氘氚聚变作为一种具有显著优势的核聚变方式，因其反应截面宽广、点火温度相对较低以及能量释放巨大等特性，被认为是目前最容易实现的聚变反应类型。氘在自然界中主要存在于水体中，尽管其在氢同位素中的比例仅为0.02%，但得益于海洋水资源的丰富性，每公斤海水中大约含有0.03克的氘。加之现有的提取技术已经相当成熟，可以实现氘的大规模提取，这使得氘成为了一种几乎无穷无尽的聚变燃料来源。然而，氚作为一种半衰期仅为12.43年的放射性同位素，在地球上并不存在多少天然资源，这使得确保氚的稳定供应成为了实现受控氘氚聚变反应所面临的重要挑战。
氚自持的概念是聚变反应堆实现商业化运营的关键。氘氚聚变过程中产生的高能中子，能量可达到14.1 MeV，这些中子能够与锂原子核发生氚增殖反应，具体反应如下：
在这些反应中，通过氚增殖反应产生的氚可以被重新用于氘氚聚变反应，形成一种氚的循环利用机制。我们的目标是使得氚增殖反应产生的氚的数量超过氘氚反应消耗的氚，从而实现氚的自持。氚的自持不仅对于聚变反应堆的持续运行至关重要，也是推动其商业化进程的关键因素。
氚增殖研究
氚增殖区是聚变反应堆中一个至关重要的组成部分，它位于反应堆的真空室与屏蔽层之间。这一区域的功能主要体现在三个关键方面：
-首先，其核心任务是利用聚变产生的中子与氚增殖材料发生反应，生成新的氚，以补充聚变过程中的氚消耗，实现氚的自我维持。
-其次，氚增殖区能够将聚变反应释放的能量转化为可利用的热能，不仅有效降低自身的温度，还能提供高质量的热源以供发电。
-最后，该区域还承担着为超导线圈和操作人员提供辐射防护的职责，减少外围设备的活化问题，并安全地包容放射性物质，起到辐射屏蔽的作用。
为了提升中子的利用效率并增强氚的增殖能力，氚增殖区有时会引入含有铍或铅的中子增殖材料。这些材料与中子发生反应时，能够产生额外的中子，从而增加中子的总数，提高与锂原子核反应的几率。这一过程的原理是，当一个中子与铍或铅相互作用，将产生两个新的中子，这两个中子又可以继续引发更多的中子，形成一种链式反应，极大地提高了中子与锂原子核的接触机会。通过这种方式，可以更高效地利用聚变产生的高能中子进行氚的增殖。
氚增殖相关的研究主要聚焦于两个领域：氚增殖剂材料的研究和氚燃料循环工艺的研究。尽管磁约束聚变和惯性约束聚变在氚增殖材料和循环工艺方面存在差异，但考虑到磁约束聚变在氚增殖研究方面的深入，以下将主要围绕磁约束聚变进行讨论，并在文末对惯性约束聚变的相关研究进行简要补充。
氚增殖剂材料
在氚增殖区，氚增殖剂扮演着核心角色。根据氚增殖剂的形态，氚增殖包层可分为液态和固态两种类型。
液态增殖材料
液态增殖材料主要包括液态金属锂及其合金，如锂铅合金、锂锡合金和氟锂铍熔盐等。这类材料的优势在于：
-流动性强，便于换料，简化了包层结构的设计和建造；
-热导性好，且锂含量高，可以在氚增殖的同时实现热量交换；
-氚回收方便，可实现在线提取。
然而，液态增殖材料也存在一些不足之处：
-存在磁流体动力学效应，可能导致流动压强增加，降低包层效率；
-化学稳定性较低，高温下对结构材料有腐蚀性，需要复杂的防腐蚀措施。
鉴于这些挑战，磁约束聚变堆的液态包层在工程实施上面临较大困难。相比之下，以锂的氧化物为基础的固态氚增殖剂具有化学稳定性高、安全性好且无磁流体效应的优点，尽管其结构设计相对更为复杂。
固态增殖材料
目前，固态增殖材料正受到越来越多的关注。在国际热核聚变实验反应堆（ITER）项目中，各参与国都提出了自己的氚增殖包层设计方案。考虑到工程实施的难度，大多数成员国在氚增殖实验包层模块中选择了固态方案，主要采用Li4SiO4和Li2TiO3作为氚增殖剂。
此外，如何快速从氚增殖包层中提取并回收氚，实现氚的自我维持，是聚变反应堆设计中的关键问题。氚的循环过程还包括从载气和冷却剂中回收氚，这是实现聚变反应堆高效运行的重要组成部分。
惯性约束聚变中的氚增殖
在惯性约束聚变领域，尽管对氚的增殖过程的研究尚未像磁约束聚变那样深入，但考虑到两种聚变方式在等离子体和电磁场条件上的差异，惯性约束聚变在氚增殖装置的设计上自然呈现出独特的要求和挑战。
在美国劳伦斯利弗莫尔实验室的聚变研究中，液态锂被选为氚增殖材料，它具有显著的优点。液态锂的氚增殖比率（TBR）相当高，可达到1.4。这表示在聚变装置运行时，不仅能满足自身需求，还能产生额外的氚供新装置使用。在运行过程中，通过添加液态锡，可以将TBR调整至接近1，实现氚的自给自足，并借助中子的倍增效应，将能量输出提升至原始水平的1.2倍。
尽管惯性聚变反应能实现较高的能量增益，但实际参与燃烧的氘氚比例仅在20%到30%之间。因此，回收未燃烧的氘氚变得至关重要。目前，设计中使用稀有气体氙在反应腔中进行回收，避免了第一壁直接暴露于X射线和高能离子。尽管这是一个初步方案，但未来可能会有更优化的方法出现。
液态锂作为冷却剂，其对氚的高亲和力有助于防止氚的环境污染，但同时也增加了分离氚的难度。目前考虑使用熔融盐技术进行氚的回收，但研究者仍在寻求更高效的回收策略。
与磁约束聚变相比，惯性约束聚变的反应装置不受强磁场影响，减少了液态锂的磁流体动力学效应。然而，液态锂的腐蚀性问题仍需解决，这将是未来研究的关键。同时，为了推动惯性约束聚变能源的进一步发展，需要不断探索更高效、更环保的氚增殖和回收技术。
中国在氚增殖领域的最新进展
中国在氚增殖领域也取得了显著进展，今年年初，中国氦冷固态实验包层系统(HCCB TBS)项目氚增殖剂正硅酸锂小球工程化认证生产启动会在核工业西南物理研究院(以下简称“西物院”)顺利召开，标志着中国在聚变堆产氚材料的工程化生产方面迈出了重要步伐。西物院的这一成就不仅展示了其在氚增殖剂生产工艺上的技术掌握，而且对于参与国际热核聚变实验堆（ITER）计划具有重要意义，有助于验证聚变堆条件下的关键技术。
正硅酸锂小球作为氚增殖剂材料，因其高锂密度、低氚滞留量和良好的耐中子辐照性能，被认为是未来聚变堆的首选产氚材料。其工程化认证的成功启动，不仅为中国聚变堆包层技术的发展奠定了坚实基础，也是中国自主掌握聚变堆关键技术的重要一环。这一进展对于推动国际核聚变能源的发展具有深远影响，同时也体现了中国在这一高科技领域的科研实力和创新能力。
参考链接：
- https://www.sohu.com/a/732713914_121679925
- https://www.ccnta.cn/article/16633.html