$火炬电子(SH603678)$ 氚自持：核聚变能源革命的关键
科技前沿观察者
2025-06-02 14:08江苏
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人造太阳燃料循环大揭秘：氚自持如何突破？ITER 与中国 BEST 装置最新进展
一、氚燃料循环：核聚变的 “血液密码”
（一）氚为何是关键燃料？
在可控核聚变的 “终极能源” 蓝图中，氘（D）与氚（T）的聚变反应因能量释放效率最高（单个反应释放 17.6MeV 能量），成为当前技术路线的核心选择。这一数值意味着每克氘氚燃料完全聚变释放的能量，相当于燃烧 1 万吨标准煤。然而，自然界中氚的储量仅有约 3.5 公斤，且半衰期仅 12.43 年，必须通过人工增殖实现持续供应。这就好比电动汽车需要电池循环利用，核聚变反应堆也依赖 “氚燃料循环” 维持 “能量造血”。值得一提的是，氚的放射性较弱，其 衰变释放的电子连一张纸都无法穿透，在密封环境下安全性极高，这也是其作为核聚变燃料的独特优势。
（二）中子轰击锂的增殖奥秘
氚的增殖过程依赖 “中子 - 锂” 核反应：当聚变产生的 14.1MeV 高能中子轰击锂 - 6（⁶Li）时，会生成氚（³H）和氦 - 4（⁴He），反应式为 n + {^6Li} \rightarrow {^3H} + {^4He} + 4.78MeV；若轰击锂 - 7（⁷Li），则生成氚、氦 - 4 和一个中子，反应式为 n + {^7Li} \rightarrow {^3H} + {^4He} + n - 2.47MeV。这一过程需要在反应堆包层中填充含锂的增殖材料，如正硅酸锂（Li₄SiO₄）小球或锂铅合金，通过中子与锂核的持续反应实现氚的 “自产自销”。
2025 年 3 月，中国核工业西南物理研究院成功实现正硅酸锂小球与铍小球的工程化生产，综合性能国际领先，为氚自持奠定材料基础。其中，正硅酸锂小球的氚释放温度从原来的 600℃降低至 450℃，这意味着在更耗下就能实现氚的高效提取。而铍小球作为中子倍增材料，可将中子利用率提升 30% 以上，形成 “中子增殖 - 氚生产” 的良性循环。
二、ITER 计划：2039 年验证氚自持的全球大考
（一）ITER 为何推迟到 2039 年？
作为全球最大的磁约束核聚变项目，ITER 原计划 2035 年启动氘氚实验，如今因疫情延误、部件维修及材料调整（第一壁从铍改为钨以提升耐辐照性），将关键的氚自持验证推迟至 2039 年。这一调整虽增加 50 亿欧元成本，却让实验更贴近未来商用堆需求 —— 氚自持的核心指标是 “氚增殖比（TBR）≥1”，即每消耗 1 个氚原子，需通过增殖产生至少 1 个新氚原子，确保燃料循环不中断。
事实上，ITER 的延期背后还有更深层的技术考量。由于氚自持实验需要将装置运行在极端工况下，对真空系统、磁体冷却、氚处理等子系统的可靠性要求极高。以真空系统为例，其需要维持 10⁻⁸Pa 的超高真空环境，相当于每立方厘米空间内仅保留约 100 个气体分子，任何微小的泄漏都可能导致实验失败。
（二）ITER 的技术路线与挑战
ITER 采用托卡马克磁约束方案，通过 18 个大型超导磁体构建环形磁场，将等离子体约束在 1.5 亿摄氏度高温下。其 “氚自持验证” 包含两大核心任务：一是验证产氚包层在强中子辐照下的长期稳定性，二是测试氚的在线提取效率 —— 聚变产生的氚会以气体形式混入冷却剂，需通过钯膜渗透、低温蒸馏等技术高效分离回收，回收率需达 99% 以上才能满足自持需求。
在钯膜渗透技术中，ITER 团队研发出厚度仅 10 微米的钯银合金膜，利用氢同位素在高温下的扩散特性实现氚的分离。而低温蒸馏系统则将混合气体冷却至 - 250℃以下，通过不同组分沸点差异实现氚的提纯。尽管面临工程延期，ITER 仍被视为人类突破 “能量增益 Q>1” 后，迈向 “燃料自持” 的关键一步。据最新模拟数据显示，ITER 在氘氚实验阶段有望实现 Q=10 的能量增益，即输入 1 份能量可产出 10 份能量。
三、中国 BEST 装置：同步测试在线氚提取的 “本土突围”
（一）BEST 装置的技术亮点
在中国合肥科学岛，紧凑型聚变能实验装置（BEST）正加速建设，计划 2027 年建成并首次使用真实氘氚燃料演示聚变发电。其核心创新点在于 “在线氚提取系统”：通过在真空室包层中集成毛细管式氚吸附器，利用金属钛在高温下对氚的选择性吸附特性，实时捕获增殖产生的氚气，同步分离氦等反应产物。
该系统借鉴了 EAST 装置 1066 秒长脉冲运行积累的热管理经验，采用全超导磁体降耗，目标实现氚提取效率≥98%，为未来 CFETR（中国聚变工程实验堆）提供工程验证。与传统吸附材料相比，BEST 采用的钛基合金吸附剂的吸附容量提升了 5 倍，且循环使用寿命超过 10 万次。此外，系统还配备了自主研发的激光在线检测装置，可实时监测氚浓度，检测精度达到 0.1ppm（百万分之一）。
（二）从实验室到工程化的中国路径
中国的氚燃料循环研究呈现 “双线并进” 态势：一方面深度参与 ITER 项目，承担 18% 的采购包任务，掌握了氦冷固态增殖包层（HCCB TBM）的关键技术；另一方面自主部署 BEST 装置，聚焦 “小而精” 的紧凑型堆设计，重点突破在线提取、材料抗辐照等 “卡脖子” 环节。
2025 年初，EAST 装置实现 1 亿摄氏度千秒长脉冲运行，证明中国已具备稳态等离子体控制能力，而 BEST 的氚提取测试将补上 “燃料循环闭环” 的最后拼图。在材料抗辐照领域，中国科研团队研发出新型碳化硅复合材料，其在 14MeV 中子辐照下的强度保持率超过 85%，远高于国际同类材料水平。同时，BEST 装置还创新性地采用模块化设计理念，单个模块的更换时间从传统的数月缩短至数周，大幅提升了装置的维护效率。
四、未来展望：氚自持背后的能源革命倒计时
氚自持技术的突破不仅是技术里程碑，更标志着核聚变从 “能量消耗” 走向 “能量产出” 的转折点。根据中国 “三步走” 规划：2035 年建成 CFETR 实现 Q>20 的能量增益，2050 年前建成示范堆实现商业化发电，届时一度电成本有望降至 0.3 元以下。而国际层面，ITER 的 2039 年验证与中国 BEST 的同步测试，将形成 “东西呼应” 的技术验证矩阵，推动人类在 21 世纪中叶迎来 “氘氚聚变发电” 的新纪元。
从海水提氘的 “取之不尽” 到锂基增殖的 “氚自持循环”，可控核聚变正从科幻走向现实。这场能源革命的核心密码，就藏在微观世界的中子与锂核碰撞中，藏在托卡马克装置的万安培电流里，更藏在中美欧等全球科研团队的持续攻关中。当氚燃料循环真正闭环，人类将解锁太阳的能量密码，为 “双碳” 目标与能源安全交出终极答卷。未来，聚变发电厂或将像今天的风力发电场一样遍布全球，彻底改写人类的能源版图。