聚变的中子锤：对设计的影响
随着聚变能源越来越接近商业化现实，一个核心的工程挑战正在出现：极端的中子通量轰击反应堆的内核，威胁着关键部件的寿命，尤其是密封件、结构材料和真空容器。对于像 ARC 这样的一些第一代反应堆来说，这可能意味着要以一定的频率更换关键部件。但 ARC 内部的设计更新提出了替代解决方案，如 FLiBe 液体毯，以缓解这一问题。
SPARC：核聚变的中子锤
由英联邦聚变系统公司开发的 SPARC 是世界上最先进的高磁场托卡马克原型之一。预计到 2026 年，它将实现等离子体盈亏平衡（Q > 1）。值得注意的是，它体积小巧，磁场强度高（高达 12 T）；中子通量远远超过用于发电的工业核装置的通常速率。
维护和密封：隐藏的瓶颈
这种通量会导致结构材料活化、脆化、氦膨胀，并对密封功能的完整性造成挑战。
在这种条件下维护或更换密封件需要完全停机并进行远程干预，成本高且耗时。在没有热室或机器人维护基础设施的情况下，这就成为一个关键的限制因素。不过，由于 SPARC 的运行条件，激活的限制要比 ARC 大得多。
ARC：克服中子通量 影响 FLiBe
SPARC 的后续产品 ARC 就是针对这一挑战而设计的。它采用了一种由 FLiBe（氟化锂和氟化铍的混合物）制成的液态浸入毯。
什么 FLiBe 是否
- 中子缓和与吸收：保护结构材料和真空容器。
- 氚的孕育在中子轰击下，FLiBe 中的锂会产生氚。这意味着它可以产生核聚变反应所需的氚。
- 传热介质：可在 700 至 900°C 温度范围内高效运行，无需高压。
新的材料挑战出现
FLiBe 在解决材料中的中子问题时，有其自身的工程限制：
- 高工作温度（约 850°C）要求材料具有出色的耐热性和耐化学性。
- 兼容的材料包括
- 镍基合金，如哈氏合金-N 或铬镍铁合金，在熔盐中具有更好的耐腐蚀性。
- SiC/SiC 复合材料：耐中子且与 FLiBe 兼容（尽管成本高且易碎）。
- 石墨或涂层难熔金属（如钼、钨）。
- 密封材料必须能够抵抗热循环、化学腐蚀和潜在的氚渗透--这推动工程师们进行新的设计。
成熟度 FLiBe 和更广泛的采用
尽管 FLiBe 毯的性能很好，但在工业上还不成熟。正在开发的主要领域包括
- 氧化还原控制系统，避免盐分解和腐蚀。
- 从熔盐中提取氚的系统。
- 远程处理和盐净化技术。
然而，势头正在增长：
- ARC 是最先进的用户。
- Xcimer Energy（激光聚变）正在研究将 FLiBe 用作中子屏蔽。
- 在裂变领域，MoltexFLEX 和 TMSR-LF1（中国）正在 MSR 中使用其他盐类。
这一趋势表明了行业的明显转变：液态毯正在成为未来耐用聚变反应堆的架构，它提供了更好的正常运行时间、屏蔽和集成潜力，但代价是更高的化学和热复杂性。
核聚变行业正面临一个决定性时刻：反应堆堆芯能否承受自身的功率？SPARC 暴露了第一代托卡马克的工程痛点，尤其是在维护、密封和材料疲劳方面，而 ARC 等下一代设计则采用了 FLiBe 来克服这些问题。但是，随着 FLiBe 成为核聚变未来的核心，该行业现在必须解决腐蚀、氚管理和高温材料集成等问题。
