1196-2022）、体内剂量测定法（DOE-STD-1121-2008（2022年重申）)、核材料的控制和问责（DOE-STD-1194-2019）
建议5：美国环境保护局（EPA）局长应指示辐射和室内空气办公室（ORIA ）评估2019年发布的《空气、水和土壤中放射性核素外照射联邦指南报告》（FGR15）中的放射剂量计算的充分性
这一建议，连同上述的建议3，将提供足够的提前时间来解决氚的辐射风险的不确定性和未知数。充分性审查应至少包括建议4提到的那两项。FGR 15目前为“计算幻影”模型计算了6个不同年龄组的有效剂量率，包括新生儿，这些模型结合了男性和女性特定的组织。然而，有效剂量率和潜在影响并未考虑发育中的胎儿。围绕氚的辐射风险的不确定性促使对声明的怀孕工人的潜在暴露采取广泛的预防方法。然而，在评估核聚变能源的辐射风险时，也应考虑公众中怀孕成员更高水平的氚暴露的潜力。
结论
有了经过战略校准的GtG计划，美国可以在聚变能源领域保持技术领先地位。在国家级技术竞争和多极核安全环境的背景下，时间很重要。战略GtG储备需要多年的规划和积累，以确保在合适的时间获得足够的氚。
GtG框架的长期效用不仅限于指定新的氚生产以供和平使用。一旦有核武器国家重返谈判桌以减少世界上的核武器数量，美国将有一个明确的路线图，将退役武器中的氚重新用于支持聚变能。此前，美国在从军用生产过渡到民用生产期间，储备了大量的这种宝贵和关键材料。2025-2040年，美国将有更多的机会将这种材料用于核聚变的生产，从而确保美国在核聚变革命中保持领先地位。
参考链接：
- https://fas.org/publication/fusion-energy-leadership-tritium-capacity/