7月16日，荷兰与英国学者在美国前瞻性能源研究期刊《焦耳》（SCI顶级期刊）上发表《浓缩锂-6制约核聚变商业化部署》文章，提出核聚变商业化部署从时间到规模会均受到浓缩锂-6的影响。

锂金属

锂-6是核聚变反应堆的关键燃料之一，当前全球锂-6分离产能力和国际管理机制与规划的核聚变锂- 6需求与供应严重不匹配，亟需开展锂-6新型分离工艺攻关，以适应核聚变工程对锂-6燃料的迫切需求。

核聚变产业化工程对锂-6需求巨大

核聚变可提供无限的清洁能源。根据美国核聚变产业协会发布的《2024年全球核聚变产业》，全球45家私营企业中有31家选择氘氚核聚变路线。国际热核聚变实验堆（ITER）项目与核聚变示范型反应堆（DEMO）同样采用氘氚核聚变反应，基于锂-6增殖氚的磁约束氘氚核聚变是国际热核聚变电站的主流技术。氘氚核聚变的核心技术之一在于实现堆内氚燃料自持。氚的半衰期短（约12.3年），必须通过在反应堆增殖包层内用中子轰击锂-6来实现氚增殖。为最大限度地提高氚增殖比（TBR），增殖包层设计需要将锂-6的丰度从天然水平的7.5%浓缩至60%以上。核聚变电站工程初期通常使用的锂-6丰度在90%以上。

ITER托卡马克聚变装置

按照国际当前的发展规划，未来核聚变对锂-6需求量巨大。ITER项目预计2034年开始，每年需要消耗70千克锂-6。DEMO示范堆预计将于2050年投入运行，每年需要消耗100千克锂-6。荷兰与英国学者评估，一座1000兆瓦的DEMO示范堆投运之前需要初装约50吨浓缩锂-6。这一数据与国际主流观点一致：2020年欧盟报告称DEMO示范堆需要的锂-6总量约为60吨/1000兆瓦；2025年7月，意大利学者认为DEMO示范堆需要锂-6总量为30～52吨/1000兆瓦。此外，考虑到DEMO示范堆在50年的运行寿期内还需要一个备用包层，荷兰与英国学者认为需要准备100吨锂-6/1000兆瓦。

锂-6分离产能严重制约核聚变商业化部署

《浓缩锂-6制约核聚变商业化部署》一文中认为，锂-6是核聚变商业化部署关键路径上的一个紧迫问题，其挑战主要源于三个方面：一是主流锂汞齐交换法由于产能不足、成本过高与环境污染，难以规模化生产；二是前期锂-6采购成本或占核聚变电站总投资成本约25%，严重影响核聚变发电经济性；三是替代工艺技术成熟度不高，远低于核聚变部署进度需求。此外，还从防扩散的角度探讨了现行锂-6国际出口管制框架与未来全球锂-6燃料供应链之间不适配的问题。

锂汞齐交换法难以进一步扩大产能。主要由于以下三方面因素：一是汞供应不足导致难以扩大产能。假设2050年为制造DEMO示范堆生产100吨锂-6，按照美国上世纪五六十年代生产锂-6的经验来看，这将需要每年消耗3000吨～1万吨汞，是2024年全球1200吨年产量的2.5～8.3倍。

二是汞价格昂贵成本推高锂-6成本。按照3万美元/吨（国际市场禁止汞自由交易之前的价格）与7%年利率计算，汞的年度融资成本对于每千克锂-6而言超过2000美元，且还不包括锂-6浓缩厂建设、运行、退役等其他费用。

三是汞毒性造成严重环境污染。上世纪五六十年代，美国为生产100吨锂-6而使用了1.1万吨汞，约有10%的汞蒸发或泄露，造成了严重环境污染。为此，1963年美国立法禁止使用锂汞齐交换法，并于2013年签署《关于汞的水俣公约》。

前期锂-6采购成本构成重大财务负担。锂-6的采购成本是核聚变电站重要的前期投资组成部分。锂-6必须在核聚变电站运行前尽早采购，并且在增殖包层更换后，仍需保留以便处理和循环利用。一座1000兆瓦的核聚变电站造价约20亿美元，在75%的可用率下输出功率为950兆瓦，锂-6以5000美元/千克的价格计算，100吨锂-6将占核聚变核电站总成本的25%。

