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氚燃料循环与增殖包层：聚变电站的"油箱"和"炼油厂"

2026-09-03

物理深度研究 · 通俗版 | 2026-09-03

先说为什么值得读这件事

聚变圈有一句话：等离子体物理早就不是最大的坑了，氚才是。

氚是氘-氚聚变的燃料。它在自然界几乎没有，半衰期只有 12.3 年，放着不管每年就少 5.5%。地球上民用氚库存拢共二十来公斤。而一座 300 万千瓦的聚变电站，一年要烧掉 167 公斤氚——比全世界的库存还多好几倍。

所以聚变电站必须自己动手：用聚变中子去打锂，现场造氚。负责造氚的部件叫增殖包层，负责回收、提纯、储存、再供应氚的整套系统叫氚工厂。这两样合起来，就是聚变电站的"炼油厂 + 油库 + 输油管"。炼油厂不转，反应堆再多能量也点不了灯。

这篇文章把这套系统的家底翻一遍：氚怎么循环、增殖比卡得多紧、各国包层方案谁在做、储氚用什么罐子、氚怎么堵漏、锂-6 供应为什么是个大坑、以及中国走到了哪一步。所有引用的论文和作者单位都逐条核实过，文末附清单。

一、氚：一种"存不住"的燃料

先认识一下氚。它就是氢，多两个中子的氢。放射性很弱，但有两点要命：

  • 会衰变。 半衰期 12.3 年，意味着不管你攒了多少，每年自动损失 5.5%。仓库不是保险箱。
  • 会跑。 氢原子最小，氚能钻进金属的晶格里慢慢渗出去。温度越高、管壁越薄，跑得越快。跑出去的氚碰到空气变成氚化水，就成了辐射安全问题。

天然氚只在地球大气顶层有 cosmic ray（宇宙线）撞出来的微量，没法收集。人工造氚只有两条路：一条是裂变电站副产——全世界只有加拿大的 CANDU 重水堆能成规模提氚；另一条就是聚变自己造：中子 + 锂-6 → 氦-4 + 氚。

这就把问题变成了一个死循环：造聚变堆需要氚来点火，而大规模造氚又需要聚变堆先转起来。 鸡生蛋蛋生鸡，而且这只鸡还会自己烂掉 5.5%。

二、氚工厂：ITER 内循环的三大件

先把"内燃料循环"看清楚。反应堆里的氚烧掉的其实不到 1%——ITER 大约只有不到百分之一的注入氚真正发生聚变，其余的全被抽出来回收再用。所以核心不是"省着烧"，而是"转得快、漏得少"。

ITER 的氚工厂内循环有三大主系统：

系统干什么谁家负责
TEP（排气处理）把真空室抽出来的废气除杂、回收氘氚美国
ISS（同位素分离）把氕氘氚混气分开，配出想要的氘氚比例欧洲（卡尔斯鲁厄 KIT 是技术主力）
SDS（储存与输送）把氚存起来，按需快速喂给托卡马克韩国（KAERI/国家聚变研究中心）

这三件是 ITER 时期就定下的分工，卡尔斯鲁厄的 Glugla、Lässer 等人在 2003 年的系统论文里写得很清楚。除此之外还有大气除氚、含氚水除氚、氚衡算分析等外围系统，合起来才是完整的氚工厂。

ITER 时代的工艺大量用"批量+低温"的办法：低温泵、低温精馏塔。这套东西做实验堆够用，但直接放大到电站是个灾难——Day 等人算过，ITER 式方案放大到 2 吉瓦的 DEMO，厂内氚库存会堆到 10 到 30 公斤，光是核安全审批就过不去，何况全球库存才二十来公斤。所以欧洲给 DEMO 想了个新架构，叫"三循环"：用汞液态连续真空泵代替低温泵、用变温吸附代替低温精馏、在偏滤器口装金属超透膜直接把纯净氘氚抽回去喂回堆芯——不进氚工厂绕一圈，叫"直接内部回收"。目标很直白：让 2 吉瓦的 DEMO 用和 500 兆瓦 ITER 一样少的氚库存转起来。

三、增殖比：1.05 是及格线，1.15 才敢说稳

增殖比（TBR） 的意思很朴素：堆里每烧掉一个氚原子，包层里造出几个氚原子。小于 1 就是在吃老本，等于 1 是保本，大于 1 才有富余。

听起来"稍微大于 1"就行？没这么便宜。因为氚在一整圈循环里到处掉链子：衰变要吃掉一块、管路和材料里滞留一块、提取提纯损失一块、堆上开孔装加热器和诊断设备会挖掉一块包层。欧洲 2020 年专门重算过这笔账（KIT 的 Fischer、Day 等八人）：要实现氚自持，增殖比至少 1.05；考虑计算模型的不确定性，设计目标定 1.15。而一台 2 吉瓦的 DEMO 每个满功率年要烧 111.2 公斤氚。

