核聚变制氢 | 900℃下工作的液态金属的合成方法及可耐其腐蚀的结构材料的开发

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摘   要：日本的研究小组成功地大量合成了可在900℃高温下工作的高纯度液态铅锂合金，有望推动在核聚变反应堆等中利用高温液态金属作为制氢热源的技术创新，为实现碳中和社会和零碳能源开辟新的道路。

关键字：核聚变制氢、液态金属、合成方法、耐腐蚀结构材料、创新型能源系统、核聚变技术

 要点

• 有望通过使用高温液态金属，提高核聚变反应堆发电包层的性能，以用于制氢。

• 成功大量合成在900℃下工作的高纯度液态铅锂合金。

• 发现能够承受900℃液态金属产生的强烈腐蚀性的候选结构材料。

概要

在被视作核聚变反应堆的核心即包层的新型冷却材料的液态金属的研究中，日本的研究小组成功大量合成可在900℃的高温下工作的高纯度液态铅锂合金。此外，该研究小组还表明，含铝的铁铬铝（FeCrAl）氧化物弥散强化合金（ODS：Oxide Dispersion Strengthened alloy）是能够承受900℃液态铅锂合金的强烈腐蚀性的候选结构材料。

该研究小组开发出使用类似于土豆捣泥器的器具在低温下一次性大量混合两种密度完全不同的金属、即锂和铅（重量约为锂的20倍）来合成铅锂合金的技术。此外，将这种液态铅锂合金加热到900℃，与多种材料进行共存测试后发现，普通结构材料316L奥氏体不锈钢腐蚀严重，而FeCrAl氧化物弥散强化合金在其表面形成了保护性氧化膜，表现出优异的耐腐蚀性。

该研究成果有望推动在核聚变反应堆等中利用高温液态金属作为制氢热源的技术创新，并为实现碳中和社会和零碳能源开辟新的道路。

背景

目前，运行期间不会产生二氧化碳和高放射性废物的核聚变反应堆作为可持续能源之一，正在全球范围内被积极开发。例如，法国南部正在与日本、欧盟、美国、韩国、中国、俄罗斯和印度合作建造核聚变实验反应堆(ITER)。

重要的是如何利用包层（核聚变反应堆的核心）进行高效且创新的能量转换。将液态金属之一的液态铅锂合金导入包层，构成液态包层的方法备受关注。日本正在研究的原型反应堆发电包层，通过约300℃的高温高压水带走热量从而冷却。将用于包层的冷却材料替换成液态金属并在接近900℃的高温条件下使用，除了可以在包层中产生能量，增殖核聚变燃料外，还可以作为高温热源，用于从水中制造碳中和社会不可或缺的氢气。

然而，一直未找到能够承受液态金属在该温度下表现出的高腐蚀性的材料。例如，当将钢铁材料用于结构材料时，钢中所含的铁（Fe）和铬（Cr）等成分会溶出到液态金属中，或液态金属会进入材料的组织中，从而破坏材料的结构。因此，需要寻找一种能够承受液态金属腐蚀性的结构材料。

低纯度的液态金属性质会发生变化且腐蚀性强，因此需要解决的课题是确立一种合成高纯度液态合金的方法。此外，液态金属所具有的高腐蚀性也是影响设备可靠性的重要课题。截至目前，全球一直在开发液态金属的纯度控制技术，并研究具有优异耐腐蚀性的材料。在现有的大部分研究中，液态金属的应用温度范围均在600℃以下，缺少对900℃的极高温条件下液态金属包层可行性的研究。

该研究小组以在核聚变反应堆等新一代能源领域中备受关注的液态金属为对象，主要研究其与各种结构和功能材料的化学共存性。为了解决上述课题，研究小组致力于合成纯度高且可在900℃下工作的液态铅锂合金，以及寻找耐腐蚀的结构材料。

研究方法与成果

1. 开发高纯度液态铅锂合金的合成装置

液态金属的性质和腐蚀性因纯度而大不相同。特别是在铅锂合金的情况下，将密度仅约为水一半的锂和密度约为水10倍的铅均匀混合十分困难，合成过程中的纯度控制成为一大课题。研究小组与量子科学技术研究开发机构合作，开发出一种新型高纯度铅锂合金合成装置（图1）。

图1  高纯度铅锂合金合成装置

（与量子科学技术研究开发机构的共同研究）

该装置采用粉碎式搅拌，在350℃的低温下一次性搅拌原料。通过在减压环境（控制纯度的理想条件）下混合，使附着在原料上的水分等杂质升温脱附，成功合成了高纯度铅锂合金。在本研究之前，在含有少量杂质的惰性气体气氛下，最大合成量约为300g，而本次研究成功合成了10kg的铅锂合金，按原子成分计算，铅含量84%，锂16%。特别是在本次合金合成试验中，与此前的研究相比，能够大幅减少铁（Fe）、铬（Cr）、镍（Ni）、锰（Mn）等金属杂质的混入，而且还能够将吸收中子并产生放射性物质的铋（Bi）的浓度以及加速结构材料腐蚀的溶解氮（N）的浓度降低至原来的十分之一以下。

2. 研究各种候选结构材料的共存性（耐腐蚀性）

接下来，使用合成的高纯度铅锂合金，在600℃、750℃和900℃的条件下，对常用的耐腐蚀性结构材料316L奥氏体不锈钢、备受期待的耐高温材料碳化硅(SiC)、铁铬铝（FeCrAl）氧化物弥散强化合金NF12（Fe-12Cr-6Al型）以及Kanthal（瑞典康泰尔公司）制造的FeCrAl合金APMT（Fe-22Cr-5Al型）进行了共存性（耐腐蚀性）研究。

结果表明，各候选结构材料在600℃和750℃下没有明显差异，但在900℃的条件下，316L奥氏体不锈钢严重腐蚀（如图2上所示）；SiC在其表面形成了氧化物等化合物，腐蚀速度较缓慢；FeCrAl氧化物弥散强化合金几乎没有腐蚀。

进一步详细研究后发现，如图2下图所示，FeCrAl氧化物弥散强化合金表面会形成厚度约5~10µm（为人类头发直径的1/10~1/5）的氧化膜，以保护自身免受液态金属的腐蚀。FeCrAl氧化物弥散强化合金中的铝成分，选择性地与高纯度铅锂合金中的活性锂成分和适度溶解的氧成分反应，在其表面自行形成保护性氧化膜，被称为γ-铝酸锂（γ-LiAlO₂）。该氧化膜像人类的皮肤一样，即使被破坏或剥落也会通过相同的机制再生，因此FeCrAl氧化物弥散强化合金得以持续保持优异的耐腐蚀性。

图2  液态金属中表现出优异耐腐蚀性FeCrAl合金及在其表面形成的氧化膜

未来展望

通过本研究中新开发的铅锂合金的高纯度合成技术，有望合成迄今为止纯度最高的液态金属。基于此，以正在开发液态增殖包层的中国、日本、欧洲、印度为中心，全球液态金属研究将变得更加活跃，这有望加快解决课题以早日实现高纯度液态金属。此外，本研究表明，即使在高于现有研究的极高温度条件下，液态金属和FeCrAl氧化物弥散强化合金也能够化学共存。这一成果可应用于以不同类型液态金属为制冷剂的系统。

上述成果将促进具备制氢功能的核聚变反应堆等创新型能源系统的建立，为实现基于零碳能源的碳中和社会作巨大贡献。同时，将加速备受世界关注的核聚变技术的进一步发展。

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翻译：李释云

审校：贾陆叶

李   涵

统稿：李淑珊

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