這麼貴的氚，可不是用來“吹氣球”的

說到核聚變，大家也許會想起託比馬奎版的《蜘蛛俠2》。沒錯，電影中那個如同恆星一般燃燒的“大火球”，其現實原型就是核聚變反應當中的氘氚等離子體。

《蜘蛛俠2》當中的核聚變等離子體球

聚變的燃料，也就是氘（dāo）與氚（chuān），都屬於氫的同位素。其中氘的獲取十分容易，海水中平均每6420個氫中就能找到一個氘原子。如果把地球上的氘都拿來核聚變發電，產生的能量足以讓人類以目前的能源消耗速度使用億年以上。所以我們常說可控核聚變能“一勞永逸”地解決人類的能源問題。

氘的獲取雖然易如反掌，但氚可就價值連城了。由於半衰期只有十幾年，氚幾乎不存在於自然界當中。加上人工製備極其困難，一千克氚的價值足足有上億美元。電影《蜘蛛俠2》當中反派為了獲取氚進行核聚變實驗也是費了不少功夫。

《蜘蛛俠2》電影中用來進行核聚變的氚

這麼點氚用來做實驗還行，但拿來當聚變燃料大規模發電肯定是不夠的。好在還可以利用聚變的產物中子與鋰反應來生成並增殖氚。因此實際聚變過程中氚並不被淨消耗，而是以類似於催化劑的形式被循環使用。不過氚的增殖效率有限，因此我們需要嚴格控制氚的回收過程，減少氚在回收迴路之外的滯留，才能維持氚的總量不降低。

而聚變中直接包裹氘氚等離子體的材料（也稱面向等離子體材料），自然成了“窩藏氚的頭號嫌犯”，受到了研究人員的各種“嚴刑逼供”。大量的實驗研究發現，當以金屬鎢為代表的面向等離子體材料接觸聚變堆中的氫同位素等離子體時，往往會導致金屬的表面長出氫氣泡，使得金屬表面如同“氣球”一般鼓脹起來。這不僅會損傷金屬材料的結構，降低聚變堆中關鍵的熱能傳遞效率，也會極大地提高氚的滯留量，影響聚變堆的持續運行。

氫同位素等離子體轟擊導致鎢表面長出氫泡

這可是上億美元一千克的氚，可不能用來“吹氣球”。為此，研究人員對以上的氫泡問題進行了多年的研究。但令大家困惑的是，聚變堆中氫等離子體輻照的能量並不高，並沒有足夠的動能來把金屬原子撞開，從而產生孔洞等輻照缺陷讓氫聚集。加上現有的實驗手段精度有限，難以直接對氫的聚集過程進行直接觀察。所以，氫泡如何完成初始的聚集形核，至今依然是個謎團。

既然實驗手段的精度不夠，何不通過理論計算“曲線救國”呢？為了揭示氫泡形核的謎團，來自中科院合肥研究院固體物理研究所的劉長鬆研究員團隊，通過基於量子力學的第一性原理計算，對氫在金屬中的偏聚行為展開了系統的研究。

他們發現，在聚變堆中的高通量氫輻照環境下，金屬中會積累起很高的氫濃度，使得氫能夠自發偏聚形成一種二維片層狀的氫團簇，從而不依賴輻照缺陷也能完成氫泡的初始形核。基於計算得到的氫偏聚結合能，研究人員通過進一步的宏觀熱力學分析，對聚變環境下金屬表面起泡所需的氫等離子體能量以及通量給出了定量的預測，發現預測結果與相關的氫等離子體實驗數據高度吻合，這也驗證了該理論的的正確性。

氫在金屬（鎢）中自發偏聚產生的片層狀團簇和自發偏聚結合能，以及氫自發偏聚誘發的氫泡形核過程示意圖

這項研究揭示了聚變堆中低能、高通量氫同位素輻照引發的表面起泡現象原理，對聚變堆中面向等離子體材料的設計，以及氚增殖、回收技術的研發提供了定量的理論指導。研究的結果能夠應用在建造中的國際熱核聚變試驗堆（ITER），以及未來的中國聚變工程實驗堆聚變堆（CFETR）當中。