聚变燃料：氘和氚两兄弟.pdf

大学科普核科学知识Nuclear Science Knowledge502023 年第 2 期在大量科幻小说和电影里，当种种天马行空的科幻设定需要一种听起来不那么离谱，但又要足够强大的能量来源时，作者们往往会将其设定为聚变能。无论是钢铁侠中的装甲核心，还是流浪地球中的行星发动机，我们总能见到聚变技术的影子，虽然科幻作品往往不会深究技术细节，但这也从侧面体现出了一个共识聚变能是解决人类未来能源问题的终极途径。说到能量的来源，我们首先想到日常所用的电能主要来源于火力发电，它主要通过燃烧化石燃料（煤炭和天然气）获得热能再将其转化为电能。近年大力推广的可再生能源主要是风能和太阳能，它们看起来似乎无需燃料。而目前已经成熟的核电技术以铀235作为燃料，通过发生裂变反应产生大量能量。那么作为能源问题终极答案的核聚变，它的燃料又是什么呢？一切都要从氢和他的两个兄弟说起。一、氢元素族谱：氕氘氚尽管聚变能的利用如此困难，以至于短期内难以实现，但核聚变的燃料却是世界上最简单元素：氢元素，它位于元素周期表的第一位，是构造最简单的原子，也是宇宙中最多的元素。氢元素在自然界中有三种稳定的同位素存在，分别为氕、氘、氚。其中氕（11H）是氢元素在大自然中最普遍的稳定同位素，丰度为 99.98%，由一个质子和一个电子构成，不含中子，也就是我们日常生活中随处可见的水中的氢元素。氢在自然界中稳定的同位素之一为氘（21H），又称重氢，因为它相比与氕原子多出了一个中子，氘的丰度为0.015%，在自然界中的含量约为一般氢的 1/7000。虽然氘在普氢中的含量极低，但是氢元素最普遍存在于水中，而地球上有着丰富的海水资源，故而可以认为氘元素其实也有着富足的储藏。氢元素的另一个在自然界中存在的同位素氚（31H），也是氢元素家族唯一一个天然存在的放射性同位素。氚元素又称超重氢，因为它的原子核具有一个质子和两个中子。氚在自然界中的存在极其微少，当宇宙射线中的高能量中子撞击氘核，会在大气中产生微量的氚。然而氚的半衰期只有 12.43 年，这意味这地球大气中的氚在同时消失和产生。据估计，地球大气中只能同时存在 3.7kg 的天然氚，这远远无法满足可控聚变的需要，故聚变所用的氚都是通过人工制造的。聚变燃料：氘和氚两兄弟Fusion Fuel:two Brothers-Deuterium and Tritium中国 重庆 重庆大学能源与动力工程学院 方 正 步珊珊辐射固定化（radiation immobilization）：利用电离辐射技术将酶、蛋白质、抗体、抗原细胞组织、抗凝血剂、抗细菌剂和药物分子等生物活性物质固定于有机或无机物质(载体)上的过程。【科学名词 核科学技术名词】图 1 氕、氘、氚原子模型备注：国家自然科学基金资助项目（NO.52276052）大学科普核科学知识Nuclear Science Knowledge512023 年第 2 期辐射降解（radiation degradation）：又称“辐射裂解(radiation cleavage)”。聚合物分子在高能辐射作用下主链发生断裂，分子量降低，结果使聚合物在溶剂中的溶解度增加，而相应的热稳定性、机械性能降低。【科学名词 核科学技术名词】二、氘-氚聚变反应氘-氚反应是目前相对而言最易实施的聚变反应，同时也是氢弹中的聚变反应，可以简单描述为氘（D）和氚（T）发生聚变反应，产生一个极不稳定的五个核子的过渡态，然后迅速分裂为氦核（4He）和一个中子，同时放出17.6MeV 的能量。中子会携带约 80%聚变能飞出，通过捕获它的能量并将其转化为热，以代替现在电厂从化石燃料中得到的热，并将其转化为电能。然而这样的反应在地球上却不能轻易发生，聚变反应的发生需要克服原子核之间的排斥力（库伦势垒），一旦突破这一势垒，核力将从排斥力转为吸引力，从而使得核子发生聚合。在地球上，我们无法通过太阳核心那样巨大的引力将核子紧紧的合在一起，但是办法总比困难多，我们可以将物质加热至上亿度，以达到物质的第四态等离子体，此时电子将摆脱原子核的束缚。此外要让聚变发生还需要满足劳逊条件，即等离子体的密度和约束时间的乘积必须大于某一个值，热核反应才会发生，对于氘氚反应，要求等离子体密度为 1014-1016 个/cm-3，最短约束时间0.01-1 s，劳逊条件为 10141。