聚变时讯
2025年7月17日，英国国际核工程网站发布了有关氚燃料的综述文章，从氚燃料供需问题、全球氚燃料供应现状、未来挑战等方面系统性地分析了聚变能发展中的氚燃料供应问题，并总结了国际社会中应对氚短缺的创新型实践途径，强调了发展氚供应链的急迫性。
一、问题的提出
1.1 行业现状
自2000年以来，全球聚变项目已从单一的ITER项目发展为数十种竞争性设计方案。根据聚变产业协会《2024全球聚变产业报告》，全球至少有45家企业正致力于聚变能商业化。
ITER认为氘-氚（D-T）反应是“聚变装置最高效的反应方式”，在竞争性设计方案中，有30个项目计划采用氘-氚燃料源。
1.2 燃料需求量
与反应堆规模相比，聚变燃料相对很少。ITER反应堆是巨型工程：其托卡马克装置重量相当于三座埃菲尔铁塔，中央真空容室及附属设备加上屏蔽包层重达8000t。反应堆建筑高23m，但在发生聚变反应的超高温压缩等离子体中，存在的燃料不足1g。
这些燃料也不会被完全“燃烧”。等离子体室的有效燃烧率预计仅为1%，未消耗的燃料会作为环面等离子体排气被泵出并循环利用。
ITER方指出，1GW聚变电站每年需250kg燃料（氘氚各半），而同等规模燃煤电厂需耗煤2.7×106t。
1.3 氚的稀缺性
这两种燃料成分中，氘可通过蒸馏法相对容易地从海水（每吨含约33克氘）等原料中提取，并且通常应用于科研和工业领域。相比之下，自然界仅存在微量氚（宇宙射线与气体相互作用产生），其性质不稳定（半衰期约12.3年会衰变为氦3）。除聚变用途外，氚还用于夜光材料与生物医学研究。这种无色无味气体具有高扩散系数，可渗透橡胶等多孔材料及金属。英国原子能管理局（UKAEA）聚变技术执行主任Stephen Wheeler在2024年2月透露，当前氚价达每克3-4万美元。
这种价格或将改变。ITER数据显示全球现有氚库存约20kg，这对具有全球意义的能源产业显然不足。即便在当前发展阶段，对于拥有众多筹备项目的聚变行业而言，氚供应已然构成挑战。
1.4 长远的解决方案
长远来看，反应堆自身有望成为氚源。多数运行项目计划在托卡马克装置内壁铺设含锂包层——锂6元素（3个质子+3个中子）在吸收聚变释放的中子后，会重组为氚原子和氦原子。生成的氚可提取并注入等离子体循环利用。
ITER强调，未来聚变电站必须实现氚自持，但大规模氚生产与循环技术仍需研发验证。
稳态运行虽能实现，但电站运行初期如何解决氚源？在包层锂转化积累足够氚之前，新兴聚变产业必须依赖外部氚源，这就需要建立氚运输存储产业链。
二、氚的来源
2.1 民用核裂变堆产氚机制
英国卡勒姆科学中心的S Zheng等人在《无需外部氚源的聚变反应堆启动》（ Fusion reactor start-up without an external tritium source）中指出“民用氚市场主要来源为重水冷却和慢化核裂变堆”，并列举了民用核裂变堆产氚的5种机制：
-铀裂变
-反应堆冷却剂中硼/锂的中子俘获反应
-控制棒中硼的中子俘获反应
-水中氘的活化
-结构材料内高能中子俘获反应
因此，氚的一个来源是核裂变堆，例如加拿大使用重水作为慢化剂的CANDU堆是重要氚源。CANDU堆年产氚约130g。安大略电力集团3.5GW达灵顿（Darlington）发电厂自1989年运行的氚提取设施年处理重水达2500t。
2.2 欧洲的布局：罗马尼亚氚去除设施
2023年12月，欧洲投资银行向罗马尼亚国家核电公司（Nuclearelectrica）提供1.45亿欧元贷款，用于罗马尼亚切尔纳沃达核裂变电站（Cernavoda）氚提取设施建设。该项目兼具辐射安全与燃料保障双重意义：一方面，欧洲投资银行将该贷款定义为辐射安全措施，指出设施投运后可减少放射性废物、保障工人健康，并在去除氚后实现冷却剂和慢化剂的循环利用；另一方面，银行强调去除的氚作为稀有放射性同位素，对开发聚变电站具有重要的战略价值。Cernavoda氚去除设施计划2028年初投运，采用罗马尼亚国家低温同位素技术研究院的专利技术。
韩国月城核裂变电站已运行氚提取设施。2023年6月韩国水电和原子能公司（KHNP）与Nuclearelectrica签署了新设施工程总包合同。
2023年欧洲投资银行向罗马尼亚切尔纳沃达核电站氚提取设施提供1.45亿欧元贷款
2.3 美国的布局
2.3.1 国防战略物资定位
美国将氚元素应用于国防工业领域。根据美国能源部下属国家核安全管理局（NNSA）2024年10月发布的《企业蓝图》（Enterprise Blueprint）25年战略规划，氚及其他关键材料的供应体系需与核武库维护、全球安全任务及海军核推进计划等领域的特种基础设施需求相匹配。该规划明确指出：“建立弹性供应链、提升加工效率并消除单点故障隐患，对保障氚战略使命至关重要”。该报告指出，为确保国防库存稳定供应，美国需要建立弹性和高效的氚处理系统及气体传输系统（GTS）装载能力。
2.3.2 基础设施布局
萨凡纳河基地不仅具备氚提取、同位素分离和储存功能，还拥有GTS装载与精加工能力。新建设施将强化GTS监测、封装及运输等关键环节。
