- 引言 -

11月8日，迎來了2019年立冬節(jié)氣。

立冬，意味著秋天的結(jié)束和冬天的開始。

“秋風吹盡舊庭柯，黃葉丹楓客里過。一點禪燈半輪月，今宵寒較昨宵多?！?/span>

天氣漸冷，請不要忘了為自己加一件薄薄的冬衣，遮風擋寒。

這個冬季，也許會感覺比較冷。

立冬 （圖片源自網(wǎng)絡）

- 01 -

言歸正傳，讓我們繼續(xù)核聚變堆的話題。

核聚變能源是科學上理想的能源；在理論上，如果能實現(xiàn)可控的氘氘聚變，就可以基本滿足人類的能源供給。目前研究的聚變能源是以氘氚為燃料的聚變反應，但實現(xiàn)氘氘聚變反應的條件很苛刻，主要有三大難點，一是等離子體的穩(wěn)定性，二是材料，三是氚自持。

以下為核聚變發(fā)電原理圖和核聚變堆的結(jié)構(gòu)示意圖。

核聚變發(fā)電原理圖 （圖片源自網(wǎng)絡）

在建的最大ITER試驗型托卡馬克核聚變反應堆，位于法國卡達拉什

（圖片源自網(wǎng)絡）

- 02 -

氚增殖包層是以氘氚為燃料的核聚變堆的難點之一，其作用是實現(xiàn)氚的生產(chǎn)及擔負能量轉(zhuǎn)換功能。包層產(chǎn)氚技術，事關聚變堆氚循環(huán)能否實現(xiàn)自持（tritium self-sufficiency），是未來商用聚變堆穩(wěn)態(tài)運行的基石。

什么是氚自持？

我們知道，最容易控制的聚變反應為氘-氚（D-T）反應：

其中氘在海水中含量很高，可謂取之不盡。但地球上沒有天然氚。人工生產(chǎn)的氚上億美元一公斤，而且全球年產(chǎn)量只有幾公斤，根本滿足不了聚變發(fā)電的需求。所以，在聚變堆中，必須要實現(xiàn)氚的循環(huán)利用：

也就是說，通過中子轟擊鋰元素，可以產(chǎn)生氚。所以，在設計聚變堆的時候，會在等離子體腔室外放一些含鋰的化合物。這樣的話，上面的反應就可以變成：

總的來說，氚是作為催化劑一樣循環(huán)利用的。然而，氚在材料中的滲透很快，會透過各種密封材料泄露出去，并且它還會滯留在第一壁材料中的微觀缺陷內(nèi)，從而無法參與以上循環(huán)。這樣的話，氚會越用越少，最后不足以支撐等離子體持續(xù)運行，聚變就熄火了。

- 03 -

由于大自然沒有穩(wěn)定的氚存在，而且放射性比較強，半衰期只有十幾年，氚的生產(chǎn)很困難，目前聚變需要的氚只能靠人工核反應合成；如果實現(xiàn)了聚變發(fā)電，必須解決氚的本地生產(chǎn)問題。

目前，所有的氚自持生產(chǎn)方案中，都是在聚變堆生產(chǎn)，用聚變產(chǎn)生的中子（增殖后）與Li-6反應生產(chǎn)氚。高能中子轟擊，增殖，和產(chǎn)氚反應都是強放射性的，由此加劇了反應堆的放射性問題。

本來，與裂變相比，聚變一直號稱自己的放射性低。如果只考慮聚變反應，只有氚的放射性和中子輻照問題，在理想條件下，高能氦原子核的放射性問題不大。

雖然中子輻照也很嚴重，但是如果選擇不吸收中子或者吸收后原子核仍然穩(wěn)定的元素做反應堆的壁，問題也不大。

但如果需要生產(chǎn)氚，放射性立刻大好幾個量級，因為中子要先增殖，增殖過程會產(chǎn)生放射性元素，生產(chǎn)出來的氚本身也是放射性的。這樣反應堆的放射性就會非常大。

聚變堆內(nèi)部結(jié)構(gòu)遠比裂變堆復雜，裂變堆可以在水下操作以屏蔽放射性，聚變堆不行。強放射性會導致部件損害，反應堆無法進人，無法進入精密電子設備，從而無法維護。

