核聚變反應堆遇上3D打印，“人(people)造太陽”有望更快“發光”

       近年來(Come)，人(people)類對能源的(of)依賴日益加深。但是(yes)，煤炭、石油和(and)天然氣等不(No)可再生(born)資源，并非取之不(No)盡、用(use)之不(No)竭。

　　有沒有可能一(one)勞永逸地(land)破解人(people)類能源短缺的(of)困局？

　　随着核技術日漸成熟，被譽爲(for)“人(people)造太陽”和(and)“人(people)類終極能源”的(of)可控核聚變反應堆，或有可能爲(for)人(people)類源源不(No)斷地(land)提供清潔能源、造福後代子孫。這(this)項技術的(of)主要(want)原理是(yes)氘和(and)氚在(exist)高溫高壓條件下産生(born)核聚變反應，并生(born)成大(big)量熱能用(use)于(At)發電。

　　近日，深圳大(big)學增材制造研究所陳張偉和(and)勞長石教授團隊，與中核集團核工業西南物理研究院（以(by)下簡稱西南物理研究院）合作(do)，首次提出(out)并實現了(Got it)基于(At)3D打印一(one)體化自由設計和(and)成形複雜多孔結構正矽酸锂陶瓷件，有望替代傳統的(of)微球床結構，成爲(for)新一(one)代産氚器件，展現出(out)重要(want)應用(use)前景。該成果已發表在(exist)《增材制造》雜志上。

　　産氚單元就像核聚變反應堆的(of)心髒

　　自從核反應被發現以(by)來(Come)，人(people)們(them)就在(exist)不(No)停地(land)探索核能的(of)有效利用(use)。

　　目前，越來(Come)越多的(of)科學家和(and)能源專家開始将目光投向核聚變。核聚變的(of)原料主要(want)是(yes)氫的(of)同位素——氘和(and)氚。氘可以(by)在(exist)海水中得到(arrive)，每升水約含30毫克氘。一(one)座1000兆瓦的(of)核聚變電站，每年耗氘量隻需304公斤，按此計算，全球海水中的(of)氘足夠人(people)類使用(use)上百億年。

　　但是(yes)，氚幾乎不(No)存在(exist)于(At)自然界，需要(want)靠氦與锂陶瓷不(No)斷催化反應生(born)成。作(do)爲(for)磁約束聚變堆的(of)一(one)個(indivual)重要(want)組件，固态産氚包層是(yes)聚變能商業化應用(use)前需要(want)解決的(of)核心問題之一(one)。

　　目前，各國科學家首選的(of)氚增殖劑材料是(yes)正矽酸锂（Li4SiO4），通行的(of)方法是(yes)将正矽酸锂陶瓷與氦氣發生(born)反應産生(born)氚。科學家将實現這(this)一(one)功能的(of)陶瓷部件稱爲(for)産氚單元。

　　傳統的(of)锂陶瓷産氚單元一(one)般是(yes)把正矽酸锂做成直徑1毫米左右的(of)微球，并将它們(them)堆積起來(Come)，做成球床結構，微球之間的(of)空隙可以(by)注入氦氣。

　　但是(yes)，這(this)種産氚單元的(of)填充率有限，而且無法自由調控。此外，微球堆積産生(born)的(of)應力集中，容易造成産氚單元結構形變開裂等破壞，成爲(for)球床結構和(and)性能均勻穩定性的(of)掣肘。

　　一(one)旦産氚單元發生(born)故障，将直接導緻聚變反應堆無法平穩運行。因此，科學家一(one)直在(exist)嘗試優化産氚單元的(of)結構。

　　另辟蹊徑可使産氚效率大(big)幅提升

　　針對上述問題，2018年，陳張偉和(and)勞長石等人(people)與西南物理研究院另辟蹊徑，提出(out)用(use)3D打印正矽酸锂陶瓷單元方法，研制一(one)種全新結構的(of)産氚單元。

　　但是(yes)，3D打印面臨的(of)第一(one)個(indivual)難題就是(yes)正矽酸锂對環境特别敏感，極易與水、二氧化碳發生(born)反應，造成物相破壞，成爲(for)偏矽酸锂。

　　“爲(for)此，我(I)們(them)從正矽酸锂粉體的(of)存儲、可打印的(of)粉體漿料的(of)配制、打印工藝的(of)實現到(arrive)熱處理等過程中，均針對環境變量進行了(Got it)嚴苛的(of)約束與把控。例如配制粉體漿料過程就需要(want)在(exist)充滿惰性氣體的(of)手套箱中進行，并且各類添加劑均爲(for)不(No)含水且不(No)能與正矽酸锂産生(born)反應的(of)有機溶劑材料。在(exist)這(this)樣的(of)環境中進行漿料的(of)配制和(and)3D打印，能夠确保正矽酸锂的(of)物相穩定。”陳張偉教授告訴科技日報記者。

　　爲(for)了(Got it)讓正矽酸锂粉體漿料經過3D打印出(out)來(Come)後，能夠迅速固化，就必須選擇合适的(of)固化成形方式。

　　“陶瓷3D打印有兩種主要(want)固化成形方式，一(one)種光固化，另一(one)種是(yes)粉末燒結或熔化。”陳張偉說，粉末燒結是(yes)用(use)高能量激光直接對陶瓷粉末進行高溫燒結，燒成所需的(of)形狀，但是(yes)因爲(for)溫度比較高，容易産生(born)開裂，而且精度可控性較差。而光固化不(No)僅開裂缺陷較少，打印精度較高，同時(hour)對多孔結構細節具有很強的(of)把控能力。

