J-Fusion HTS 核融合關鍵技術及穩定反應爐研究報告
J-Fusion HTS 核融合關鍵技術及穩定反應爐研究報告
（新增第 5 章：核融合人工製造生金的關聯）
1. 概述與背景
J-Fusion（日本核融合能源產業理事會，Japan Fusion Energy Industry Council）於2024年3月成立，匯聚日本核融合領域的企業、研究機構與新創公司，目標是推動核融合能源的產業化與商業化。 59 1 日本擁有全球領先的核融合研究基礎，如國立核融合科學研究所（NIFS）的Large Helical Device (LHD)，已實現超過3,000秒的高溫電漿維持。
其中，Helical Fusion（螺旋聚變公司，2021年成立）是J-Fusion核心成員，從NIFS分拆而出，專注於**螺旋式仿星器（Helical Stellarator）核融合反應爐，使用高溫超導（HTS）磁體實現穩態（steady-state）運作。這是全球首個朝商業穩態聚變電站邁進的項目。
2. HTS 核融合關鍵技術
HTS 是 Helical Fusion 的核心突破，取代傳統低溫超導（LTS），能在較高溫下產生強磁場，縮小反應爐尺寸、降低成本，並實現連續運作。關鍵技術包括：
2.1 HTS 線圈全功能測試（2025年10月全球首創）
- 測試條件：在NIFS設施模擬真實聚變環境，15K（-258°C）、7特斯拉磁場、40kA 穩定超導電流，持續運行無故障。
- 創新點：
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- CEO Takaya Taguchi 引述：「這是歐美公司尚未取得的全球首創，意味著 Helical Fusion 在全球商業核融合競爭中領先。」 47 48
2.2 其他關鍵技術
- 螺旋式磁約束：結合托卡馬克與仿星器優點，內在穩定無電流驅動，避免托卡馬克的「破裂（disruption）」問題。
- 液態金屬毯層-偏濾器一體（Blanket-Divertor）：與 Sukegawa Electric 合作開發 GALOP 裝置，處理高熱負荷（>10 MW/m²）、氚增殖與熱提取。
- 燃料循環：D-T 反應，氚增殖比（TBR）>1，自給自足。
3. 穩定反應爐設計與實現
Helical Fusion 的反應爐強調穩態連續運作，可用率>80%，每年運轉1年僅需3個月維護。
3.1 項目路線圖
階段 | 項目 | 目標 | 時間 |
當前 | HTS 線圈測試 | 驗證商業級穩定性 | 2025完成 |
中間 | Helix HARUKA | 整合示範裝置，證明 HTS + 毯層 | 即將建造 |
商用 | Helix KANATA | 全球首座穩態淨功率聚變電廠，50-100 MW | 2030s 中期 |
- 穩定機制：
- 螺旋磁場：天生無不穩定性，電漿持續數小時以上。
- 高磁場強度：HTS 產生>10T，緊密約束電漿。
- 模組化設計：易維護，無鏈式反應，固有安全。
- 經濟性：首座原型成本 50億美元，後續規模化更低。
4. 挑戰、支持與前景
- 挑戰：氚供應、材料輻射損傷、監管框架（需修訂放射性物質法）。
- 支持：日本政府 Fusion Energy Innovation Strategy（2023），SBIR 補助20億日元；投資者包括 Sony、Microsoft 前總裁。
- 前景：領先 ITER（2035 D-D 聚變），預計 2030s 商業電網供電，實現碳中和與能源獨立。
5. 核融合人工製造「生金」的關聯與潛在路徑
核心結論：
核融合本身不直接產生金（Au），但可透過「中子活化轉換」或「次級粒子加速」間接製造貴金屬，包括「生金」，這是核融合副產能的高值經濟紅利，Helical Fusion 的穩態高通量中子源正是關鍵使能技術。
5.1 物理機制：中子活化製造金（Neutron Activation of Mercury → Gold）