三、氘的提取-来自更重的水氘在海水中的质量浓度为 0.03 g/L，因此，在地球上仅在海水中就存在 45 万亿吨的氘。1L 海水中的氘经过聚变反应可以提供相当于300 L汽油燃烧后所释放出的能量。所以才会有海水中的氘取之不尽、用之不竭的说法。氘在自然界中主要以重水的形式存在，在核反应堆中，有轻水堆和重水堆这一分别，它们分别采用普通水和重水作为慢化剂，减缓中子的速度，从而控制核裂变过程。重水堆对核燃料的要求更低，无需使用浓缩铀，还能将铀238转化为可制作核弹的钚，为防止核武器扩散，重水的大规模生产和销售在很多国家都受到了限制。那如何从海水中提取出我们所需要的氘呢？如果我们可以从海水中分离出重水，那么氘也就唾手可得了，硫化氢-水双温交换法是最经济的制取重水的工业方法之一3。我们可以很容易的从电解水制氢联想到电解重水来制备氘。重水电解制氘和电解水制氢原理完全相同，在阴极上产生氘气，在阳极上产生氧气。采用普通电解水装置，以氘氧化物为电解质（如 KOD、NaOD），或者采用 SPE（SolidPolymerElectrolyte）膜电解槽电解重水，可以在阴极上获得丰度为 99%的氘气，再经过分离、净化获得高纯氘气产品4。四、氚的制备-精打细算相对与氘的丰富资源，氚在自然界只有微量存在，只能通过人工制造的方法获得。目前用于聚变自给自足的产氚方法是通过聚变产生的中子撞击锂核（6Li），得到氦核和氚核，同时放出热量。据估算，一个 1000 MW 聚变发电站每年将消耗 50-150 kg 氚和约 300 kg 锂，而在地球陆地图 2 氘-氚聚变反应备注：国家自然科学基金资助项目（NO.52276052）大学科普核科学知识Nuclear Science Knowledge522023 年第 2 期辐射改性（radiation modification）：利用电离辐射与物质相互作用改变物质性质，达到提高某种性能的过程的统称。在聚合物体系中，一般通过辐射交联、辐射裂解和辐射接枝来实现性能的改变。【科学名词 核科学技术名词】和海洋中均含有大量的锂元素，完全可以支持人类几千万年的使用，这也是聚变被称为无限能源的另一个原因。在国际热核聚变实验堆计划（ITER）中，氚的增殖主要是通过再生区模块（TBM）的产氚包层来完成，产氚包层目前的技术路线可以分为固态包层和液态包层。以氦冷固态包层为例，其中采用含锂的球形陶瓷增殖剂颗粒材料（如硅酸锂 Li4SiO4和钛酸锂 Li2TiO3）以球床形式填充，这些陶瓷颗粒中的锂与等离子体聚变产生的中子发生反应生成氚和氦，然后通过低压吹扫气体提取生成的氚，供给氚循环系统使用。然而，由于在等离子体中每一次氘-氚聚变只产生一个中子，所以在产氚包层中，一个中子必须要产生一个以上的氚，不然无法实现氚的增殖。目前在产氚包层中，一个中子能产生的氚的数目极限为 1.151，这意味着氚增殖至多只存在 15%的余量，而氚循环的过程中一定会存在损失。另外，氚的半衰期只有 12.42 年，也就是说每年就会有 5.5%的氚衰变无法使用。多余的氚必须建立氚的库存或者作为其他聚变反应堆的燃料，一旦 ITER 计划进入试运行阶段，就将使用世界上大部分可用的氚。所以，只有聚变产业生产足够的氚后才能建立起自己的工业体系，发展高效的氚增殖技术，提高产氚效率迫在眉睫。五、结 语在探索元素的奥秘和广泛应用中，氘和氚元素无疑是独具魅力的存在。氘以其稳定的性质和广泛的应用领域，展现出了与常规氢不同的特性，成为核工业不可或缺的一部分。而氚作为氢的自然同位素中最重的一种，虽然存在时间短暂，却为核能研究和未来能源领域带来了无限的可能性。随着 ITER 设施建设的正式启动，可控核聚变正在一步一步迈向现实，氘和氚元素的故事远未结束，它们将继续为人类带来新的发现和突破。特别致谢感谢国家自然科学基金项目（NO.52276052）的资助。参考文献1 (美)陈凤翔 著;何木芝 译.一个不可或缺的真相聚变能源如何拯救地球 M.北京：科学出版社,20202 武佳铭.可控核聚变的研究现状及发展趋势 J.电子世界,2017,0(21):9-133 金忆农,张儒杰.水-硫化氢双温交换法制取重水 J.低温与特气,1998(03):30-35.4 魏忠诚.光纤材料制备技术M.北京：北京邮电大学出版社,2016备注：国家自然科学基金资助项目（NO.52276052）图 4 产氚固态包层示意图图 3 硫化氢-水双温交换法流程图责任编辑：王 锋