鑒于產(chǎn)氚過程中存在氚損失、失效事件、元素放射性衰變等不可確定因素，實現(xiàn)氚的自持面臨巨大挑戰(zhàn)。

- 04 -

為解決氚自持這個問題，未來的示范聚變電站(DEMO)中的增殖包層(DEMO-BB)，共有4種作用：

(1) 包層作為面向等離子體部件，構(gòu)成等離子體的物理邊界的主要部分(另外的部分為偏濾器)。這要求包層選擇合適的面向等離子體材料，在事故工況下不會被高溫等離子體破壞整體結(jié)構(gòu)；

(2) 屏蔽核輻射保護真空室以及磁體。要求包層材料必須有中子吸收能力，使得沉積到真空室和磁體的中子低于限值；

(3) 把聚變能轉(zhuǎn)化為冷卻劑的熱能載帶出真空室；

(4) 利用聚變中子產(chǎn)氚，實現(xiàn)氚的自持。即考慮氚回收過程中的損耗后總體氚增殖比(TBR)大于1。

同時實現(xiàn)這4個目標是一項極大的挑戰(zhàn)，并衍生出一系列工程問題。由于涉及到核安全，因此，在DEMO正式運行之前，這些工程問題都必須得到充分的驗證。

前期研究結(jié)果表明，現(xiàn)有實驗條件無法模擬包層所經(jīng)受的苛刻工況，許多工程可行性問題必須在聚變環(huán)境下才能得到驗證。

- 05 -

在這種背景下，各個國家根據(jù)本國的DEMO-BB方案設計了不同的實驗增殖模塊(TBM)方案，并在國際熱核聚變堆(ITER)上進行實驗驗證，這些方案包括：

歐洲氦冷鋰鉛液態(tài)金屬(HCLL)方案；

歐洲氦冷球床方案(HCPB)；

日本水冷球床方案(WCCB)；

美國韓國合作的氦冷鋰鉛液態(tài)金屬雙冷卻方案(DCLL)；

中國氦冷球床方案(HCCB)；

印度俄羅斯合作的鋰鉛液態(tài)金屬-球床方案(LLCB)。

各個TBM方案的總體目標相同但是技術路線各有特點。不同之處包括冷卻劑選擇、產(chǎn)氚材料選擇、中子倍增劑選擇、產(chǎn)氚區(qū)布置形式、面向等離子體材料選擇、結(jié)構(gòu)材料選擇等。

不同技術路線的選擇各有其客觀原因，本文將通過分析各個包層設計的特點，評述該方案的優(yōu)點與不足之處，為未來高性能包層設計提供參考。

產(chǎn)氚劑和中子倍增劑選擇

固體產(chǎn)氚劑

固態(tài)包層采用不同材料的陶瓷小球作為產(chǎn)氚劑，大量陶瓷球堆積形成球床產(chǎn)氚區(qū)。這種形式的產(chǎn)氚區(qū)有以下優(yōu)點：

(1)產(chǎn)氚材料的熱膨脹系數(shù)同結(jié)構(gòu)材料相差很多，采用球床的結(jié)構(gòu)形式可以有效減小熱應力；

(2)球與球之間的接觸面積很小，使得整體的表面積很大，利于釋氚；

(3)即使是密集堆放的球床(約63%)仍然有足夠的空間通過吹掃氣體。歐洲HCPB、中國HCCB、印度的LLCB、日本W(wǎng)CCB都采用這種形式的增殖劑。

陶瓷球的候選材料包括Li4SiO4，Li2TiO3和Li2ZrO3。其中Li4SiO4中Li的原子密度最大，產(chǎn)氚性能最好；Li2TiO3的產(chǎn)氚性能稍差，但釋氚性能最為優(yōu)秀，同時化學穩(wěn)定性也較好。

迄今為止這幾種候選材料在高燃耗(11%)和高溫(900℃)條件下的穩(wěn)定性仍然沒有數(shù)據(jù)，究竟何種材料的增殖劑綜合性能更為優(yōu)異有賴于未來ITER中的實驗結(jié)果。

未來需要實驗驗證的問題包括：

(1)陶瓷小球必須有一定的強度承受熱應力，發(fā)生破損的比例必須低于限值，不會阻礙吹掃氣體的流動；

(2)陶瓷小球的熱膨脹、蠕變不應影響整個球床的熱傳導系數(shù)，使得球床溫度恒定，不至于過高(920℃設計極限，低于物理極限100℃)或者過低影響氚的釋放(會導致TBM中儲存過多的氚)；

