为什么聚变研究以D–T反应先行？与D–D、D–³He、p–¹¹B有何不同

谈到“聚变燃料”，人们经常会看到氘D与氚T的组合。那么，氘与氘、氦-3或硼参与的反应，难道就不能用于发电吗？

答案是：并非已经认定它们不能用于发电。其他燃料路线也在研究之中。D–T之所以走在前面，一个重要原因是：与其他主要候选燃料相比，让反应以足够的速率发生所需的条件相对更容易达到。但这并不意味着燃料供应和设备寿命等问题也很简单。美国能源部的燃料说明

• D–T在实现聚变反应所需的条件方面具有优势，但也面临中子与氚相关的工程难题。
• D–D、D–³He和p–¹¹B各有优势，同时面临反应性、辐射损失和燃料供应等不同挑战。
• “探测到反应”“燃料获得能量增益”与“电站输出净电力”，是不同的里程碑。

D表示氘，T表示氚，³He表示氦-3，p表示质子，¹¹B表示硼-11。氘和氚都是氢的同位素：原子核中都只有一个质子，但中子数不同。燃料在高温下，电子与原子核分离，形成等离子体。

带正电的原子核彼此排斥。并不是每次碰撞都会发生聚变；反应概率取决于粒子组合与碰撞能量。描述反应发生可能性的量，称为“反应截面”。

不过，等离子体中的粒子并非都以相同速度运动。要判断整个燃料中反应发生的频率，还需要考虑“反应率系数”：将反应截面与相对速度的乘积，对粒子的速度分布取平均。对于接近热平衡的等离子体，温度决定这一分布。某一碰撞能量下的反应截面很大，并不等于能够维持适合发电的等离子体。UKAEA的反应计算资料

此外，还必须聚集足够多的反应粒子，并在能量流失之前让反应持续发生。因此，需要综合考虑温度、密度与能量约束时间。单独一个高温纪录，不能说明能量收支。梳理劳森判据的论文

在聚变发电研究的主要候选燃料中，D–T在相对较低的温度下较容易获得较高反应性。反应会产生氦-4原子核，也就是α粒子，以及一个中子。将带电α粒子的能量传回燃料，有助于等离子体自加热。美国能源部的聚变反应说明

另一方面，中子不带电，无法被磁场约束。未来D–T电站设想利用聚变区域周围的设备，将中子的能量转化为可回收的热量；但中子也会损伤结构材料并引起活化。因此，接收热量、延长部件寿命和安全更换部件，必须一并解决。

另一个问题是氚。氘可以从海水等来源获取，但氚在自然界中极其稀少，而且具有放射性。电站需要利用中子与锂生成氚，将其回收并送回燃料系统，这涉及“增殖”与“燃料循环”。在整座电站范围内稳定实现氚自给，仍是研发课题。美国能源部的燃料供应说明

换句话说，选择D–T，并不是忽略了复杂的燃料管理，而是先发挥其反应条件相对有利的优势，再解决材料、燃料与维护方面的难题。

让氘与氘发生反应的D–D路线，在燃料资源方面很有吸引力。然而，在类似温度条件下，它不像D–T那样容易产生反应。要获得足够的输出，对温度和约束条件的要求就更严苛。

而且，D–D并不是“既不产生氚，也不产生中子”的反应。其主要分支之一产生氦-3与中子，另一个产生氚与质子。如果生成的氚继续与氘反应，还会产生D–T反应的中子。因此，不能只看最初加入什么燃料，还要看运行中生成什么，以及这些产物还会参与什么反应。UKAEA对D–D及次级反应的说明

氘与氦-3的主反应产生氦-4原子核和质子。由于主反应产物是带电粒子，这条路线希望降低中子对材料造成的负担。

但除了比D–T更严苛的反应条件，还必须解决氦-3的持续供应问题。同时，燃料中含有氘，D–D副反应不能忽略。“主反应不产生中子”与“实际装置不产生中子”，应当明确区分。先进燃料比较，附录D

质子与硼-11的主反应会产生三个α粒子。其吸引力在于主反应不产生中子，而且所用的氢与硼燃料同位素本身不具有放射性。

难点在于，既要让反应以足够的速率发生，又要控制能量损失。其中，“轫致辐射”尤其重要：电子经过离子的电场时，运动方向发生偏转，并以辐射形式释放能量，带来X射线等形式的损失。升高温度，并不只是增加聚变反应。燃料组成、电子与离子的温差、粒子速度分布等因素都会改变能量收支，因此不能仅凭一个温度值判断可行性。p–¹¹B实验论文的背景与讨论

相关研究确实已经开展。日本核融合科学研究所NIFS与TAE Technologies合作，在大型螺旋装置LHD中使用氢束与硼，测量到了来自p–¹¹B反应的α粒子。论文发表于2023年2月21日，并非此次的新发布。这是研究该反应的实验进展，并不意味着已经证明电站能够净发电，也不代表燃料已经实现自持燃烧。NIFS的研究成果说明

此外，即使主反应不产生中子，也仍需评估辐射造成的能量损失，以及实际燃料和产物参与的其他反应。不能把“无中子”直接理解成“没有辐射”，或“不需要屏蔽与安全设计”。

燃料选择，也是一种设计判断：在哪个环节承担物理与工程上的困难。D–T面对材料和氚的问题，先进燃料则面对反应条件、损失和供应的问题。“燃料容易处理”，并不必然意味着“电站容易实现”。

从商业角度比较时，至少应确认三点：使用该燃料实际测量到了什么？所谓能量增益，是以输入燃料的能量、加热设备的输入，还是整座设施的用电为基准？包括燃料供应、设备寿命与更换在内的运行，又已经验证到什么程度？

理解D–T为什么先行，并不是否定其他燃料。这是区分各条路线试图解决的难题与已经证明的成果的起点。

用示意图整理反应条件、产物与燃料供应的差异。这是一种概念性比较，不预测各种燃料的商业化顺序或实现时间。