托卡马克装置核燃料放在哪里？ 第1页

首先氚是一种极其珍贵的同位素。不会进行长期保存。

自然界本身存在的氚一般是地表和大气中所存在的本底氚，主要来源：

（1）大气中的氮、氧吸收高能宇宙射线中的中子和质子而生成；

（2）地表中锂元素发生（n，α）反应生成的氚。

丰度极低，绝对数量及其稀少。

整个地球天然氚的总量约 .

说Bq可能大家没什么概念。

折算约为3.6kg。

并且主要都是以氧化物形式存在水环境中。

因此，天然氚无法加以提取利用，核反应所需要的氚全部为人工方法得到。

那么大家认为是不是人工可以得到，就很常见就产量很大？

商业用氚主要从CANDU堆中的重水提取出来，全世界范围内现有的38座CANDU型重水堆，每年总产量只有数千克，并且价格昂贵（30000-36000美元/g）。

氚的半衰期约为12.3年，如果进行长期储存的话，意味着每年约有5.47%的氚发生β衰变生成He-3。

以上背景意味着氚的大量，长期贮存不可能实现。

一个1GW聚变功率每年将消耗大约55.6kg的氚。

ITER在整个堆内的氚滞留量约为3kg左右，意味着每年会衰变掉160g左右的氚，是一笔非常大不可忽视的损失。

我国目前只有秦山三期两座CANDU 6型机组，累计产氚能力约为260g/年。

看一下ITER的燃料循环。

通过包层内的锂材料球床，氘氚反应产生的聚变中子经过慢化，倍增最终被锂材料吸收生成氚，从而实现氚的增殖。经过包层而增殖的氚经过辅助系统提取，净化和分离等一系列步骤，再次送入堆芯。同时堆芯中氘氚反应的燃烧并不够充分，未燃烧的部分会通过偏滤器排出后经过一系列处理同样送回到堆芯进行燃烧。

聚变堆真空室内随着核反应的进行，氘和氚逐渐消耗，He-4和氢气等杂质气体会不断产生并积累，这些会导致等离子体降温，所以必须不断的从真空室内取出“燃烧”过得气体，这个过程叫做“排灰”过程，同时需要通过加料系统向堆芯补充1:1高纯度氘氚气体。

而对于注入反应堆的氘氚燃料。氚的燃烧率非常低，ITER只有0.3%，所以排除的气体中仍然含有大量的氘氚燃料，所以必须回收氘氚加以循环利用。

聚变堆加料主要有两种方式：弹丸注入和气体注入。

弹丸注入为主要的加料方式，具有比较高的加料效率（95%），而气体注入的加料效率只有1%左右。

弹丸注入

弹丸注入是将燃料气体通过低温技术冷凝成固态弹丸后，高速注入到等离子体中实现加料，获得更高的加料效率。弹丸的制造是应用气-固相变的原理：当某气体被降温至其三相点温度以下，其压力又高于该温度下的固相蒸汽压，则气体被低温凝华成固体。利用液氦致冷器将核聚变燃料气体低温快速凝华成固体，通过气动推进加速抑或转盘离心加速，使弹丸以极其快的速度（最高可到几千米/秒）注入到等离子体中，实现等离子体芯部加料。

总之，氘氚是直接通过弹丸注入系统给送进堆芯并发生反应。

其实简单点理解也就是题主所说的环形线圈里。

希望可以提供一些帮助。

聚变堆跟裂变堆不太一样，裂变堆堆芯里能放的燃料按吨算，更换一次燃料能够用一两年。但磁约束聚变装置真空室中的燃料其实很少，往往以克为单位。随着聚变反应的进行，肯定需要实时的补充燃料。

最简单的补充方法，就是直接以气体形态注入燃料。不过这种方式效率不高，还容易降低等离子体储能。目前研究的较多的一种燃料补充方法是弹丸注入法^[1]：先将燃料在液氦温度下凝华成固体，然后再用高压气体或转盘离心加速到km/s级别，再注入等离子体中。

聚变净消耗的燃料是氘，氘放在哪里其实无所谓，毕竟它安全又不贵。但另一个关键反应物氚就得谨慎处理了，这货天然储量几乎为0，人工生产的难度也很大。氚在聚变堆中需要靠中子和锂反应生成，而中子正好又是氘氚聚变的产物，所以氚其实是循环利用的。不过氚自持是下一阶段的任务，目前很多堆（如EAST）运行用的都是氘等离子体，研究的重心是如何维持等离子体的温度。而完成氚的提取、纯化、分离、贮存等过程需要一个完整的氚工厂，这部分的研究目前还比较少，预计会是接下来CFETR的核心。

参考

1. ^合肥研究院在弹丸注入加料研究方面取得新进展 http://www.cas.cn/syky/201909/t20190927_4718345.shtml