日企合作推进聚变用FLiBe熔盐商业化

日本Kyoto Fusioneering公司与工业陶瓷及金属制造商NGK Corporation正合作开发并商业化FLiBe——一种用于聚变发电站的氟化锂和氟化铍熔盐。此次合作将Kyoto Fusioneering的聚变电站工程专业知识与NGK的铍处理和精炼技术相结合。

将聚变变为商业现实不仅仅取决于等离子体约束技术。开发商还必须解决如何从等离子体中提取热量，如何增殖和回收聚变反应消耗的氚燃料，以及如何设计连接整个电站的循环系统。此次合作将先进材料制造与聚变电站工程连接起来，以建立稳定的商业供应链。

FLiBe可作为液态覆盖层材料，通过在聚变反应堆内壁循环来吸收能量、增殖燃料并屏蔽结构。它在熔融液态下运行，温度通常在500°C至700°C之间。这消除了与固态增殖覆盖层相关的结构应力和热开裂风险。

FLiBe已成为这一角色的主要候选材料之一。作为一种熔盐，它可以同时将热量从反应堆中带走，并增殖维持聚变反应所需的氚燃料。然而，要实现这一潜力，需要掌握铍的安全处理、净化和质量控制，铍是一种稀有且技术要求高的材料，同时还需要设计能够长期可靠运行于熔盐环境的循环系统。

氘和氚之间的聚变反应以高能14.1 MeV中子的形式释放其80%的能量。当这些中子穿过液态FLiBe覆盖层时，它们会与锂和铍原子碰撞。这些碰撞使中子减速，将其动能转化为热能。熔盐被加热后泵送到热交换器，驱动涡轮机发电。

聚变反应堆需要氚，这是一种不存在大量库存的氢同位素。FLiBe通过中子撞击盐中的锂原子时发生核反应来增殖自身燃料，从而解决了这个问题。一次聚变反应消耗一个氚原子并释放一个中子。由于一些中子不可避免地会被结构壁吸收或逃逸，反应堆需要一个“中子倍增剂”来确保氚增殖比大于1.0。FLiBe盐中的铍就充当这种倍增剂。当一个快中子撞击铍原子核时，它会释放两个中子而不是一个。这使可用的中子数量翻倍，保证始终有足够的中子与锂反应，并增殖出过剩的氚燃料。

FLiBe在高温下不易沸腾或汽化。这防止了反应堆壳体内高压积聚，降低了管道爆炸破裂的风险。此外，FLiBe不会与空气或水发生剧烈反应。这最大限度地减少了结构泄漏时的火灾风险。作为液体，FLiBe不会遭受结构辐射损伤（如肿胀或脆化），这种损伤会随时间推移使固态覆盖层部件退化。

然而，尽管有这些优点，也存在挑战。在中子轰击下，盐中的氟原子会形成氢氟酸，这对金属反应堆壁具有强腐蚀性。必须使用氧化还原电位控制系统来缓解这一问题。此外，FLiBe在大约459°C时凝固。反应堆系统必须持续保持高温，以防止盐冻结并堵塞循环回路。另外，铍若以粉尘形式被人体吸入具有剧毒，因此在制造和处理过程中需要严格的防护协议。

NGK自1958年以来一直供应和制造含铍材料。六十多年来，NGK在铍的安全处理、质量控制、精炼和分析方面积累了深厚的专业知识。KF是聚变电站工程领域的专家。从等离子体加热系统到全电站系统设计、热工水力分析以及氚增殖和回收系统，KF在该领域积累了专业知识，并通过与政府机构、研究机构和全球组织的合作提供技术和专有技术。

通过合作，两家公司将推进用于聚变电站应用的FLiBe相关技术，着眼于未来的商业化和供应链发展。NGK和KF将从材料制造和精炼到包括循环系统在内的实际设备应用，根据客户需求规格协同工作。

KF将主导FLiBe生产和精炼设施的工程设计（包括工程、采购和施工），该设施将设在NGK的铍工厂内。NGK将贡献其铍安全和处理相关的专业知识，并负责原材料采购以及FLiBe生产和精炼设施的运营。

KF凭借其与聚变研究界的密切联系和对聚变行业需求的理解，将指导合作开发适用于聚变发电站长期运行的低活化、低腐蚀FLiBe。KF还将使用其专用的FLiBe Research Japan Advanced回路评估所生产的聚变级FLiBe，确保该材料满足聚变应用所需的严格性能和质量标准。FREJA回路是一个专门的实验室规模测试平台，用于验证和认证所制造的FLiBe符合严格的核与结构标准。

NGK Corporation副总裁兼NV业务发展负责人Takeshi Otsu表示：“根据我们的《2026-2035年长期管理计划》，NGK将2035年定位为实现‘NGK集团愿景：通往2050之路’的中点，我们仍致力于在碳中和领域进行旨在未来商业化的研究、开发和社会实施。与Kyoto Fusioneering的战略合作伙伴关系是朝着这个方向迈出的重要一步。”

他补充道：“通过应用NGK在铍处理方面的安全管理经验和技术专长，结合我们的FLiBe相关技术，我们正迎接挑战，创造新的技术价值，支持聚变能源在碳中和领域的实际实现。我们将继续推进技术开发，以实现FLiBe相关技术的社会应用，并为聚变能源成为现实做出贡献。”

Kyoto Fusioneering总裁兼首席运营官Kiyoshi Seko指出：“在Kyoto Fusioneering，我们正致力于尽早建立将聚变能源投入实际应用所需的基础技术。FLiBe是这项努力中的关键材料，具有多种功能——增殖、冷却和氚回收。由于它含有铍，安全处理它需要先进的安全管理和精炼技术。通过将NGK多年来积累的铍处理专业知识与我们在聚变电站设计中积累的系统集成技术相结合，我们旨在加速FLiBe相关技术的工业基础，并朝着聚变能源的社会实施迈出重要一步。”

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