受控核聚变的燃料循环

受控核聚变的核心是将轻核（主要是氘 （D）和氚 （T））在高温等离子体中克服库仑斥力，实现核子合并并释放能量。燃料循环（fuel cycle）指的是从燃料的获取、制备、注入、燃烧到产物的回收与再处理的完整过程。一个高效、闭合的燃料循环是实现商业化聚变电站的关键，因为它直接关系到燃料成本、放射性废物产生以及装置的运行可靠性。

燃料获取与制备

其中，氚是唯一需要在装置内部“增殖”的燃料。其生产主要依赖 锂‑6 (⁶Li) 与高能中子 的反应：

[
^{6}\text{Li} + n \rightarrow ^{4}\text{He} + ^{3}\text{H} + 4.8\ \text{MeV}
]

因此，燃料系统必须配备锂包层或锂陶瓷靶，以实现 自给自足的氚增殖。

燃料循环的主要环节

1. 燃料注入

   • 采用高速燃料泵或气体注入系统，将 D‑T 混合气体或液态锂‑氚溶液送入等离子体中心。
   • 注入方式分为 中性束注入（NBI）、气体吹入（gas puff） 与 液体金属注入，需根据等离子体密度与温度进行匹配。

2. 燃料燃烧与等离子体维持

   • 在约 10‑20 keV、10²⁰ m⁻³ 的等离子体参数下，D‑T 反应的截面最大，产生 14.1 MeV 中子与 3.5 MeV α 粒子。
   • α 粒子在等离子体内部自加热，维持温度；外部加热（微波、射频）补偿能量损失。

3. 燃料回收与再处理

   • 产生的 中子 与 氚 通过 中子捕获层（如锂陶瓷）产生新氚；未燃烧的 D‑T 气体通过真空抽取系统回收。
   • 回收气体经 冷阱、离子交换树脂 等工艺除去杂质后再次压缩注入，实现 闭环循环。

氚生产与增殖技术

• 锂‑6 增殖靶：在等离子体外壁或中子屏蔽体内布置薄层锂‑6，利用高能中子直接产生氚。
• 液态锂浸没式增殖：将液态锂（Li‑Pb 合金）直接浸没在等离子体外部，利用高通量中子在体积内均匀产生氚，随后通过 氚提取泵 将氚分离。
• 氚提取示例：

  1. 将 Li‑Pb 合金加热至 500 °C，使氚以氚气形式析出；
  2. 氚气经 Pd‑Ag 合金渗透膜进入低压真空腔；
  3. 在低温冷阱中冷凝收集，得到高纯度氚。
  

燃料循环示例：ITER 的燃料系统

• 燃料来源：氘从海水提取，氚通过锂‑6 增殖获得。
• 注入方式：采用 中性束注入（NBI） 与 气体吹入（gas puff） 双重手段，确保等离子体中心的 D‑T 比例约为 1:1。
• 回收路径：
  • 中子在 锂包层 中产生氚；
  • 未燃烧的 D‑T 气体通过 真空抽取系统 收集，送入 气体处理站（冷阱 + 低温吸附）净化后重新注入。
• 闭环率目标：在满功率运行时，氚的自增殖闭环率需达到 ≥ 0.9，即每产生 1 kg 氚，回收并再利用的氚不低于 0.9 kg。

燃料循环的技术挑战与发展方向

• 氚泄漏控制：氚是放射性同位素，泄漏会导致环境与安全风险。需要高效的 氚屏蔽材料（如 Ti‑Zr 合金）和 在线监测系统。
• 材料耐辐照性：锂陶瓷、Li‑Pb 合金在高中子通量下会产生膨胀、脆化，需研发 高辐照耐受材料。
• 循环效率提升：通过 高通量氚提取膜 与 低温冷阱技术，将氚回收率从 80% 提升至 95% 以上。
• 经济性评估：闭环燃料循环的成本占总运行成本的比例约为 10%–15%，未来需通过 模块化燃料处理单元 降低资本支出。

小结

受控核聚变的燃料循环涵盖了燃料的获取、制备、注入、燃烧、产物回收与再处理等完整链条。氘的获取相对成熟，而氚的自增殖是实现长期、经济运行的关键。通过锂‑6 增殖靶、液态锂浸没式增殖以及高效的氚提取技术，可在装置内部形成闭合的氚循环。ITER 的燃料系统已经展示了从海水氘到锂‑6 增殖氚的完整流程，为未来商业化聚变电站提供了可行的技术路径。克服氚泄漏、材料耐辐照以及循环效率等挑战，将是下一代聚变装置实现经济、可靠运行的重点方向。