- 引言 -

11月8日，迎来了2019年立冬节气。

立冬，意味着秋天的结束和冬天的开始。

“秋风吹尽旧庭柯，黄叶丹枫客里过。一点禅灯半轮月，今宵寒较昨宵多。”

天气渐冷，请不要忘了为自己加一件薄薄的冬衣，遮风挡寒。

这个冬季，也许会感觉比较冷。

立冬 （图片源自网络）

- 01 -

言归正传，让我们继续核聚变堆的话题。

核聚变能源是科学上理想的能源；在理论上，如果能实现可控的氘氘聚变，就可以基本满足人类的能源供给。目前研究的聚变能源是以氘氚为燃料的聚变反应，但实现氘氘聚变反应的条件很苛刻，主要有三大难点，一是等离子体的稳定性，二是材料，三是氚自持。

以下为核聚变发电原理图和核聚变堆的结构示意图。

核聚变发电原理图 （图片源自网络）

在建的ITER试验型托卡马克核聚变反应堆，位于法国卡达拉什

（图片源自网络）

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氚增殖包层是以氘氚为燃料的核聚变堆的难点之一，其作用是实现氚的生产及担负能量转换功能。包层产氚技术，事关聚变堆氚循环能否实现自持（tritium self-sufficiency），是未来商用聚变堆稳态运行的基石。

什么是氚自持？

我们知道，最容易控制的聚变反应为氘-氚（D-T）反应：

其中氘在海水中含量很高，可谓取之不尽。但地球上没有天然氚。人工生产的氚上亿美元一公斤，而且年产量只有几公斤，根本满足不了聚变发电的需求。所以，在聚变堆中，必须要实现氚的循环利用：

也就是说，通过中子轰击锂元素，可以产生氚。所以，在设计聚变堆的时候，会在等离子体腔室外放一些含锂的化合物。这样的话，上面的反应就可以变成：

总的来说，氚是作为催化剂一样循环利用的。然而，氚在材料中的渗透很快，会透过各种密封材料泄露出去，并且它还会滞留在壁材料中的微观缺陷内，从而无法参与以上循环。这样的话，氚会越用越少，最后不足以支撑等离子体持续运行，聚变就熄火了。

- 03 -

由于大自然没有稳定的氚存在，而且放射性比较强，半衰期只有十几年，氚的生产很困难，目前聚变需要的氚只能靠人工核反应合成；如果实现了聚变发电，必须解决氚的本地生产问题。

目前，所有的氚自持生产方案中，都是在聚变堆生产，用聚变产生的中子（增殖后）与Li-6反应生产氚。高能中子轰击，增殖，和产氚反应都是强放射性的，由此加剧了反应堆的放射性问题。

本来，与裂变相比，聚变一直号称自己的放射性低。如果只考虑聚变反应，只有氚的放射性和中子辐照问题，在理想条件下，高能氦原子核的放射性问题不大。

虽然中子辐照也很严重，但是如果选择不吸收中子或者吸收后原子核仍然稳定的元素做反应堆的壁，问题也不大。

但如果需要生产氚，放射性立刻大好几个量级，因为中子要先增殖，增殖过程会产生放射性元素，生产出来的氚本身也是放射性的。这样反应堆的放射性就会非常大。

聚变堆内部结构远比裂变堆复杂，裂变堆可以在水下操作以屏蔽放射性，聚变堆不行。强放射性会导致部件损害，反应堆无法进人，无法进入精密电子设备，从而无法维护。

鉴于产氚过程中存在氚损失、失效事件、元素放射性衰变等不可确定因素，实现氚的自持面临巨大挑战。

- 04 -

为解决氚自持这个问题，未来的示范聚变电站(DEMO)中的增殖包层(DEMO-BB)，共有4种作用：

(1) 包层作为面向等离子体部件，构成等离子体的物理边界的主要部分(另外的部分为偏滤器)。这要求包层选择合适的面向等离子体材料，在事故工况下不会被高温等离子体破坏整体结构；

(2) 屏蔽核辐射保护真空室以及磁体。要求包层材料必须有中子吸收能力，使得沉积到真空室和磁体的中子低于限值；

(3) 把聚变能转化为冷却剂的热能载带出真空室；

(4) 利用聚变中子产氚，实现氚的自持。即考虑氚回收过程中的损耗后总体氚增殖比(TBR)大于1。

同时实现这4个目标是一项极大的挑战，并衍生出一系列工程问题。由于涉及到核安全，因此，在DEMO正式运行之前，这些工程问题都必须得到充分的验证。

前期研究结果表明，现有实验条件无法模拟包层所经受的苛刻工况，许多工程可行性问题必须在聚变环境下才能得到验证。

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在这种背景下，各个国家根据本国的DEMO-BB方案设计了不同的实验增殖模块(TBM)方案，并在国际热核聚变堆(ITER)上进行实验验证，这些方案包括：

