“当核聚变反应堆遇上3D打印 “人造太阳”有望更快“发光””

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近年来，人类对能源的依赖越来越深。 但是，煤炭、石油、天然气等不可再生资源并非取之不尽、取之不尽。

有可能一举解决人类能源不足的困境吗？

随着核技术日益成熟，被称为“人造太阳”和“人类终极能源”的可控核聚变反应堆，有可能不断为人类提供清洁能源，造福子孙后代。 这项技术的首要原理是氘和氚在高温高压条件下发生核聚变反应，在发电中生成大量热能。

最近，深圳大学增材制造研究所的陈张伟和劳长石教授团队与中核集团核工业西南物理研究院(以下简称西南物理研究院)合作，首次提出并实现了基于3d印刷一体化的自由设计和成型、杂多孔结构的正硅酸锂陶瓷零件。 有望取代以前流传下来的微球床结构，成为新一代的氚产氚装置，展现出了重要的应用前景。 这个成果已经发表在杂志《增材制造》上。

氚产生单元就像核聚变反应堆的心脏

自从核反应被发现以来，人们不断探索原子能的比较有效的利用。

现在，更多的科学家和能源专家开始关注核聚变。 核聚变的原料主要是氢的同位素氘和氚。 重氢来自海水，每升水中含有约30毫克重氢。 1,000兆瓦的核聚变发电站，每年重氢的消耗量只有304公斤，世界海水中的重氢就是人类几百亿年来采用的计算。

但是，氚在自然界中几乎不存在，需要通过氦和锂陶瓷的催化反应生成。 作为磁约束聚变堆的重要组成部分之一，固体产氚涂层是聚变能商业化应用前需要处理的核心问题之一。

目前，各国科学家首选的氚增殖剂材料为正硅酸锂( li4sio4)，一般是正硅酸锂陶瓷与氦气反应生成氚。 科学家将实现这一功能的陶瓷部件称为氚产生单元。

一直以来流传的锂陶瓷产三氚通常将正硅酸锂制成直径1mm左右的微球，将其堆积形成球床结构，可以向微球之间的空间隙注入氦气。

但是，该氚产生单元的填充率有限，不能自由控制。 另外，微球堆积引起的应力集中，容易引起氚产生单元结构的应变裂纹等破坏，妨碍球床结构和性能的均匀稳定性。

氚产生单元一旦发生故障，直接融合炉就不能顺利运转。 为此，科学家正在尝试优化氚产生单元的结构。

另一种方法可以大大提高氚的生产效率

对比上述问题，年，陈张伟和劳长石等与西南物理研究院另辟蹊径，提出用3d印刷原硅酸锂陶瓷单元的方法，开发出了一种全新结构的氚产生单元。

但是，3d打印面临的首要课题是正硅酸锂对环境特别敏感，容易与水和二氧化碳反应，破坏物相，变为偏硅酸锂。

“因此，我们从原硅酸锂粉体的贮存、可印刷的粉体浆料的制备、印刷工艺的实现到热解决，对环境变量进行了严格的制约和控制。 例如制备粉体浆料的过程需要在充满惰性气体的手套箱中进行，另外各种添加剂是不含水、不与正硅酸锂反应的有机溶剂材料。 在这种环境下进行浆料的制备和3d打印，可以稳定原硅酸锂的物相。 ’陈伟教授告诉科技日报记者。

为了使原硅酸锂粉体浆料3d打印后能够迅速固化，需要选择合适的固化成形方法。

“陶瓷3d打印有光固化和粉末烧结或熔融两种主要的固化成形方法。 ”陈伟说，粉末烧结是用高能激光直接高温烧结陶瓷粉末，烧成所需形状，但由于温度比高，容易产生裂纹，精度控制性差。 光固化不仅裂缝缺陷少，印刷精度高，而且对多孔结构的细节有很强的抓地能力。

为此，科研小组选择了光固化的方法，开发了光固化3d打印专用的高相纯度原硅酸锂粉体浆料。

陈伟说:“我们在正硅酸锂粉体浆料中混合了优选的有机化学添加剂成分和少量的感光性添加剂。 它对特定波长的光很敏感，用405纳米的紫外光照射浆料可以实现浆料的光聚合固化”。

3d打印的结构物，再经过高温烧制，在1050的环境中烧制8—10小时后瓷器化，即可去除固化结构中的各种添加剂，与环境中的水和二氧化碳不再发生反应。 “这些化学添加剂是物理添加的，不会对正硅酸锂造成损伤。 ”陈伟解释道。

该方法印刷的氚产生单元为一体化无缺陷结构，经测试，克服了球床充填率的有限性和应力集中引起的可靠性问题，其稳定性、力学性能比以前流传的微球结构提高了两倍。

3d打印的这种氚生产单元的氚生产效率也有望大幅提高。 以前流传下来的微球结构以空比计最高为65%，但3d打印可以根据需要在60%到90%之间灵活调整，正硅酸锂的比表面积也比微球结构大幅增加。

国际同行给予了很高的评价，认为提出的3d打印技术的核聚变核心陶瓷部件的制造和应用极具创新性。 该研究在核聚变反应堆的应用方面前景广阔，将为推动以前流传下来的球床陶瓷产氚结构的替代和托卡马克核聚变反应技术的商业化提供越来越多的可能性。

核聚变反应堆主要部件的试制完成了

人类距离可控核聚变还有很长的路要走，但这并不阻碍我们朝着目标不断努力。

3d打印作为一种新的先进制造方法，迫切需要一种流传至今的制造模式。 3d打印技术具有可实现多结构复杂的一体化成形、制造周期短、材料利用率高等优势，是多复杂构件制造的重要创新做法。 在核聚变反应堆中，也逐渐显现出独特的特征。

陈伟教授表示，迄今为止，深圳大学增材制造研究所与西南物理研究院合作，围绕核聚变反应堆第一壁clf-1钢构件选择性激光熔炼技术( slm，金属材料增材制造中的第一条技术途径)及其组织性能控制展开了系统研究，首次为非均质双/多态性 为未来核聚变炉开发的钢种)的开发，基于优化slm工艺参数和扫描策略，slm成型clf-1钢兼具高强度和高塑性，其综合韧性明显优于现有文献报道的rafm钢。

这一研究为3d打印强韧rafm钢的结构设计提供了重要的理论依据和技术指导，促进了可控核聚变炉关键部件的组织性能一体化成型。

另据媒体报道，年，中科院合肥物质科学研究院已经利用3d打印技术实现了核聚变反应堆重要部件——包层第一壁样品的试制。

研究人员以我国低活性马氏体钢( clam )为原材料，印刷的零件样品尺寸精度满足设计要求，材料密实度达99.7%，与以前流传的方法制造的clam钢具有同等强度。 研究还表明，3d打印的逐层溶解和定向凝固特征会引起不同方向的clam钢组织和性能的差异，这种差异将来可以通过优化扫描方案和优化熔池形核等方法比较有效地降低或消除。 该研究表明，3d打印技术多为核聚变炉等先进核能系统，在杂件的制造中具有良好的应用前景。

随着基础科学的日新月异和3d打印技术的不断变革与创新，人类在工程技术行业的探索充满了想象空期间，未来核聚变反应堆的所有部件都不可能用3d打印制造出来。 (记者张戈) )。