(3)高溫下不同材料陶瓷小球的化學穩(wěn)定性；

(4)不同材料陶瓷小球的釋氚能力。

固體中子倍增劑

在包層中加入Be元素可以利用其(n，2n)反應提高TBR，目前備選的中子倍增劑包括金屬Be和Be12Ti。Be12Ti比Be化學穩(wěn)定性更好，但是Ti原子吸收MeV級高能中子能力較強，采用Be12Ti作為中子倍增劑會降低整個包層的TBR。

Be12Ti在慢中子區(qū)吸收能力不是很強，因此包層前部的高能中子區(qū)采用Be，包層后部的低能區(qū)采用Be12Ti是比較好的 方案。

中子倍增劑可以做成球床也可以是成塊的整體。與陶瓷小球不同，塊狀的Be的熱導率相當優(yōu)秀(約200W/(m·K))，如果僅僅考慮熱工條件(Be最高溫度不超過600℃)，中子倍增區(qū)可以設計得很厚，以提高TBR。

但是由于Be的熱膨脹系數(shù)與結(jié)構(gòu)材料不同，受熱時會有較大熱應力，Be在輻照下的腫脹也會增加應力。把金屬Be制成Be小球可以降低接觸應力，但其熱導率會大幅下降至7W/(m·K)，限制了球床的厚度。球床-塊混合模式中子倍增層綜合了兩者優(yōu)點，是研究的熱點方向之一。

Be雖然能夠顯著增大TBR，但是引入Be會帶來一系列問題：首先Be是一種稀缺資源，引入Be會增加包層的成本；Be在包層內(nèi)壽命有限，為了保證包層性能穩(wěn)定需要定期更換。

有計算表明在合適的中子參數(shù)下Tokamak不需要Be也能實現(xiàn)氚自持，因此要進行綜合考量后才能決定是否在包層內(nèi)加入Be。

液態(tài)金屬產(chǎn)氚劑

液態(tài)包層采用液態(tài)金屬如LiPb，Li作為產(chǎn)氚劑，相比于固態(tài)包層有很多優(yōu)點：液態(tài)金屬LiPb可以同時作為氚增殖劑和中子倍增劑，簡化包層結(jié)構(gòu)設計；液態(tài)金屬中鋰所占的比例可以很高，產(chǎn)氚性能好；液態(tài)金屬本身的導熱性能優(yōu)良，有利于提高冷卻劑溫度；液態(tài)金屬沒有輻照損傷問題，壽命更長。

不同方案的液態(tài)金屬包層各有特點。歐洲HCLL采用LiPb作為產(chǎn)氚劑和中子倍增劑，氦氣作為冷卻劑，主要目標是在ITER中獲得未來歐洲D(zhuǎn)EMO堆包層的相關數(shù)據(jù)；美國DCLL則著眼于在HCLL基礎上提高冷卻劑出口溫度。

HCLL采用的結(jié)構(gòu)材料低活化不銹鋼最高溫度限值只有550℃，DCLL方案通過增加陶瓷層保護不銹鋼免受鋰鉛流體的腐蝕，提高了冷卻劑進出口溫度。

俄羅斯液態(tài)金屬包層分為Li/Be/V和Li/V兩種，兩者都使用液態(tài)金屬鋰作為產(chǎn)氚層，高溫釩合金作為結(jié)構(gòu)材料。方案的區(qū)別在于是否引入Be作為中子倍增劑。

由于采用釩合金作為結(jié)構(gòu)材料，包層不需要DCLL里面的隔熱材料，但仍然需要材料絕緣。

除了高溫下同結(jié)構(gòu)材料的相容性問題外，液態(tài)金屬包層還存在其他待解決問題：

(1)磁場作用下的磁流體效應，例如磁場產(chǎn)生的壓降以及加速腐蝕；

(2)中子輻照下鋰鉛的熱物理性能和化學性質(zhì)，例如氦泡的產(chǎn)生和鋰鉛分離；

(3)鋰鉛作為冷卻劑受功率密度限值，必然對其質(zhì)量流量有一定要求，這導致鋰鉛的總量很大，單位體積增殖劑氚濃度較低。

球床/液態(tài)金屬混合包層

LLCB是一種綜合了液態(tài)增殖區(qū)和固態(tài)增殖區(qū)各自的優(yōu)點的新概念包層。LLCB采用Li2TiO3陶瓷球床作為產(chǎn)氚區(qū)，采用鋰鉛液態(tài)金屬作為中子倍增劑和產(chǎn)氚區(qū)的冷卻劑。這樣的包層沒有鈹球床輻照下的熱應力和腫脹問題，并且產(chǎn)氚區(qū)仍然采用固體球床使得其氚提取比純液態(tài)金屬方案如HCLL和DCLL方案容易。這種設計有利于提高TBR，但是也增加了整個系統(tǒng)的復雜性，需要有固態(tài)包層和液態(tài)包層的兩套系統(tǒng)。