欧洲氦冷锂铅液态金属(HCLL)方案；

欧洲氦冷球床方案(HCPB)；

日本水冷球床方案(WCCB)；

美国韩国合作的氦冷锂铅液态金属双冷却方案(DCLL)；

中国氦冷球床方案(HCCB)；

印度俄罗斯合作的锂铅液态金属-球床方案(LLCB)。

各个TBM方案的总体目标相同但是技术路线各有特点。不同之处包括冷却剂选择、产氚材料选择、中子倍增剂选择、产氚区布置形式、面向等离子体材料选择、结构材料选择等。

不同技术路线的选择各有其客观原因，本文将通过分析各个包层设计的特点，评述该方案的优点与不足之处，为未来高性能包层设计提供参考。

产氚剂和中子倍增剂选择

固体产氚剂

固态包层采用不同材料的陶瓷小球作为产氚剂，大量陶瓷球堆积形成球床产氚区。这种形式的产氚区有以下优点：

(1)产氚材料的热膨胀系数同结构材料相差很多，采用球床的结构形式可以有效减小热应力；

(2)球与球之间的接触面积很小，使得整体的表面积很大，利于释氚；

(3)即使是密集堆放的球床(约63%)仍然有足够的空间通过吹扫气体。欧洲HCPB、中国HCCB、印度的LLCB、日本WCCB都采用这种形式的增殖剂。

陶瓷球的候选材料包括Li4SiO4，Li2TiO3和Li2ZrO3。其中Li4SiO4中Li的原子密度，产氚性能；Li2TiO3的产氚性能稍差，但释氚性能优秀，同时化学稳定性也较好。

迄今为止这几种候选材料在高燃耗(11%)和高温(900℃)条件下的稳定性仍然没有数据，究竟何种材料的增殖剂综合性能更为优异有赖于未来ITER中的实验结果。

未来需要实验验证的问题包括：

(1)陶瓷小球必须有一定的强度承受热应力，发生破损的比例必须低于限值，不会阻碍吹扫气体的流动；

(2)陶瓷小球的热膨胀、蠕变不应影响整个球床的热传导系数，使得球床温度恒定，不至于过高(920℃设计极限，低于物理极限100℃)或者过低影响氚的释放(会导致TBM中储存过多的氚)；

(3)高温下不同材料陶瓷小球的化学稳定性；

(4)不同材料陶瓷小球的释氚能力。

固体中子倍增剂

在包层中加入Be元素可以利用其(n，2n)反应提高TBR，目前备选的中子倍增剂包括金属Be和Be12Ti。Be12Ti比Be化学稳定性更好，但是Ti原子吸收MeV级高能中子能力较强，采用Be12Ti作为中子倍增剂会降低整个包层的TBR。

Be12Ti在慢中子区吸收能力不是很强，因此包层前部的高能中子区采用Be，包层后部的低能区采用Be12Ti是比较好的 方案。

中子倍增剂可以做成球床也可以是成块的整体。与陶瓷小球不同，块状的Be的热导率相当优秀(约200W/(m·K))，如果仅仅考虑热工条件(Be温度不超过600℃)，中子倍增区可以设计得很厚，以提高TBR。

但是由于Be的热膨胀系数与结构材料不同，受热时会有较大热应力，Be在辐照下的肿胀也会增加应力。把金属Be制成Be小球可以降低接触应力，但其热导率会大幅下降至7W/(m·K)，限制了球床的厚度。球床-块混合模式中子倍增层综合了两者优点，是研究的热点方向之一。

Be虽然能够显著增大TBR，但是引入Be会带来一系列问题：首先Be是一种稀缺资源，引入Be会增加包层的成本；Be在包层内寿命有限，为了保证包层性能稳定需要定期更换。

有计算表明在合适的中子参数下Tokamak不需要Be也能实现氚自持，因此要进行综合考量后才能决定是否在包层内加入Be。

液态金属产氚剂

液态包层采用液态金属如LiPb，Li作为产氚剂，相比于固态包层有很多优点：液态金属LiPb可以同时作为氚增殖剂和中子倍增剂，简化包层结构设计；液态金属中锂所占的比例可以很高，产氚性能好；液态金属本身的导热性能优良，有利于提高冷却剂温度；液态金属没有辐照损伤问题，寿命更长。

不同方案的液态金属包层各有特点。欧洲HCLL采用LiPb作为产氚剂和中子倍增剂，氦气作为冷却剂，主要目标是在ITER中获得未来欧洲DEMO堆包层的相关数据；美国DCLL则着眼于在HCLL基础上提高冷却剂出口温度。

