NIKKEI——日本经济新闻中文版

      为了实现激光核聚变，包括生产成本在内的反应堆材料的研究正在推进。致力于研究开发的东京科学大学已开始进行耐久性试验，以测试用金属3D打印机推进堆叠制造的结构材料能否保持较高的耐腐蚀性。

      日本国内将以2030年代发电实证为目标，从5～10m规模的小型开始，推进激光核聚变反应堆的开发。如果通过3D打印机进行堆叠制造的合金能验证耐久性，今后面向核聚变反应堆实证的工期缩短和生产成本降低将值得期待。

      作为以EX-Fusion（大阪府吹田市）为主体开发的激光核聚变反应堆用材料，东京科学大学正在研究使用铁（Fe）、铬（Cr）和铝（Al）等构成的FeCrAl合金。此次，设想作为反应堆材料，利用金属3D打印机对该合金进行加工。确认了表面和内部构造，没有发现空洞等缺陷，确认了与以往方法制造的已证明耐久性的试验片相似的结构。

  液体LiPb在包层内部循环

      EX-Fusion构想的核聚变反应堆，用多个高功率激光器照射向反应堆内射出重氢和氚的混合燃料，引发核聚变反应（图1）。以被称为“包层（Blanket）”的反应堆内壁承接这种核聚变反应中产生的高速运动的中子，以回收热能。EX-Fusion正在研究用锂和铅组成的液态金属（液态锂铅合金：LiPb）在这个包层内循环的结构。

图1  EX-Fusion设想的激光核聚变反应堆的树脂模型 左侧的照片是外观，右侧照片是内部图像，有多个激光器照射路径。

      在包层内使用液体LiPb的理由是，中子和锂反应，可以得到作为核聚变燃料的氚。如果能在600℃的液态金属中生成氚至饱和状态，则可以随着热回收导致的液态金属温度降低而进行回收。此外，也可以期待“中子倍增反应”，即液体金属中含有的铅（208Pb）接受1个中子就会放出2个中子，因此预定采用液体LiPb。

  能承受600℃液态金属的FeCrAl合金

      但是，这种液体LiPb具有高腐蚀性这一缺点。在包层中，600℃的液态金属以10cm/s左右的流速在内部流动。不锈钢等通常的合金不能用作反应堆材料，但钨等耐热性好的金属不仅成本高且难以加工。

      因此，为了实现核聚变反应堆，有必要开发在高温和流动环境下也能表现出耐腐蚀性的低价反应堆材料。因此，东京科学大学综合研究院零碳能源研究所副教授近藤正聪等人选择的是FeCrAl合金。

      FeCrAl合金以其较高的耐腐蚀性被人所知，被一些研究人员称为“疯狂合金”。东京科学大学的近藤等人实施的耐久性验证中，在FeCrAl合金的试验片上预先形成厚度约1～2μm的氧化铝（Al2O3）氧化膜（图2）。

图2小型激光核聚变反应堆中使用的反应堆材料的图像 通过在FeCrAl合金的基材表面形成2μm厚的氧化膜，对液体LiPb显示出较高的耐腐蚀性。（出处：日经BP根据东京科学大学的资料加工）

      当通过该预处理形成的氧化膜与液态金属锂发生反应时，氧化膜的表面形成屏障层（LiAlO₂），能获得高耐腐蚀性。在过去的验证中，在600℃的流动环境中实施了长达1000小时的耐久性试验，结果发现质量损失低至1g/m₂。耐久性无可挑剔。

      但是，如果将其作为核聚变反应堆的反应堆材料来采用，还需要对包括加工方法在内的制造成本进行详细评估。特别是激光核聚变反应堆，将在5m规模的小型反应堆内部设置多个激光器照射路径，因此形状复杂。如果采用铸造等传统制法，需要细致确认包括焊接部位在内的耐久性，实现需要较长时间。

  核聚变反应堆的制造利用3D打印机

      因此正在讨论的是利用基于3D打印机的激光堆叠制造来生产核聚变反应堆材料。由于易于应对复杂的形状和设计变更，且不需要模具，因此可以缩短核聚变反应堆的试制工期。首先，东京科学大学决定利用3D打印机的堆叠制造材料，进行液态金属的长时间耐久试验。

      耐久试验用的样品制作由金属技研（东京中野区）承担（图3）。对于用德国EOS公司制造的金属3D打印机“EOSINT M290”制作的样品，在东京科学大学进行切割后，分成不同实验条件的试验片。通过直接暴露于液态金属或预先形成氧化膜等条件的改变，验证与采用铸造等传统方法制造的FeCrAl合金相比，耐腐蚀性是否逊色。

图3金属技研准备的堆叠制造材料 （图片来自东京科学大学）

      不过，基于3D打印机的堆叠制造材料存在“内部容易产生缺陷”的隐忧。负责联合研究的金属技研技术开发本部开发中心次长尾之井正裕表示，“内部密度的话，无论如何99%都是极限”。作为次优方案，如果产生内部缺陷导致耐腐蚀性出现问题，则考虑采用通过高温、高压提高材料强度的“HIP （Hot Isostatic Pressing）处理”进行加强（图4）。

图4金属技研拥有的HIP装置 拥有世界上最大的设备。拥有利用高温、高压填补内部缺陷、以提高强度的技术。（图片：金属技研）

  令人高兴的误判，堆叠制造材料没有缺陷

      但在2025年8月，发生了令人高兴的误判。在位于北海道的超高压电子显微镜下，以纳米级对耐久性试验前的堆叠制造材料进行确认，没有发现氧化膜的剥离和明显的空洞等缺陷（图5）。东京科学大学的近藤正聪兴奋地表示，“与已经证明耐久性的试验片构造相似。这样的话，堆叠制造材料的结果也值得期待”。完成耐久试验的堆叠制造材料将于今秋进行分析。

图5耐久性验证实验的情形 放入600℃静止状态的液体LiPb中，进行了堆叠制造材料的耐久试验。

      如果基于3D打印机的堆叠制造材料对液体LiPb合金的耐腐蚀性得到证明，今后将致力于面向反应堆材料的寿命评估、使保护性氧化膜不易剥落的预处理等附加值的提高。但是，如果出现堆叠制造材料难以实现的情况，将同时进行基于粉末烧结等多种加工方法的结构材料的验证。近藤正聪干劲满满地表示“将来也想验证预定在液体LiPb内生成的氚，对FeCrAl合金的氧化膜是否渗漏”。

  江口刚 日经XTECH

资料来源：日经XTECH

https://xtech.nikkei.com/atcl/nxt/mag/nmc/18/00011/00321/

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