激光分离（AVLIS）工艺示意图

替代工艺技术尚未成熟。目前正在开发多种锂同位素分离工艺，但存在技术成熟度低、设备复杂、单级分离效率低或高丰度浓缩难等问题。具体而言，美国学者阿尔特等人认为激光同位素分离法的浓缩程度较低，冠醚化学交换法可实现规模化生产，但成本过高。罗马尼亚学者巴蒂阿等人认为冠醚化学交换法更加有效，但成本高昂且有环境风险，电化学交换和置换色谱法成本较低，且对环境更安全，但分离系数较低。西班牙学者迪亚兹等人提出使用微藻分离锂-6，该工艺尚处于实验室阶段，但在可扩展性、可负担性和环境影响方面似乎表现良好。

此外，荷兰与英国学者还提出，鉴于目前所有丰度高于天然水平（～7.5%）的浓缩锂均受出口管制，尤其是高丰度的锂-6（>90%）是热核武器的关键材料，其生产、供应和使用均受到严格国际管制。然而，未来核聚变商业化部署所需的全球浓缩锂-6燃料供应链，与现行国际核材料管制机制存在冲突。

潜在解决方案

汞基分离工艺或仍是初期供应的必要权宜之计。为实现2050年首座核聚变示范堆商业化部署的初步目标，至少需要实现10吨/年锂-6的生产能力，这一数量与美国上世纪五六十年代锂生产能力相当。锂汞齐交换法是工业上唯一能够大规模生产浓缩锂-6的工艺，德国卡尔斯鲁厄理工学院学者提出的锂汞齐交换法改进版ICOMAX工艺或同等改进的汞基分离工艺，可能是初期锂-6燃料供应的必要权宜之计。

新型锂-6分离工艺或具有工业化应用前景。美国得克萨斯农工大学的研究人员2025年2月在SCI顶级期刊《化学》杂志上发表《基于一维通道结构V₂O₅选择性嵌入的电化学锂-6同位素富集》，提出了使用Zeta型氧化钒（ζ-V₂O₅）的新型电化学方法，其分离系数与锂汞齐交换法相当，锂-6丰度经过约45次连续循环后可达90%，说明该方法获得了原理性突破。该工艺基于在电场作用下，锂离子嵌入以一维通道为特征的亚稳态多晶型Zeta型氧化钒晶格中，因锂-6和锂-7的嵌入差异而实现分离，克服了传统锂汞齐交换法在性能、毒性和可持续性方面的不足。

修改核聚变堆设计或是远期方案。为实现远期通过核聚变促进全球能源转型的愿景，可考虑修改核聚变反应堆设计。首先，使用天然锂的增殖包层概念确实存在，但必须证明能够实现足够的氚增殖比。然而，实际情况可能需要一定程度的锂浓缩水平来克服这些限制，即实现有限的第一壁或更紧凑的增殖包层。其次，能够采用更薄的第一壁或完全避免第一壁的反应堆设计，在使用天然锂的同时最大化氚增殖比。但这些概念的可行性尚未得到证实，仅在战略层面上具有一定价值。

重新审视并调整现行国际核材料管制框架。首先，科学界定聚变级锂-6阈值，严格区分聚变级锂-6和武器级锂-6，尽早确立一个远低于武器级（

美国于上世纪五、六十年代在Y-12场址分离锂-6

有关建议

锂-6分离技术工程化与核聚变产业化布局必须提前部署、同步推进。美、英、日、德等国已开始竞逐锂-6分离工艺研发。美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室孵化的Hexium公司获得1200万美元投资，准备建造中试厂以示范激光分离法。英国投资740万英镑支持微生物法、离心萃取法、冠醚法、等离子体等6个锂同位素分离工艺与含锂增殖材料研发。日本核聚变初创企业京都聚变公司计划使用德国卡尔斯鲁厄理工学院开发的ICOMAX工艺，并获得德国政府资助。我国同样应加速新技术攻关，密切追踪国际锂同位素分离新技术发展，探索高效、可具备工业化应用前景的新工艺，为未来核聚变所需关键燃料供应奠定坚实基础。

原文刊于《中国核工业》杂志2025年第11期

作者｜高寒雨 赵松 李小洁

作者单位｜中核战略规划研究总院