上亿美元一千克的氚，可不能用来“吹气球”

说到核聚变，大家也许会想起托比马奎版的《蜘蛛侠2》。没错，电影中那个如同恒星一般燃烧的“大火球”，其现实原型就是核聚变反应当中的氘氚等离子体。

聚变的燃料，也就是氘（dāo）与氚（chuān），都属于氢的同位素。其中氘的获取十分容易，海水中平均每6420个氢中就能找到一个氘原子。如果把地球上的氘都拿来核聚变发电，产生的能量足以让人类以目前的能源消耗速度使用亿年以上。所以我们常说可控核聚变能“一劳永逸”地解决人类的能源问题。

氘的获取虽然易如反掌，但氚可就价值连城了。由于半衰期只有十几年，氚几乎不存在于自然界当中。加上人工制备极其困难，一千克氚的价值足足有上亿美元。电影《蜘蛛侠2》当中反派为了获取氚进行核聚变实验也是费了不少功夫。

这么点氚用来做实验还行，但拿来当聚变燃料大规模发电肯定是不够的。好在还可以利用聚变的产物中子与锂反应来生成并增殖氚。因此实际聚变过程中氚并不被净消耗，而是以类似于催化剂的形式被循环使用。不过氚的增殖效率有限，因此我们需要严格控制氚的回收过程，减少氚在回收回路之外的滞留，才能维持氚的总量不降低。

而聚变中直接包裹氘氚等离子体的材料（也称面向等离子体材料），自然成了“窝藏氚的头号嫌犯”，受到了研究人员的各种“严刑逼供”。大量的实验研究发现，当以金属钨为代表的面向等离子体材料接触聚变堆中的氢同位素等离子体时，往往会导致金属的表面长出氢气泡，使得金属表面如同“气球”一般鼓胀起来。这不仅会损伤金属材料的结构，降低聚变堆中关键的热能传递效率，也会极大地提高氚的滞留量，影响聚变堆的持续运行。

这可是上亿美元一千克的氚，可不能用来“吹气球”。为此，研究人员对以上的氢泡问题进行了多年的研究。但令大家困惑的是，聚变堆中氢等离子体辐照的能量并不高，并没有足够的动能来把金属原子撞开，从而产生孔洞等辐照缺陷让氢聚集。加上现有的实验手段精度有限，难以直接对氢的聚集过程进行直接观察。所以，氢泡如何完成初始的聚集形核，至今依然是个谜团。

既然实验手段的精度不够，何不通过理论计算“曲线救国”呢？为了揭示氢泡形核的谜团，来自中科院合肥研究院固体物理研究所的刘长松研究员团队，通过基于量子力学的第一性原理计算，对氢在金属中的偏聚行为展开了系统的研究。

他们发现，在聚变堆中的高通量氢辐照环境下，金属中会积累起很高的氢浓度，使得氢能够自发偏聚形成一种二维片层状的氢团簇，从而不依赖辐照缺陷也能完成氢泡的初始形核。基于计算得到的氢偏聚结合能，研究人员通过进一步的宏观热力学分析，对聚变环境下金属表面起泡所需的氢等离子体能量以及通量给出了定量的预测，发现预测结果与相关的氢等离子体实验数据高度吻合，这也验证了该理论的的正确性。

氢在金属（钨）中自发偏聚产生的片层状团簇和自发偏聚结合能，以及氢自发偏聚诱发的氢泡形核过程示意图

这项研究揭示了聚变堆中低能、高通量氢同位素辐照引发的表面起泡现象原理，对聚变堆中面向等离子体材料的设计，以及氚增殖、回收技术的研发提供了定量的理论指导。研究的结果能够应用在建造中的国际热核聚变试验堆（ITER），以及未来的中国聚变工程实验堆聚变堆（CFETR）当中。

本文首发于 @中科院之声

作者： @小侯飞氘（中国科学院合肥物质科学研究院）