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核聚變反應堆遇上3D打印，“人造太陽”有望更快“發光”

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核聚變反應堆遇上3D打印，“人造太陽”有望更快“發光”



近年來，人類對能源的依賴日益加深 。 但是，煤炭、石油和天然氣等不可再生資源，并非取之不盡、用之不竭 。
有沒有可能一勞永逸地破解人類能源短缺的困局？
隨著核技術日漸成熟，被譽為“人造太陽”和“人類終極能源”的可控核聚變反應堆，或有可能為人類源源不斷地提供清潔能源、造福后代子孫 。 這項技術的主要原理是氘和氚在高溫高壓條件下產生核聚變反應，并生成大量熱能用于發電 。
近日，深圳大學增材制造研究所陳張偉和勞長石教授團隊，與中核集團核工業西南物理研究院（以下簡稱西南物理研究院）合作，首次提出并實現了基于3D打印一體化自由設計和成形復雜多孔結構正硅酸鋰陶瓷件，有望替代傳統的微球床結構，成為新一代產氚器件，展現出重要應用前景 。 該成果已發表在《增材制造》雜志上 。
產氚單元就像核聚變反應堆的心臟
自從核反應被發現以來，人們就在不停地探索核能的有效利用 。
【核聚變反應堆遇上3D打印，“人造太陽”有望更快“發光”】目前，越來越多的科學家和能源專家開始將目光投向核聚變 。 核聚變的原料主要是氫的同位素——氘和氚 。 氘可以在海水中得到，每升水約含30毫克氘 。 一座1000兆瓦的核聚變電站，每年耗氘量只需304公斤，按此計算，全球海水中的氘足夠人類使用上百億年 。
但是，氚幾乎不存在于自然界，需要靠氦與鋰陶瓷不斷催化反應生成 。 作為磁約束聚變堆的一個重要組件，固態產氚包層是聚變能商業化應用前需要解決的核心問題之一 。
目前，各國科學家首選的氚增殖劑材料是正硅酸鋰（Li4SiO4），通行的方法是將正硅酸鋰陶瓷與氦氣發生反應產生氚 。 科學家將實現這一功能的陶瓷部件稱為產氚單元 。
傳統的鋰陶瓷產氚單元一般是把正硅酸鋰做成直徑1毫米左右的微球，并將它們堆積起來，做成球床結構，微球之間的空隙可以注入氦氣 。
但是，這種產氚單元的填充率有限，而且無法自由調控 。 此外，微球堆積產生的應力集中，容易造成產氚單元結構形變開裂等破壞，成為球床結構和性能均勻穩定性的掣肘 。
一旦產氚單元發生故障，將直接導致聚變反應堆無法平穩運行 。 因此，科學家一直在嘗試優化產氚單元的結構 。
另辟蹊徑可使產氚效率大幅提升
針對上述問題，2018年，陳張偉和勞長石等人與西南物理研究院另辟蹊徑，提出用3D打印正硅酸鋰陶瓷單元方法，研制一種全新結構的產氚單元 。
但是，3D打印面臨的第一個難題就是正硅酸鋰對環境特別敏感，極易與水、二氧化碳發生反應，造成物相破壞，成為偏硅酸鋰 。
“為此，我們從正硅酸鋰粉體的存儲、可打印的粉體漿料的配制、打印工藝的實現到熱處理等過程中，均針對環境變量進行了嚴苛的約束與把控 。 例如配制粉體漿料過程就需要在充滿惰性氣體的手套箱中進行，并且各類添加劑均為不含水且不能與正硅酸鋰產生反應的有機溶劑材料 。 在這樣的環境中進行漿料的配制和3D打印，能夠確保正硅酸鋰的物相穩定 。 ”陳張偉教授告訴科技日報采訪人員 。
為了讓正硅酸鋰粉體漿料經過3D打印出來后，能夠迅速固化，就必須選擇合適的固化成形方式 。
“陶瓷3D打印有兩種主要固化成形方式，一種光固化，另一種是粉末燒結或熔化 。 ”陳張偉說，粉末燒結是用高能量激光直接對陶瓷粉末進行高溫燒結，燒成所需的形狀，但是因為溫度比較高，容易產生開裂，而且精度可控性較差 。 而光固化不僅開裂缺陷較少，打印精度較高，同時對多孔結構細節具有很強的把控能力 。

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