Hydrogen retention（氢滞留）是什么意思，能具体解释下么？ 第1页

本来只是想简单说两句的，但这问题实在是撞我博士课题的枪口上了，所以还是忍不住写了一大堆，干脆做个系统的介绍吧。

Hydrogen retention的中文名叫氢滞留，是可控核聚变研究的核心问题之一。

氢滞留是指聚变堆中的氢同位素（主要是氚）在跟材料接触后，滞留在材料内部，导致难以回收的一种现象。

由于氚在聚变堆中需要不断回收并循环利用，滞留在材料内部会带来额外的氚损耗，从而打破氚回收循环，导致聚变堆无法持续运行。

氢主要有三种同位素，氕、氘、氚：

而在聚变堆里，大家关注的，主要是氚的滞留。这是因为在目前阶段，可控核聚变的研究，主要还是集中在氘-氚聚变上：

毕竟相比于其他聚变反应（例如氘-氘聚变），氘-氚聚变的实现的难度最低——咱这御氘术等级不高，只能挑个软柿子捏了。

其中氘可以容易的从海水中提取，来源广泛价格低廉。但不幸的是，氚是短半衰期核素，基本上没有天然氚。所以聚变堆的一个问题就是：氚从哪儿来？

简单来说就是四个字，开源节流。

开源不难理解，就是想办法生产氚呗。

记得上面的氘氚聚变公式么？每一个氘氚反应，都会生成一颗中子（n），这颗中子可以跟锂(Li)反应，用来产生氚：

所以每消耗一个氚，就产生一颗中子。然后这颗中子又跟锂结合，从而把氚给吐回来。看到这里，你是不是就以为氚太少的问题被完美解决了？

当然不是！上面的公式虽然很完美，但在现实世界中，你肯定没法做到把每个中子都用来产氚。因此通过上述方式，氚产出/消耗的比例（简称氚增殖率）妥妥的小于1。所以氚依然处于越用越少的状态。

想要产生更多的氚，就需要更多的中子。所以，我们可以先让中子跟铍(Be)之类的元素反应，消耗一个中子生成两个中子，从而把中子数量倍增^[1]：

聚变产生一颗中子，先拿去倍增，再跟锂反应产氚，这样就能把氚增值率提上去了。但注意上面的中子倍增反应是需要吸收能量的，中子不能无限的倍增，所以氚增殖的比例依然很有限。

中国工程聚变实验堆(CFETR)的氚增殖率设计值大约是1.2^[2]，平均而言，消耗一个氚，仅仅能够生成1.2个新的氚。

这个比例并不算高。

既然开源的效果有限，那么我们就要节流，尽可能降低氚的损耗，

欧洲联合环状反应堆(JET)在上世纪进行了不少氚回收实验，研究人员在往JET中注入氚燃料后，发现滞留在反应堆内部的氚最高可达30%左右^[3]。

这一数字显然极不利于维持氚循环，因此需要尽可能的降低聚变堆里的氚滞留。

在聚变堆中，我们会用强磁场约来约束控制上亿度的氘氚等离子体。但这个约束并非完美，边界处的等离子体依然会跟材料发生接触，使得氘和氚不断的进入材料内部。

为了降低氚滞留，很多聚变堆的第一壁材料（跟等离子体接触的材料）用的都是金属钨(W)或钨合金。因为在所有的金属中，钨跟氢的化学亲和力是最低的。正常情况下，钨中氢同位素的溶解度极低，氚在钨中的滞留自然也很少。

按照经验，出题人在写下“正常情况下”这几个字时，那么重点往往就在不正常的情况了。没错，你看上面的图中，钨基第一壁除了跟要氘氚等离子接触外，还要承受高能聚变中子的辐照——这显然不是正常的材料服役工况啊。

一颗聚变中子携带着14.1 Mev的能量，是材料中化学键键能的几百万倍。中子就跟炮弹一样打在材料上，这还不得把材料打的千疮百孔^[4]？

正常情况下钨对氢的亲和力很低，但架不住这些孔洞对氢的亲和力高呀。氢在进入到钨中后，有很大概率会遇到这些孔洞，钻进去就很难跑出来了，使的滞留量大增^[5]。

你以为这就完了？很多研究人员发现，就算没有中子轰击产生孔洞，只要材料接触足够高通量的氢等离子体，氢自个儿就能挤出孔洞和气泡来。极端情况下，这些气泡内的高压甚至能把材料表面挤破：

以上这些因素都很有会增加聚变堆内的氚滞留，对聚变堆的正常运行产生很大影响，因此近年来学界也对氚滞留的相关问题比较关注。

参考

1. ^Maki, Koichi. "Energy multiplication in high tritium breeding ratio blanket with front breeder zone for fusion reactors." Journal of Nuclear Science and Technology 25.1 (1988): 72-80. https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/18811248.1988.9733557
2. ^Liu S, Pu Y, Cheng X, et al. Conceptual design of a water cooled breeder blanket for CFETR[J]. Fusion Engineering and Design, 2014, 89(7-8): 1380-1385. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0920379614000660?casa_token=_YpwIvK7aI0AAAAA:qbK0fgTcbfsYA8BNdZ8l3byBlx0NYJp16eeyeKrNARJYhzDXY5rzbSjrMKgEdOBCr9mn7azgKQ
3. ^Andrew, Ph, et al. "Tritium retention and clean-up in JET." Fusion Engineering and Design 47.2-3 (1999): 233-245. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0920379699000848?casa_token=gOZXRkkQYKYAAAAA:L2iGU58AgBwt3QMiVbTQuPBmdYmNFDO4D3YIITfkjAUhTHz1xbYdJBM07iXbD55vBsxSxEENGw
4. ^Gelles, D. S. "Void swelling in binary FeCr alloys at 200 dpa." Journal of nuclear materials 225 (1995): 163-174. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0022311595000534
5. ^Hou, Jie, et al. "Predictive model of hydrogen trapping and bubbling in nanovoids in bcc metals." Nature materials 18.8 (2019): 833-839. https://www.nature.com/articles/s41563-019-0422-4