氚 这么贵的氚，可不是用来“吹气球”的

说到核聚变，你可能会想到托比·马奎的《蜘蛛侠2》。没错，电影中“大火球”像星星一样燃烧的真实原型是核聚变反应中的氘氚等离子体。

蜘蛛侠2中的核聚变等离子球

聚变燃料，即氘和氚，属于氢同位素。其中氘很容易获得，海水中平均每6420个氢原子可以找到一个氘原子。如果把地球上的氘用于核聚变发电，那么产生的能量将足够人类以目前的能源消耗速度使用一亿多年。所以我们常说可控核聚变可以一劳永逸地解决人类的能源问题。

虽然氘很容易获得，但氚是无价的。氚在自然界几乎不存在，因为它的半衰期只有十几年。另外人工制备难度极大，一公斤氚价值上亿美元。在电影《蜘蛛侠2》中，反派们也在核聚变实验上花费了大量精力来获取氚。

蜘蛛侠2电影中用于核聚变的氚

实验用一点氚是可以的，但是作为聚变燃料用于大规模发电肯定是不够的。幸运的是，氚也可以通过聚变产物中子和锂的反应产生和传播。所以氚在实际聚变过程中并没有消耗掉，而是以催化剂的形式循环利用。但氚的增殖效率有限，需要严格控制氚的回收过程，减少氚在回收回路外的滞留，以保持氚总量不变。

聚变中直接包裹氘氚等离子体的材料自然成为“窝藏氚的头号嫌疑犯”，并一直被研究人员折磨。大量实验研究发现，当钨等面向等离子体的材料在聚变堆中与氢同位素等离子体接触时，金属表面往往会生长出氢泡，使金属表面像“气球”一样隆起。这不仅会破坏金属材料的结构，降低聚变堆中的关键传热效率，还会大大增加氚的保留，影响聚变堆的连续运行。

氢同位素等离子体轰击导致钨表面产生氢气泡

这是几亿美元一公斤的氚，不能用来吹气球。因此，研究人员对上述氢气泡进行了多年的研究。但令大家困惑的是，聚变堆中氢等离子体照射的能量并不高，也没有足够的动能将金属原子撞得四分五裂，造成空穴、氢积聚等辐照缺陷。此外，现有的实验方法精度有限，难以直接观察氢聚集过程。因此，氢气泡是如何完成初始聚集和成核的，至今仍是个谜。

既然实验手段精度不够，为什么不用理论计算“曲线救国”？为了揭示氢泡成核的奥秘，中国科学院合肥研究所固体物理研究所的刘研究员通过基于量子力学的第一性原理计算，系统地研究了氢在金属中的偏析行为。

他们发现，在聚变堆高通量氢辐照的环境下，金属中会积聚高浓度的氢，使氢自发偏析形成二维层状氢团簇，从而可以不依靠辐照缺陷完成氢泡的初始成核。在计算氢偏析结合能的基础上，研究人员通过进一步宏观热力学分析，定量预测了熔融环境下金属表面发泡所需的氢等离子体能量和流量，发现预测结果与氢等离子体相关实验数据高度一致，也验证了理论的正确性。

氢在金属中自发偏析产生的层状团簇和结合能示意图，以及氢自发偏析诱导的氢泡成核过程

本研究揭示了聚变堆低能高通量氢同位素辐照诱发表面起泡的原理，为聚变堆等离子体导向材料的设计和氚增殖回收技术的研发提供了定量的理论指导。研究成果可应用于在建的国际热核聚变实验堆和未来的中国聚变工程实验堆。