“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不是无尽的。

能否一次性解决人类能源短缺的困境？

随着核技术的成熟，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核心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打印一体化的自由设计和成型、杂多孔结构的正硅酸锂陶瓷部件，代替了以前流传的微球床结构 这个成果已经发表在《增材制造》杂志上。

生产氚的单元就像核聚变反应堆的心脏

自从发现核反应以来，人们不断探索核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。 核聚变的原料是氢的同位素重量氢和氚。 氘可以从海水中获得，每升水中含有约30毫克的氘。 一座1000兆瓦的核聚变电站，每年氘的消耗量为304公斤，根据这个计算，世界海水中的氘足够人类采用几百亿年。

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持续生成。 作为磁约束聚变堆的重要组成部分之一，固体生产氚涂层是聚变商业化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产生氚。 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制三单元，通常是将正硅酸锂制成直径1毫米左右的微球，将其堆积制成球床结构，可以向微球之间的空间隙中注入氦气。

但是，该氚产生单元的填充率有限，无法自由控制。 另外，微球堆积引起的应力集中容易导致产生氚的单元结构的应变·裂纹等破坏，妨碍球床结构和性能的均匀稳定性。

如果生产氚的机组发生故障，直接核聚变反应堆将无法顺利运转。 为此，科学家一直试图优化生产氚的单元的结构。

开辟新的道路可以大大提高氚的生产效率

对比上述问题，年，陈张伟和劳长石等提出与西南物理研究院另辟蹊径，用3d印刷正硅酸锂陶瓷单元，开发了新结构的氚生产单元。

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，物相被破坏，变为偏硅酸锂。

为此，我们对环境变量进行了严格的制约和控制，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。 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，同时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，可以确保原硅酸锂物相的稳定性。 陈伟教授告诉科技日报记者。

为了使原硅酸锂粉体浆料在3d印字后迅速固化，需要选择合适的固化成形方法。

3d打印有两种主要的固化成形方法。 一个是光固化，另一个是粉末的烧结或熔融。 陈伟表示，粉末烧结是用高能激光直接高温烧结陶瓷粉末，烧结所需的形状，但由于温度比高，容易产生裂纹，精度控制性差。 光固化不仅裂纹缺陷少，印字精度高，而且对多孔结构的细节有很强的手柄能力。

因此，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正硅酸锂粉体浆料。

陈伟介绍说，在正硅酸锂粉体浆料中混合优选的有机化学添加剂成分和少量感光性添加剂，对特定波长的光敏感，用405纳米紫外光照射浆料，可以实现浆料的光聚合固化。

3d打印的结构物进行高温烧结，在1050的环境中烧制8 10小时进行瓷器化，可以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发生反应。 这些化学添加剂是物理添加的，不会破坏正硅酸锂。 陈伟解释说。

该方法印刷的氚生成单元为一体化无缺陷结构，经测试，克服了球床充填率有限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。

用3d印刷的这种氚生产单元的氚生产效率也有望大幅提高。 传统的微球结构空比最高为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。

国际同行给予了高度评价，认为提出的3d打印技术在核聚变核心陶瓷部件的制造和应用方面具有创新性。 该研究在核聚变反应堆的应用方面很有前景，越来越有可能替代以前流传的球床陶瓷氚结构和托卡马克核聚变反应技术的商业化。

核聚变反应堆关键部件的试制完成

人类离控制核聚变还有很长的路要走，但这并不阻碍我们朝着目标努力。

3d打印作为一种新的先进制造方法，迫切需要以前流传下来的制造模式。 3d打印技术具有多能实现复杂结构的一体化成形、制造周期短、材料利用率高等优点，是多杂件制造的重要创新做法。 在核聚变反应堆中，也逐渐显示出独特的特征。

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，首次建立了非均质双/多态组织。 未来为核聚变反应堆开发的钢种)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。

该研究为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，促进了核聚变炉关键部件组织性能的可控一体化成形。

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关键部件包层第一壁样品的试制。

研究人员以中国低活性马氏体钢( clam )为原材料，印刷的零件样品尺寸精度满足设计要求，材料的密实度达到99.7%，相当于以前制造的clam钢的强度。 另外，3d打印的各层熔融和定向凝固特征引起不同方向的clam钢组织和性能的差异，发现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，在杂件的制造中有良好的应用前景。

基础科学的日新月异和3d打印技术的不断变革和创新，满足了人类对工程技术行业的探索空之间，未来核聚变反应堆的所有部件都用3d打印制造出来不是不可能的。 (记者张戈)