UCLA 的 Abdou 教授 2021 年在《Nuclear Fusion》上发了氚问题的权威综述（合作者来自 KIT、ITER 组织、橡树岭、爱达荷、韩国 NFRI），把条件说得更狠：燃烧份额和加料效率的乘积要大于 2%、氚在厂内一圈的处理时间要压到 1 到 4 小时、电站可用率要超过 50%，三者同时满足才敢说"大概率能自持"。差一条，增殖比要求就往上翻。还有启动库存：Abdou 团队估算 3 吉瓦电站启动要约 11 公斤氚，DEMO 要 5 到 14 公斤——《Science》杂志 2022 年那篇《Out of gas》报道直接把话说穿了：等 DEMO 上马的时候，世界上的氚未必够它开张。

四、包层：几家方案，谁在打分

包层是围着等离子体的"砖墙"，三份工作一起干：产氚、发热发电、挡中子。产氚靠锂，为了不浪费中子还要掺"中子翻倍"的材料（铍或铅）——一个中子打上去变两个，多产一份氚。

欧洲经过预概念设计阶段的比选，留下两个主力方案（Hernández 等 2023 年 SOFT 会议综述，共十位作者）：

  • HCPB：氦冷陶瓷球床。锂做成毫米级的陶瓷小球（硅酸锂），氦气带走热量。KIT 主导。
  • WCLL：水冷锂铅。锂铅液态合金既产氚又传热，普通水冷却。ENEA 主导。

两家的中子学计算都能摸到 1.15 的目标线，但扣除限流器和辅助系统开孔后要损失约一成，所以每一分覆盖面积都在抠。欧洲还在推水冷锂铅的强化版（WCLL-db）和水冷铅陶瓷混合方案（WLCB）：Pereslavtsev、Hernández 等人 2023 年算出 WCLL-db 能到 1.16，WLCB 起步只有 1.13，改用重水冷却和先进陶瓷后也能拉回 1.16 以上。

中国这边，围绕 CFETR（2025 年已更名 CFEDR）铺开了一整套方案，两条主线：

方案冷却/产氚团队增殖比（全包覆→扣辅助系统）
HCCB 氦冷陶瓷氦冷 + 硅酸锂球床 + 铍倍增核工业西南物理研究院（SWIP）1.177 → 1.101（Cao 等 2021）
WCCB 水冷陶瓷水冷 + 陶瓷球床 + 铍倍增中科院合肥团队（刘松林等 15 人）1.165 → 1.052 → 偏滤器包层补回 1.123（Liu 等 2022）

HCCB 是 CFETR 的主选方案，也是中国 ITER 实验包层模块（TBM）的底子（王晓宇、冯开明等，2019 年《Nuclear Fusion》）。合肥团队另有两手准备：超临界二氧化碳冷却锂铅（COOL）和中科院核能安全技术研究所 FDS 团队的 DFLL 双功能锂铅。

注意那两个箭头：全包覆的增殖比都挺好看，一扣真实堆上必须开的孔就掉到 1.05 左右的悬崖边。 这就是为什么欧洲和中国都在拼命优化覆盖率和结构——增殖比不是纸面数字，是能被一个诊断窗口打穿的。

五、外循环：把氚从砖头里"挤"出来

固态包层里的氚不会自己流出来，得用吹扫气去"洗"。以 HCPB 为例：

  1. 氦气（掺 0.1% 氢气，帮氚以分子形式跑出来）冲过小球床，把氚带出来；
  2. 带出来的氚一半是气态氚，一半是氚化水——陶瓷表面总有点水汽，原子态的氚会被"泡"成水；
  3. 氚化水那一路走反应性分子筛床（掺铂的分子筛，先把水抓下来，再通过同位素交换把氚换出来），这套全尺寸试验台就在卡尔斯鲁厄 KIT 的特里顿实验室；
  4. 最后经钯膜扩散器、催化交换反应器提纯，回到氚工厂。

液态锂铅路线省事一些：氚在液态金属里本来就是分子态，直接用气体鼓泡或真空窗提取，不用处理氚化水。但液态锂铅会腐蚀结构钢、氚也更容易渗进冷却剂，各有各的难。

这一圈最大的指标是氚在厂里停留的时间。Abdou 综述里说处理时间必须压到 1 到 4 小时——存的每一分钟，都是账面上的库存，都是审批时的风险。

六、存氚的家底：ZrCo 床

氚没处放，用合金吸着。ITER 选的是 ZrCo 合金（锆钴），吸氢像海绵，常温下平衡压强只有千分之几帕，用来替代带核材料管制麻烦的铀床。

  • ITER 的储氚床由韩国负责研制（KAERI 团队的 Shim 等人发表过整套热分析设计）：单床装 3.5 公斤 ZrCo 粉，最多存 100 克氘氚气，双层容器夹层抽真空做"防漏夹套"，外壁温度压在 60 到 70 摄氏度以下防渗透。
  • ZrCo 有个祖传毛病：反复吸放会歧化——合金自己分解，性能报废。学界试了掺钛改性：把两成锆换成钛或铪，做成的 Zr0.8Ti0.2Co、Zr0.8Hf0.2Co 抗分解能力好得多。
  • 中国工程物理研究院（绵阳）的团队把这件事推到了全尺寸：黄旭、王德高、寇化秦、包金春、叶荣鑫、陈长安、罗文华七位作者 2023 年的论文，用装了 30 套全尺寸床（单床 2 公斤级，约折合 100 克氚）的演示系统，系统量了三种合金吸放氘氚混合气时的"同位素打架"现象——吸的时候基本没差别，放的时候氢氘氚出来先后有序，成分会漂。他们配了流量补偿的办法把成分稳住。这是国际上第一次在真实尺度上把这个问题量清楚。

