问题概述：

现阶段，可控核聚变能均以氘和氚为核燃料。其中，氘可以从海水或地下水中提取，而氚只能通过锂-6等核素吸收中子的人工核反应途径生产。因此，几乎所有的先进聚变能应用的工程堆均设计了燃料氚在反应堆内部直接、在线生产的模式：即在氘氚等离子体聚变腔室中第一壁包层外布置了含锂-6核素的氚增殖包层，利用锂-6吸收氘和氚原子聚变反应产生的载能中子，重新生产出氚燃料并实现聚变能向热能的转化。氘氚聚变中子被产氚材料吸收前经过铍、钒、铅等核素的（n，2n′）核反应实现数量上的倍增，理论上重新生产的氚量可大于聚变反应所消耗的氚量，这种特殊的堆内产氚方式称之为氚的“增殖（breeding）”，产氚材料为氚增殖剂。聚变堆设计了定期从增殖包层中提取所增殖氚的氚提取回路以确保聚变所消耗的氚燃料能及时得到补充；同时，限于目前约束聚变等离子体的技术水平，单个周期内馈入聚变腔室中的氘氚燃料的平均燃耗率尚不足5%，需及时回收并分离从聚变腔室排出气体（即“等离子排灰气”）中的绝大部分氘和氚以作为再次馈入的新燃料。此外，由于氚易逃逸且带放射性，所有操作氚的场所必须配备氚的安全封闭、工作现场及环境流出气氛和水的除氚净化设施。

上述增殖包层中氚的提取、聚变腔室等离子体排灰气中氚的回收与分离、氚的安全封闭和流出物除氚等三大系统分别称为聚变堆氘氚燃料的“外循环回路”、“内循环回路”以及“氚包容与安全防护系统”，是确保可发电输出、具有工程意义的聚变堆持续运行所必不可少的关键系统，统称为磁约束聚变堆的“氚工厂”。其典型特征是：氚操作以化工厂的模式持续运行；氚处理的规模空前大（每小时氚的吞吐量达到数百g甚至kg量级）；氚回收效率极高（大部分工艺要求>99%）；氚的环境排放量控制限值要求极高（年排放氚量<1g）。

自二十世纪八十年代以来，美、日、俄、欧等聚变科技领先国家均成立了专门的研究机构，对磁约束聚变堆的氚工厂技术等进行了前期研究。总体说来，国外早期发展起来的聚变堆相关氚技术虽然为国际热核实验堆（ITER）等聚变能研究装置的燃料循环与氚工厂系统的概念设计奠定了基础，但面向其D-T等离子体实验阶段的氚处理需求仍将遇到前所未有的挑战，主要有：

1）从未真正用氚实践过处理规模高达每小时公斤级氚吞吐量的操作，大型氢同位素分离、大量低浓度氚水中氚回收、贮氚床的快速供氚等工程技术问题尚未彻底解决；

2）大量氚投入、长时间运行必须考虑氚不同于氢或氘而具有辐照化学效应，可预计这种辐照效应将严重影响大多数基于氢化工原理设计的氚工艺的处理能力；

3）众多的“处于两个对立面”的问题尚待解决，如：20K（弹丸加料、低温精馏）与108K（燃烧等离子体）下氚与材料相互作用的显著差别、每天数十公斤累计氚操作量与实现mg级的环境排放氚量（~1/107！）控制限值的难度、kg级氚操作模式下实现mg量级氚的精确计量及物料衡算要求的难度，等；

4）氚包容包层材料处于长时间、高温饱和充氚状态，必须考虑氚的及时回收工艺以确保该部分氚燃料的及时投入，且必须考虑材料中氚驻留产生的氢脆、氦脆的损伤问题而需发展氚相容良好的材料和部件。

