图2 聚变堆基本结构剖面示意图[1]
氚增殖区是聚变堆的核心功能部件，位于真空室内第一壁与屏蔽层之间。其核心功能主要包括三个方面：首先，氚增殖区的主要功能是利用聚变中子与包层内的氚增殖材料反应来生产氚，并将提取的氚补充到反应堆内，以弥补氚的消耗，实现氚的自给自足。其次，氚增殖区通过将聚变粒子的能量转化为可利用的能量，有效冷却自身并输出高品质热量以进行发电。最后，氚增殖区还提供了超导线圈和生物体所需的辐射防护，减小了外围设备材料的活化，并包容了放射性物质，起到了辐射屏蔽的作用。
值得注意的是，为了提高包层内的高能中子的利用效率并增强氚增殖能力，有时会在氚增殖区中设置含有铍或铅的中子增殖材料。中子与铍或铅可以发生中子倍增反应，增加中子数量（通量），从而增加中子与锂原子核的反应几率。其原理在于：当一个中子与铍或铅相互作用时，会产生两个中子，这两个中子又可以继续与铍或铅相互作用，从而产生更多的中子。这种反应可以在短时间内产生大量的中子，从而增加了中子与锂原子核的反应几率。通过这种方式，我们可以更有效地利用高能中子进行氚增殖。
氚增殖相关的研究主要涵盖了两个主要方向：一是氚增殖剂材料的研究，二是氚燃料循环工艺的研究。通过深入调研，我们发现磁约束聚变和惯性约束聚变在氚增殖剂材料和循环工艺的研发思路上存在显著的差异。然而，由于前者的氚增殖研究相对较为充分，以下将主要围绕前者进行详细阐述。在最后，我们将对后者的研究情况做一些补充说明。
在氚增殖区中，氚增殖剂是核心的关键材料。根据包层中填充的氚增殖剂的形态不同，可以将氚增殖包层分为液态包层和固态包层两种类型。
液态增殖材料主要是指液态金属锂或锂的合金，例如锂铅合金（Li17Pb83）、锂锡合金（Li25Sn75）和氟锂铍熔盐（Li2BeF2）等。液态增殖材料具有以下优势：
1）由于其具有流动性，因此便于换料，使得包层结构相对简单，更便于设计和建造；
2）热导性好，并且锂含量高，因此可以在实现氚增殖的同时借助液态金属的流动实现热量交换；
3）氚回收便利，可以实现在线氚提取。
然而，液态增殖材料也存在一些缺点：
1）存在磁流体动力学效应，即导电的液态金属在聚变堆强磁场的作用下产生洛伦兹力阻碍流动，从而产生很强的流动压强，增加驱动功率造成包层效率下降；
2）化学稳定性不高，由于锂是较为活泼的元素，其液态单质或合金在高温下会对与其接触的结构材料产生较大的腐蚀性，若发生意外泄露则十分危险，因此需要采取复杂的防腐蚀技术。
基于上述原因，磁约束聚变堆液态包层的工程难度极大。而以锂的氧化物为基础的固态氚增殖剂则具有以下优点：化学稳定性高、安全性好且无磁流体效应。不过，其包层结构设计相对复杂一些。
目前，固态增殖材料受到了越来越多的关注。在世界上最大的核聚变实验装置——ITER中，各成员国都提出了自己的氚增殖包层设计方案。考虑到当前的工程难度，大部分成员国在氚增殖实验包层模块（Test Blanket Module, TBM）中选择了固态包层方案，其中氚增殖剂主要采用Li4SiO4和Li2TiO3两种。
此外，如何从氚增殖包层中快速提取并回收氚，以实现氚的“自给自足”，是聚变反应堆面临的关键问题之一。与氚增殖相关的氚循环过程还包括从载气中回收氚以及从冷却剂中回收氚。
惯性约束聚变中的氚增殖
在磁约束聚变中，对氚增殖的研究已经相当深入，而在惯性约束聚变中，针对氚增殖过程的考虑还相对较少。由于处于不同的等离子体和电磁场环境中，相比磁约束聚变，惯性约束聚变在氚增殖装置的设计上也会有所不同。
图3 美国美国劳伦斯利弗莫尔实验室激光聚变能工厂设计图，含模块化激光装置，聚变室以及热交换器等[4]
在美国劳伦斯利弗莫尔实验室的设计中，液态锂被用作氚增殖的材料。液态锂作为氚增殖剂具有几个明显的优势。首先，其具有较高的氚增殖比例（TBR），可以高达1.4。这意味着在装置运行时，可以产生多余的氚，这部分多余的氚可以提供给新装置在运行初期使用。而在运行中期，通过混合液态锡的方式可以降低TBR至接近1左右，实现氚的自给自足，同时获得更高的能量增益（通过中子数倍增和中子-伽马射线反应，可以使聚变能输出提高到原来的1.2倍）。
即使在惯性聚变反应中实现了高能量增益，但仍然只有20%到30%的氘氚完成燃烧。因此，如何回收未燃烧的氘氚显得尤为重要。目前的设计是通过反应腔中的稀有气体氙气来对氘氚进行回收，这使得第一壁不直接接触X射线和高能离子。然而，这只是一个初步的方案，未来可能会有更好的选择。
液态锂作为冷却剂的优势在于其对氚的高亲合度，使得氚在冷却过程中不会渗透到环境中。然而，这也带来了分离锂和氚的困难。目前是考虑利用熔融盐来对氚进行回收，但更高效的回收方案依然是研究的重点和未来的挑战。
相比于磁约束聚变中的氚增殖装置，惯性约束聚变中的反应装置不需要在强磁场中，这也使得液态锂的磁流体动力学效应变得不明显。然而，液态锂的强腐蚀性依然会带来安全问题。如何避免这一问题依然是未来研究的重要方向。同时，我们也需要进一步探索和发展更高效、更环保的氚增殖和回收技术，以推动惯性约束聚变能源的发展和应用。
参考文献
[1] 张数锋，掺杂正硅酸锂陶瓷氚增殖材料的制备与性能研究 [D]. 安徽：安徽大学，2022.
[2] 赵林杰，肖成建，龙兴贵，等. 聚变能源中的氚化学与氚工艺研究进展及展望 [J]. 核化学与放射化学，2019, 41(1): 40-59.
[3] Wong C P C, Malang S, Sawan M, et al. An overview of dual coolant Pb–17Li breeder first wall and blanket concept development for the US ITER-TBM design [J]. Fusion Engineering and Design, 2006, 81(1-7): 461-467.
[4] Meier W R, Dunne A M, Kramer K J, et al. Fusion technology aspects of laser inertial fusion energy (LIFE) [J]. Fusion Engineering and Design, 2014, 89(9-10): 2489-2492.
[5] Reyes S, Anklam T, Meier W, et al. Recent developments in IFE safety and tritium research and considerations for future nuclear fusion facilities [J]. Fusion Engineering and Design, 2016, 109: 175-181.
[6] Maroni V A, Wolson R D, Staahl G E. Some preliminary considerations of a molten-salt extraction process to remove tritium from liquid lithium fusion reactor blankets [J]. Nuclear Technology, 1975, 25(1): 83-91.
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