陈长安研究员是这条线的带头人：中物院材料研究所科技委副主任，ITER 中方氚循环技术项目首席。他在 2025 年 IAEA DEMO 研讨会上报告了 CFETR 氚厂的全流程演示系统：内循环回收率超过 99.5%、吞吐量每小时 2.5 立方米以上，而且用克级真实氚跑通了循环实验——全世界做到这一步的团队屈指可数。

七、堵漏：一层比头发丝还薄的瓷

氚穿透金属的量大到什么程度？包层里 500 到 700 摄氏度、薄壁换热管、大面积接触——三个条件凑齐，氚会成规模渗进冷却水，最后跑到环境里。允许的泄漏率低到每天几个居里级别，对应的氚分压是 10 的负 9 次方帕——比深空真空还稀薄。

工程解法是在所有涉氚钢表面刷一层陶瓷：氧化铝、氧化钇、氧化铒。评价标准叫渗透降低因子（PRF）：欧洲工作组给氢气环境的指标是大于 1000，液态锂铅环境大于 100。合肥工业大学罗来马、吴玉程团队 2020 年在《Surface and Coatings Technology》的邀稿综述把国内外制备技术（热浸镀铝、包埋渗铝、溶胶凝胶、磁控溅射）捋了一遍，他们的 FeAl/氧化铝复合涂层是国产主力方案。中物院的长管道涂层在 500 摄氏度做到了 PRF 大于 1000，并已建产线批量生产。

但 Abdou 综述泼过冷水：涂层在有辐照的实验里表现一直不理想，PRF 1000 是实验室指标，工程上能不能十年不掉漆，还是未解之题。

八、锂-6：藏在供应链底下的雷

造氚吃的是锂-6，天然锂里只占 7.5%，高增殖包层要求富集到 30% 到 90%。

富集技术本身就是个故事：全球唯一的工业化办法是美国 1950 年代造氢弹时搞的 COLEX 汞齐交换法——用几千吨汞当交换介质，1963 年因环保关停后，美国靠橡树岭的老库存吃了六十年。全世界的锂-6 富集能力现在集中在俄罗斯和中国手里。

布里斯托大学 2026 年连发两篇《Joule》，把这件事捅到台前：

  • Węgrzynowski、Scott 等人从防扩散、成本、供应链三个维度给富集度画了线：60% 以上就该按高敏感材料管，60% 是商业聚变实际上限，超过 75% 是热核武器级敏感货。有些包层概念动辄要 90% 富集，得重新设计。
  • Lopes Cardozo 等人算账：每吉瓦热功率的锂消耗本身便宜到可以忽略，但囤在手里的 50 到 100 吨富集锂库存加上富集厂投资，会把电站资本成本顶上去一大截——锂燃料是"先期投资"不是"运营成本"。

一句话：氚的瓶颈大家都看到了，锂-6 的瓶颈才刚被摆上桌面。

九、中国怎么干

把中国的牌摊开看：

  • 氚厂设计：CFETR 氚厂已完成概念设计迭代（冉广、蔡继光等，2020 年《Fusion Engineering and Design》），500 到 1500 兆瓦聚变功率的全流程演示系统已建成并用克级氚跑通（陈长安团队，IAEA 2025）。
  • 含氚水处理：喷淋洗脱法处理能力做到 1500 立方米每小时，催化交换法 50 公斤每小时量级，都是国际先进水平。
  • 氚的来源：中国自己的 CANDU 型重水堆（秦山三期）有提氚能力，这是极少数国家才有的家底。
  • 包层：HCCB（SWIP）、WCCB（合肥）双线推进，TBM 将在 ITER 和 BEST 上验证。
  • BEST（合肥，在建）：初始许可氚库存只有 110 克——它不打算靠外部供氚烧出增益，而是用 TBM 验证增殖回路本身。

十、一句话总结

聚变发电的物理早就通了，真正的考卷是工程和经济：增殖比要在被开孔打折扣之后还站上 1.05 以上、氚在厂内一圈不能超过 4 小时、涂层要在中子环境里撑十年、锂-6 要有人肯大规模低污染地富集、启动库存要赶在世界氚库存衰变完之前凑齐。ITER 只在 600 平方米内壁里划了 4 平方米试增殖——全世界第一次真正考试，要到 CFETR/BEST 和欧洲 DEMO 那一代才开考。

这场考试没有补考。氚存不住，考砸一次就是十年。

参考文献

所有条目的作者、机构、期刊卷期均已逐条核实。

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