美国在田纳西河流域管理局（TVA）瓦茨巴（Watts Bar）核裂变堆采用含硼产氚可燃吸收体控制棒（TPBARs），通过中子俘获反应实现氚量产。哥伦比亚燃料制造公司（Columbia Fuel Fabrication）承担TPBAR组装任务，爱达荷国家实验室负责产品测试。
根据2000年《经济法案》签订的跨部门协议，TVA将在2035年11月前持续利用轻水堆为NNSA提供氚辐照生产服务。自2003年以来，TVA一直在沃茨巴1号机组（Watts Bar 1）生产氚，但产量可能会增加。
TVA使用TPBAR控制棒的瓦茨巴核裂变堆
2.3.3 军民两用提升产能
在为美国科学家联合会（USA Federation of American Scientists）撰写的2024年文章《以美国氚产能引领聚变能》（Promoting fusion energy leadership with U.S.tritium production capacity）中，作者Taylor Loy指出，美国拥有“经证实且可扩张的氚生产供应链”，但“目前主要服务于核武器”。他呼吁利用这一产能确保美国在聚变能领域的领导地位。他提到，NNSA在2025年的目标之一是“展示增强的氚生产能力”，尽管该目标目前服务于“核威慑”需求；他建议启动一项新计划，将这一产能延伸至面向聚变能的长期工作，并为退役核弹头中氚的再利用提供框架。
Loy希望把现有2.8kg的氚年产目标翻倍，途径是让反应堆在其最大许可功率下运行。他表示：“NNSA与能源部可以动用超出防务需求的剩余产能，推动同类别首个（FOAK）装置的部署，并支持美国在聚变能领域的领先地位。”
在 2016 年发布环境影响报告后，TVA的氚生产进展如下：
- 2016年7月，（107号许可证修正案）Watts Bar 1号机组TPBARs辐照量增加；
- 2019年5月，（27号许可证修正案）Watts Bar 2号机TPBARs辐照量增加；
- 2024年4月，双机组获准将氚生产能力提高到每台机组2496根TPBAR；
- TVA已放弃先前评估的在其Sequoyah厂址产氚的方案，转而与NNSA共同推进另一备选方案：在两台机组每18个月辐照多达5000根TPBAR。按此计划，NNSA与TVA预计可在未来数个燃料循环（18 个月周期减去 6 个月）内，从这两座反应堆共产生最多4kg的氚。
三、英国的氚计划：H3AT
罗马尼亚的切尔纳沃达氚去除设施号称欧洲首个，但英国也不甘其后。2024年5月，UKAEA委托AtkinsRéalis公司完成氢3先进技术（H3AT）设施中同位素分离系统（Isotope Separation System）的详细设计。这个在建的聚变氚燃料循环研究设施包含原型工艺厂与实验平台（按 ITER 设计等比例缩小）。
AtkinsRéalis 已完成H3AT设施的概念和详细工艺设计——该设施正在牛津郡卡勒姆的UKAEA园区施工；同时也完成了同位素分离系统的概念和初步设计。接下来，公司将交付系统的详细工艺和机械设计，包括用于收集、处理和回收氚的低温及常温设备。
UKAEA执行主任Stephen Wheeler表示：“该系统将成为全球首个面向聚变的工业级氚设施，助力学术界研究氚处理、存储与循环技术。”
英国卡勒姆在建的H3AT设施配备同位素分离系统，用于收集、处理和回收氚
四、聚变堆内部管理：ITER的案例
面对微量燃料消耗，需要精细管理以最大化氚利用率。ITER 在这方面再次处于领先地位，设计了多阶段提取分离流程，以从等离子体中回收未燃烧的氚：通过偏滤器泵将未燃烧燃料与氦灰/杂质气体输送至氚工厂，经同位素分离、存储提纯后重新注入。尽管等离子体燃烧效率预计仅为1%，但已足以导致氦灰堆积并造成核心等离子体稀释。氚工厂包含多个子系统：
①托卡马克废气处理，分离氢同位素中的杂质；
②氘氚分离，处理废气中的同位素；
③存储与输送；
④氚回收，从水蒸气等杂质气体中提取氚；
⑤燃料再注入。
除了未来即将出现的氚增殖聚变堆外，目前全球已有多个氚来源在运行，同时各方也在尽可能精心地节约这一宝贵资源。然而，全球氚库存仅有20kg，在增殖堆尚未运行之前，能否获得足够氚以支撑这一高速扩张的产业，仍然是一个亟待解决的问题。对于聚变行业而言，要实现商业发电的愿景，还需多年研究；而这个问题同样需要一个明确的答案。
ITER未消耗的氚经氚工厂循环再利用
编译自：
https://www.neimagazine.com/analysis/answering-the-big-tritium-question/?cf-view
https://www.neimagazine.com/news/nuclearelectrica-and-khnp-to-construct-tritium-removal-facility-at-cernavoda-npp-10974947/
https://fas.org/publication/fusion-energy-leadership-tritium-capacity/
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