7月29日，美国普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）发文宣布联合General Atomics、桑迪亚国家实验室（SNL）、荷兰基础能源研究所（DIFFER）、埃因霍温大学等8家机构在一项研究中取得重要进展，该研究聚焦锂作为聚变装置第一壁材料时与燃料滞留的关系。相关研究成果已发表于《Nuclear Materials and Energy》上，为未来商用聚变堆的设计提供了关键参考。
一、锂在聚变堆中的双重作用
锂被视为未来商用托卡马克聚变堆的关键材料，其核心价值体现在两个方面：
一是通过创造燃料原子被吸收而非反射的环境，稳定等离子体边缘、增强等离子体约束，支持装置在更高功率密度下运行；
二是其熔化后可形成自修复层，或在高温下形成气体屏蔽，保护面向等离子体的部件免受远超超高温度的等离子体冲击。
然而，锂的这一特性也带来显著问题——导致聚变燃料（尤其是氚）的滞留。氚作为一种稀有、放射性且受严格监管的聚变燃料，其供应直接制约聚变堆的商业化进程。因此，如何平衡锂的稳定作用与氚滞留问题，成为聚变堆设计的核心挑战。
二、燃料滞留的主导机制—共沉积
研究团队通过实验明确，"共沉积" 是导致燃料滞留的主要机制。所谓共沉积，即燃料粒子与锂一同被捕获在托卡马克壁面的过程，其路径包括两种：
一是等离子体运行期间直接添加的锂与燃料粒子发生共沉积；
二是先前沉积于壁面的锂脱落并再次沉积时，与燃料粒子共同被捕获。
荷兰基础能源研究所（DIFFER）博士生Maria Morbey的实验数据显示，多数燃料滞留发生在等离子体运行期间添加锂的过程中，而非预先在壁面涂覆锂的阶段。同时，研究发现预先涂覆的锂层厚度对燃料滞留量无显著影响，这意味着通过增厚预涂锂层以增强防护的传统思路，对减少燃料滞留并无实际作用。
三、两种锂应用技术的对比研究
研究团队在DIII-D托卡马克实验中，对两种锂应用技术进行了系统评估：
- 预涂技术：指在材料样本暴露于等离子体前，预先在其表面涂覆锂层。实验结果表明，无论涂层厚度如何变化，该技术对燃料滞留量的影响有限，且对等离子体从核心到边缘的温度均匀性改善效果较弱。
- 实时注入技术：通过 "杂质粉末滴注器"，在等离子体运行时将锂粉注入等离子体。数据显示，该技术能更有效实现等离子体温度的均匀分布，这是商用聚变堆所需的稳定运行条件；同时，尽管会引发共沉积，但通过对注入量和时机的调控，可在等离子体稳定性与燃料滞留量之间实现更精准的平衡。
上述实验结果是基于固态锂壁的前提下得出的，Maria Morbey计划使用液态锂壁执行类似的实验，再比较结果。
PPPL物理学家Florian Effenberg指出，实时注入技术不仅可作为防护涂层减少杂质进入等离子体，还是向全液态锂壁过渡的实用技术路径。
四、未来聚变堆的重要方向—液态锂
研究表明，液态锂在聚变堆中具有显著优势。锂熔化后会在聚变容器内部部件上形成自修复层，保护部分
直接面向等离子体的部件（PFC）免受高温等离子体的冲击。
更重要的是，流动的液态锂能形成特定流道，为氚的回收与再利用提供条件目前，PPPL 已计划在其NSTX-U（
美国球形托卡马克的代表：NSTX-U
）中加入锂注入器，并最终配备液态锂面向等离子体部件（PFC）；同时，基于NSTX-U设计的STAR装置也将采用相关技术。不过，如何在强磁场和高温环境下维持液态锂的稳定流动，仍是需解决的技术问题。
五、聚变堆设计的优化思考
基于研究结果，团队提出未来聚变堆设计需重点关注以下方面：
一是避免冷壁区域。氚易在低温且难以触及的区域（如壁砖缝隙、排气系统）积累，设计中需通过热力学调控确保壁面温度均匀，减少此类 "燃料陷阱"。
二是推动固态锂向液态锂过渡。流动的液态锂可通过自修复保持防护性能，同时为氚的在线回收提供可能，应进行这样的尝试。
三是优化燃料管理。实验中以氘替代氚（两者在实验环境中行为一致）的结果显示，通过优化锂注入时机与等离子体参数，可有效减少燃料滞留量。未来结合实时调控系统，有望进一步提升燃料利用率。
参考资料：
- https://www.pppl.gov/news/2025/complex-relationship-between-fusion-fuel-and-lithium-walls