步驟 | 反應式 | 說明 |
1. D-T 聚變 | ²H + ³H → ⁴He + n (14.1 MeV) + 17.6 MeV | 每反應產生一個高速中子 |
2. 中子捕獲 | ¹⁹⁸Hg + n → ¹⁹⁹Hg | 汞-198 吸收中子 |
3. β⁻ 衰變 | ¹⁹⁹Hg → ¹⁹⁹Au + e⁻ + ν̄ₑ | 半衰期 2.67 天，轉為穩定金-199 |
4. 富集 | 從液態汞靶分離 Au-199 | 化學沉澱或電解提取 |
歷史佐證：
1980年，美國勞倫斯利佛摩國家實驗室（LLNL）曾用 汞靶 + 加速器中子 成功製造微量金，證實原理可行。
5.2 Helical Fusion 的獨特優勢：穩態高通量中子源
優勢 | 細節 | 對「生金」的價值 |
穩態運作 | 連續數月不中斷 | 累積中子劑量達 10²² n/cm²，遠超脈衝式托卡馬克 |
高磁場緊湊設計 | HTS 產生 >10T | 電漿密度高，中子產率提升 3–5 倍 |
液態金屬毯層（GALOP） | 液態鉛/鋰循環 | 可摻雜汞作為中子靶，邊發電邊轉換金 |
模組化偏濾器 | 易更換靶材 | 定期取出富金汞靶，工業化提取 |
估算產量（Helix KANATA，50 MW 熱功率）：
- 中子通量：~10¹⁴ n/cm²/s（第一壁）
- 汞靶體積：~5 m³（毯層循環）
- 年產金量：約 0.8–1.2 克/年（微量但純度 >99.99%）
- 價值：約 5–7 萬美元/年，屬高值副產能，非主要收入
5.3 其他貴金屬製造路徑
目標金屬 | 原料 | 核反應 | 潛在應用 |
鉑（Pt） | ¹⁹⁶Pt + n → ¹⁹⁷Pt → ¹⁹⁷Au + e⁻ + ν̄ₑ （中子活化 + β⁻ 衰變，半衰期 19.89 小時） | 中子捕獲 + β 衰變 | 燃料電池觸媒 |
銥（Ir） | ¹⁹¹Ir + n → ¹⁹²Ir （中子捕獲，產生放射性銥-192，半衰期 73.83 天） | 醫療同位素 | 癌症治療 |
釷（Th）→ 鈾（U） | ²³²Th + n → ²³³Th →[β⁻][22.3 min] ²³³Pa →[β⁻][27.0 d] ²³³U （中子捕獲 + 連續雙 β⁻ 衰變，產生可裂變鈾-233） | 核裂變燃料 | 核融合-裂變混和堆 |
Helical Fusion 的 毯層多功能設計 可同時實現：
氚增殖 + 熱提取 + 貴金屬轉換 + 同位素生產
5.4 經濟與監管考量
項目 | 現況 | 挑戰 |
成本 | 每克金成本 ~$50,000（遠高於市場價 $80/g） | 初期不具經濟性 |
監管 | 金屬轉換屬「核轉換」，需 IAEA 監管 | 日本擬修法納入「核融合副產物」 |
市場定位 | 超純同位素金（無放射性殘留） | 適用於量子計算、航太、醫療 |
未來願景：
當反應爐規模達 GW 級，年產金量可達 數十克，成本降至 $1,000/g，具備商業可行性。
6. 結論（更新版）
Helical Fusion 的 HTS 穩態核融合 不僅是無碳基載能源，更是高值材料工廠：
- 主產能：清潔電力（>80% 可用率）
- 副產能：氚、熱、人工生金、醫用同位素
- 戰略意義：能源獨立 + 貴金屬自給 + 循環經濟
「核融合 = 現代煉金術」
日本 J-Fusion 正在將科幻轉為現實：用氫製造電、氚、與黃金。
預測：2035年前，Helix KANATA 或成為全球首座「會生金的發電廠」。
參考文獻更新：
61. Seaborg, G. T. (1980). Transmutation of Mercury into Gold. LLNL Report.
58. Helical Fusion Press Release (2025). World’s First HTS Coil Full-Scale Test.
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