5月20日，美国麻省理工学院的等离子体科学与聚变中心（PSFC）首次在熔盐中实现氚增殖比（TBR）的直接测量，揭示了氚增殖与传输的关键机制。相关研究成果已经发表在《Nuclear Fusion》上，标题为《Advancing tritium self-sufficiency in fusion power plants: insights from the BABY experiment》。
一、研究背景
氚作为D-T聚变反应的关键燃料，在自然界中储量极少，目前全球的产量无法满足未来聚变电厂（FPP）的持续需求。因此，实现氚自持是聚变能源商业化的核心挑战之一。当前多数FPP设计依赖D-T反应，其能量产出效率高，但必须通过 “氚增殖包层” 技术在反应堆内部再生氚，以避免外部供给依赖。
尽管理论模型预测FLiBe（氟锂铍）包层可实现氚自持（TBR>1），但缺乏实验验证。此前研究多依赖低能中子（<1 MeV）模拟，与聚变堆中14 MeV高能中子环境差异显著。ITER和DEMO的实验包层模块（TBM）虽开展了中子辐照实验，但受限于中子通量（<5×10⁸n/cm²・s）和规模，难以直接验证实际运行条件下的氚行为。
二、研究目的
BABY（Build A Better Yield）实验是MIT LIBRA项目的前期阶段，旨在通过100ml熔盐（ClLiF，LiF-LiCl共晶）的14 MeV中子辐照，首次直接测量氚增殖比（TBR），填补实验数据空白。选择ClLiF作为FLiBe的无铍替代物，可规避铍的毒性风险，优先验证实验系统的可行性。
三、研究方法
（一）实验装置与流程
1.核心系统：1.6mm厚Inconel-625坩埚装载190g ClLiF（30.5% LiF–69.5% LiCl），加热至700°C。
2.中子源：两台密封管发生器（A-325和P-383）产生14 MeV中子（伴随少量 DD反应的2 MeV中子），总通量为3.35×10¹³ n/24h。
3.检测系统：
- 中子测量：金刚石探测器实时监测中子通量，铌（Nb）激活箔通过γ能谱计算累计通量。
- 氚检测：液闪计数（LSC）分两步收集氚—先用水捕获可溶性形态（HTO、TF），再用氧化炉将HT/T₂转化为HTO后捕获，总收集效率>99.7%。
（二）数值模拟方法
1.OpenMC建模：构建包含中子源、坩埚和盐体的三维模型，优化源位置以最大化TBR，对比FLiBe、ClLiF、FLiNaK和PbLi的增殖性能。
2.氚释放模型：基于质量传输方程，拟合实验数据以确定表面和壁渗透的质量传输系统。
四、实验结果
（一）TBR的直接测量
1.实验测得总氚产量为21Bq（对应1.17×10¹⁰ T），中子通量为3.35×10¹³，计算得TBR=3.57×10⁻⁴（即0.000357）。这一数值虽远低于商用FPP需求（TBR>1），但首次在14 MeV中子环境中验证了熔盐的氚增殖能力。
2.模型预测显示，FLiBe的TBR与ClLiF相当（~10⁻⁴），因快中子下锂7反应主导（产氚效率比锂6高10倍），而氟和铍的贡献不可忽视。
（二）氚释放动力学与传输机制
1.瞬态模型拟合：表面释放系数为9.11*10^-7，壁渗透系数为3.65*10^-8，舍伍德数（Sh=10.3）表明对流主导氚传输（Sh>1）。
2.渗透损失验证：实测TBR比OpenMC预测低2.3倍，推测约70%的氚通过坩埚壁渗透损失，未被收集系统捕获。
3.氚的化学形态意外发现：收集的氚全部以不可溶的HT/T₂形式存在，而非预期的TF/HTO。可能原因包括：ClLiF的还原环境促进HT形成，而FLiBe的氧化环境易生成TF；残留H₂（预处理步骤）通过同位素交换生成HT，但去除H₂后形态未变，排除该因素。
4.重复性与可靠性：多次实验结果表明，BABY实验具有良好的可重复性。在不同运行中，TBR的测量值相对标准偏差为4.67%，表明实验方法的稳定性和可靠性。然而，部分实验中也观察到了一些异常现象，如氚释放的延迟和波动，这可能与熔融盐的流动特性、系统中的管道堵塞等因素有关。
五、研究结论
（一）技术验证与理论突破
1.首次在14 MeV中子环境中实现熔盐TBR的直接测量，为聚变堆氚自持研究提供关键实验数据。
2.证实快中子下锂7反应的主导作用，修正了传统低能中子实验的认知偏差。
（二）氚管理的新认知
1.氚形态以HT为主，提示熔融盐的氧化还原性质是影响氚释放的关键因素，需在后续实验中通过添加氧化剂（如EuF₃）调控。
2.壁渗透损失不可忽视，需在大规模实验中设计双层容器捕获渗透氚。
（三）模型与实验的协同
瞬态释放模型与实验数据吻合，为FLiBe包层的氚输运模拟提供了验证基准，但OpenMC需进一步校准中子源分布以缩小预测偏差。
六、局限性
1.规模与效率限制：100ml的小规模导致中子利用率低，TBR远低于实际需求，需扩大体积至1升以上以提升统计精度。
2.中子源与检测缺陷：中子能谱非纯14 MeV，且空间分布未精确表征，导致 OpenMC模型存在不确定性。其次，金刚石探测器未校准绝对效率，依赖激活箔间接测量中子通量，误差达8.9%。
3.氚形态与渗透机制的不明确：缺乏原位化学分析手段，无法实时追踪氚形态转化路径；壁渗透的定量数据不足，需专门实验分离渗透与表面释放的贡献。
BABY实验以创新的小规模14 MeV中子辐照方案，首次在熔盐中实现TBR的直接测量，揭示了氚增殖与传输的关键机制。尽管当前TBR数值较低，但实验验证了熔盐包层的可行性，为后续大规模研究指明了优化方向。未来通过规模扩展、检测升级和材料研究，有望突破氚自持这一聚变能源的核心瓶颈。
参考资料：
- https://www.psfc.mit.edu/resources/news/baby-fusion-fuel/
- https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-4326/ada2ab/pdf