HCLL采用的结构材料低活化不锈钢温度限值只有550℃，DCLL方案通过增加陶瓷层保护不锈钢免受锂铅流体的腐蚀，提高了冷却剂进出口温度。

俄罗斯液态金属包层分为Li/Be/V和Li/V两种，两者都使用液态金属锂作为产氚层，高温钒合金作为结构材料。方案的区别在于是否引入Be作为中子倍增剂。

由于采用钒合金作为结构材料，包层不需要DCLL里面的隔热材料，但仍然需要材料绝缘。

除了高温下同结构材料的相容性问题外，液态金属包层还存在其他待解决问题：

(1)磁场作用下的磁流体效应，例如磁场产生的压降以及加速腐蚀；

(2)中子辐照下锂铅的热物理性能和化学性质，例如氦泡的产生和锂铅分离；

(3)锂铅作为冷却剂受功率密度限值，必然对其质量流量有一定要求，这导致锂铅的总量很大，单位体积增殖剂氚浓度较低。

球床/液态金属混合包层

LLCB是一种综合了液态增殖区和固态增殖区各自的优点的新概念包层。LLCB采用Li2TiO3陶瓷球床作为产氚区，采用锂铅液态金属作为中子倍增剂和产氚区的冷却剂。这样的包层没有铍球床辐照下的热应力和肿胀问题，并且产氚区仍然采用固体球床使得其氚提取比纯液态金属方案如HCLL和DCLL方案容易。这种设计有利于提高TBR，但是也增加了整个系统的复杂性，需要有固态包层和液态包层的两套系统。

- 06 -

冷却剂选择

压力水作为冷却剂

由于安全性的原因，水冷液态金属方案目前已基本被放弃。现阶段只有日本WCCB方案采用压力水作为冷却剂。

冷却水的参数对水冷包层设计非常重要，不同的冷却水压力和温度决定了冷却回路设计和包层材料选择。常见的电厂冷却水参数有：沸水堆(7MPa，275~285℃)，压水堆(15MPa，290~330℃)，超临界水火电站(25MPa，280~510℃)，超临界水核电站(23MPa，290~360℃)。

其中超临界水火电站冷却剂温度变化范围，因而包层冷却剂管道热应力，同时510℃的水温接近低活化不锈钢550℃工程温度限值因此不可行。

沸水堆压力最小，结构负担轻，但是TBM本身空间有限，难以处理放射性蒸气，因此也不可行。PWR和SCWR冷却水参数都适合用于水冷包层。经过计算，冷却剂压力对于TBR的影响非常小，考虑到安全性因素，最终WCCB采用了PWR的冷却水参数。

氦气作为冷却剂

相对于水，氦气作为冷却剂的优势在于其较低的温度下可以达到更高的温度(8MPa，300~500℃)，有利于提高热效率。结构材料制约了氦气出口温度，如果采用耐高温的结构材料例如SiCf/SiC，氦气的出口温度还可以进一步提高，达到的热效率。

氦气的中子吸收截面比水小，因而氦冷TBM一般比水冷TBR略高。但是相比于压力水冷却剂，氦气成本高昂、易泄露，高温氦气发电技术成熟度不高。

制约冷却剂出口温度的因素还包括产氚材料的特性，球床形式的产氚材料热导率低，产氚区外表面温度达到550℃时，内部温度达到900℃，已经接近设计极限；液态金属方案的产氚区热导率高，可以进一步提高出口温度。

液态金属冷却剂

以液态金属增殖剂为冷却剂的TBM方案包括欧盟HCLL、中国DFLL方案、美国DCLL方案、俄罗斯Li/V方案、韩国HCML方案、印度LLCB方案。可以单独使用液态金属作为冷却剂也可以结合其他冷却剂。

液态金属作为冷却剂的优势是其低压下就可以达到很高的出口温度，DFLL方案LiPb的出口温度可以达到700℃，热效率很高。但是液态金属高温下对材料的腐蚀性很高，需要新型的结构材料配合。

通过对比不同包层方案可以看出，以LiPb为产氚剂的液态金属包层综合性能优良，技术挑战也。以低活化不锈钢为结构材料的固态产氚包层技术成熟度，在ITER项目初期有重要地位。

新型耐高温、耐辐照材料的发展决定了未来包层设计方案的选择，随着技术的进步，以SiCf/SiC，V-4Cr-4Ti为代表的新型结构材料的应用将进一步提升高温氦冷/自冷液态金属包层的产氚性能和热效率。

- 07 -

人生如流水，自洁方清，太多的时候，行为就是答案；岁月若明月，自鉴方明，太多的答案，主观带动客观。

没有不付出的得到，也没有横空出世的圆满。

正如朱熹在《观书有感其一》所写的那样，“问渠那得清如许？为有源头活水来。”

有注入才有生机，有更新才有活力。

有了氚自持，才会有可持续的可控核聚变。