上述这些问题总体上可归结为聚变堆氚燃料循环的“自持”性问题，即如何从工艺方法、材料和设备上保证氘氚等离子体聚变持续运行所需氚燃料的及时获取并保证大量氚操作的可靠性、安全性。然而，由于缺乏足够的氚源，ITER氚工厂系统的适应性仍需在2030年以后ITER大规模运行氘氚等离子体阶段才能得到最终的验证和优化。另一方面，由于ITER装置尚缺乏完整的氚增殖包层，其实验包层模块（TBM）的主要目的是考核氚增殖剂、中子倍增剂以及结构材料在磁约束聚变中子环境下的产氚及堆工性能，而关于全增殖包层（相当于数百个TBM模块的集成）模式下氚的高效、安全、经济性的提取和产氚率测量等氚燃料外循环技术则无法在ITER装置上全面得到工程验证。

重要意义：

由于我国的聚变装置例如HT系列、HL系列尚处于氢等离子体实验阶段，因此，过去在聚变装置氘氚燃料循环技术方面的研究较少，与国外的差距较为显著。近几年来，随着加入ITER国际合作计划并在其中承担聚变真空室送气系统（GIS）等采购包制作、尤其是通过数个国内配套研究专项的支持而开展了ITER产氚实验包层模块（TBM）研制、磁约束聚变堆氚工厂概念设计等技术研发工作等任务的推进，我国氚工厂技术取得了长足的进步。主要表现在：

1）、完成了我国参试ITER产氚TBM克量级处理规模下氚提取系统的概念设计，基本掌握了分子筛或活性金属回收氦气中微量（ppm级）氚、微色谱及低记忆效应电离室分别测量氢同位素比例及放射性氚等与国外水平大致相当的技术；

2）实时启动了针对中国聚变工程实验堆（CFETR）氚工厂的概念设计和部分关键技术的原理性实验研究工作，设计了CFETR氚工厂的关键流程参数并基本掌握了等离子体排灰气中氚回收、氢同位素分离、水去氚化、氚包容等子系统的原理性工艺；

3）掌握了固态氚增殖剂、阻氚涂层等涉氚材料的小批量制备技术，其中，阻氚涂层技术已达到国际先进水平；

4）中国工程物理研究院及中国原子能科学技术研究院等技术优势单位均各自建立了“中国工程物理研究院‘四川省氢同位素工程技术研究中心’”、“中国工程物理研究院材料研究所‘氘氚燃料循环工程技术研究中心’”、“中国工程物理研究院核物理与化学研究所‘聚变能技术研发中心’”、“中国原子能科学技术研究院‘氚与材料相互作用研究中心’”等对外公开的氚技术研究平台，分别开发了TBM氚提取、氚燃料纯化与分离、氚贮存、氚测量等原理性工艺实验系统及关键设备的原型样机，培养了一批年轻科技骨干。

这些技术奠定了我国聚变堆大型氚循环工艺技术总体上处于与国际中间水平的地位。“十三五”、“十四五”期间，有必要针对设计、建造具有发电功能的我国聚变工程实验堆（CFETR）的实际需求，继续完善国内磁约束聚变堆氚燃料循环及安全防护的工艺技术以及关键涉氚材料及设备的设计、研发与制造平台；通过单元技术研发优化磁约束聚变堆氚工厂概念设计，掌握包层材料及等离子体排灰气中氘氚回收与纯化、氚贮存与转运、氢同位素分离、环境流出气氛及水去氚化等关键子系统工艺以及专用材料与设备技术，建立工艺系统级演示装置或关键组件工程样机并解决工程放大的可行性问题；建立主要的氚测量与计量方法并研制出仪器或设备的工程样机；发展我国安全、经济的规模化产氚与提氚技术，探索CFETR启动用氚燃料供应或储备的合理途径；建立聚变堆氚工厂系统设计、涉氚材料与器件研发和氚兼容性考核所需各种标准与规范；对氚循环关键工艺技术进行全流程考核、工艺集成和优化，研制出1:1的涉氚部件与设备样机，全面完成CFETR 氚工厂工程设计以及实物建设。

上述这些研究工作，将有力地促进可控核聚变能率先在我国使用，同时也使我国氚处理工艺及专用材料与设备的制造技术处于世界领先水平。