- 06 -

冷卻劑選擇

壓力水作為冷卻劑

由于安全性的原因，水冷液態(tài)金屬方案目前已基本被放棄?，F(xiàn)階段只有日本W(wǎng)CCB方案采用壓力水作為冷卻劑。

冷卻水的參數(shù)對水冷包層設計非常重要，不同的冷卻水壓力和溫度決定了冷卻回路設計和包層材料選擇。常見的電廠冷卻水參數(shù)有：沸水堆(7MPa，275~285℃)，壓水堆(15MPa，290~330℃)，超臨界水火電站(25MPa，280~510℃)，超臨界水核電站(23MPa，290~360℃)。

其中超臨界水火電站冷卻劑溫度變化范圍最大，因而包層冷卻劑管道熱應力最大，同時510℃的水溫接近低活化不銹鋼550℃工程最高溫度限值因此不可行。

沸水堆壓力最小，結(jié)構(gòu)負擔輕，但是TBM本身空間有限，難以處理放射性蒸氣，因此也不可行。PWR和SCWR冷卻水參數(shù)都適合用于水冷包層。經(jīng)過計算，冷卻劑壓力對于TBR的影響非常小，考慮到安全性因素，最終WCCB采用了PWR的冷卻水參數(shù)。

氦氣作為冷卻劑

相對于水，氦氣作為冷卻劑的優(yōu)勢在于其較低的溫度下可以達到更高的溫度(8MPa，300~500℃)，有利于提高熱效率。結(jié)構(gòu)材料制約了氦氣出口溫度，如果采用耐高溫的結(jié)構(gòu)材料例如SiCf/SiC，氦氣的出口溫度還可以進一步提高，達到極高的熱效率。

氦氣的中子吸收截面比水小，因而氦冷TBM一般比水冷TBR略高。但是相比于壓力水冷卻劑，氦氣成本高昂、易泄露，高溫氦氣發(fā)電技術成熟度不高。

制約冷卻劑出口溫度的因素還包括產(chǎn)氚材料的特性，球床形式的產(chǎn)氚材料熱導率低，產(chǎn)氚區(qū)外表面溫度達到550℃時，內(nèi)部最高溫度達到900℃，已經(jīng)接近設計極限；液態(tài)金屬方案的產(chǎn)氚區(qū)熱導率高，可以進一步提高出口溫度。

液態(tài)金屬冷卻劑

以液態(tài)金屬增殖劑為冷卻劑的TBM方案包括歐盟HCLL、中國DFLL方案、美國DCLL方案、俄羅斯Li/V方案、韓國HCML方案、印度LLCB方案。可以單獨使用液態(tài)金屬作為冷卻劑也可以結(jié)合其他冷卻劑。

液態(tài)金屬作為冷卻劑最大的優(yōu)勢是其低壓下就可以達到很高的出口溫度，DFLL方案LiPb的出口溫度可以達到700℃，熱效率很高。但是液態(tài)金屬高溫下對材料的腐蝕性很高，需要新型的結(jié)構(gòu)材料配合。

通過對比不同包層方案可以看出，以LiPb為產(chǎn)氚劑的液態(tài)金屬包層綜合性能最為優(yōu)良，技術挑戰(zhàn)也最大。以低活化不銹鋼為結(jié)構(gòu)材料的固態(tài)產(chǎn)氚包層技術成熟度最高，在ITER項目初期有重要地位。

新型耐高溫、耐輻照材料的發(fā)展決定了未來包層設計方案的選擇，隨著技術的進步，以SiCf/SiC，V-4Cr-4Ti為代表的新型結(jié)構(gòu)材料的應用將進一步提升高溫氦冷/自冷液態(tài)金屬包層的產(chǎn)氚性能和熱效率。

- 07 -

人生如流水，自潔方清，太多的時候，行為就是答案；歲月若明月，自鑒方明，太多的答案，主觀帶動客觀。

沒有不付出的得到，也沒有橫空出世的圓滿。

正如朱熹在《觀書有感其一》所寫的那樣，“問渠那得清如許？為有源頭活水來。”

有注入才有生機，有更新才有活力。

有了氚自持，才會有可持續(xù)的可控核聚變。