　　因此，科研團隊選擇了(Got it)光固化的(of)方式，并研發出(out)一(one)種光固化3D打印專用(use)高相純度正矽酸锂粉體漿料。

　　陳張偉介紹說：“我(I)們(them)在(exist)正矽酸锂粉體漿料中混合了(Got it)經優選過的(of)有機化學添加劑組分，以(by)及小劑量的(of)光敏添加劑，它對特定波長的(of)光敏感，利用(use)405納米紫外光對漿料進行照射，可以(by)實現漿料的(of)光聚合固化。”

　　3D打印出(out)來(Come)的(of)結構件，再進行高溫燒結，在(exist)1050攝氏度的(of)環境中燒制8—10小時(hour)實現瓷化，就能去除固化結構中的(of)各種添加劑，且不(No)再跟環境中的(of)水和(and)二氧化碳發生(born)反應，“這(this)些化學添加劑是(yes)以(by)物理方式添加進去的(of)，不(No)會對正矽酸锂造成破壞。”陳張偉解釋道。

　　采用(use)這(this)種方法打印出(out)來(Come)的(of)産氚單元是(yes)一(one)體化無缺陷結構，經過測試，克服了(Got it)球床填充率有限和(and)應力集中引發的(of)可靠性問題，其穩定性、力學性能比傳統微球結構提升2倍。

　　3D打印出(out)來(Come)的(of)這(this)種産氚單元的(of)産氚效率也有望獲得大(big)大(big)提升。傳統的(of)微球結構占空比最高爲(for)65%，而3D打印可以(by)根據需要(want)在(exist)60%到(arrive)90%之間靈活調整，正矽酸锂的(of)比表面積也較微球結構得到(arrive)大(big)幅增加。

　　國際同行給予高度評價，認爲(for)提出(out)的(of)3D打印技術在(exist)核聚變核心陶瓷部件的(of)制造與應用(use)極具創新性。該研究在(exist)核聚變堆應用(use)方面極具前景，将爲(for)替代傳統球床陶瓷産氚結構和(and)推動托卡馬克核聚變反應技術商業化提供更多可能。

　　已完成核聚變反應堆關鍵部件試制

　　雖然人(people)類距離可控核聚變還有很長的(of)路要(want)走，不(No)過這(this)并不(No)妨礙我(I)們(them)向着目标不(No)斷努力。

　　3D打印作(do)爲(for)一(one)種新興的(of)先進制造方式，颠覆了(Got it)傳統制造模式。3D打印技術可實現複雜結構一(one)體化成形，具有制造周期短、材料利用(use)率高等特點，是(yes)複雜構件制造的(of)重要(want)創新方法。在(exist)核聚變反應堆中，也逐漸展現出(out)獨特的(of)優勢。

　　據陳張偉教授介紹，此前，深圳大(big)學增材制造研究所已與西南物理研究院合作(do)，圍繞核聚變堆第一(one)壁CLF-1鋼構件的(of)選擇性激光熔化工藝（SLM，金屬材料增材制造中的(of)一(one)種主要(want)技術途徑）及其組織性能調控開展了(Got it)系統研究工作(do)，首次将非均質雙/多模組織設計思路引入到(arrive)SLM成形高強韌低活化馬氏體鋼（RAFM，爲(for)未來(Come)核聚變堆研發的(of)鋼種）的(of)開發，基于(At)SLM工藝參數和(and)掃描策略的(of)優化，SLM成形CLF-1鋼兼具高強度與高塑性，其綜合強韌性顯著優于(At)目前文獻報道的(of)RAFM鋼。

　　這(this)項研究爲(for)3D打印高強韌RAFM鋼的(of)結構設計提供重要(want)理論依據和(and)技術指導，促進核聚變堆關鍵部件組織性能可控的(of)一(one)體化成型。

　　另據媒體報道，2018年，中科院合肥物質科學研究院已經利用(use)3D打印技術實現核聚變堆關鍵部件——包層第一(one)壁樣件的(of)試制。

　　研究人(people)員以(by)中國低活化馬氏體鋼（CLAM）爲(for)原材料，打印出(out)來(Come)的(of)部件樣品尺寸精度符合設計要(want)求，材料的(of)緻密度達到(arrive)99.7%，與傳統方法制備的(of)CLAM鋼強度相當。同時(hour)，研究還發現3D打印的(of)逐層熔化和(and)定向凝固特性導緻了(Got it)不(No)同方向上CLAM鋼組織和(and)性能的(of)差異，這(this)種差異未來(Come)可以(by)通過掃描方案優化和(and)熔池形核優化等方式有效降低甚至消除。該研究表明，3D打印技術在(exist)核聚變堆等先進核能系統複雜構件制造上具有良好的(of)應用(use)前景。

　　基礎科學的(of)日新月異和(and)3D打印技術的(of)不(No)斷變革與創新，使人(people)類在(exist)工程技術領域的(of)探索充滿想象空間，未來(Come)核聚變堆的(of)各個(indivual)零部件全是(yes)由3D打印制造出(out)來(Come)的(of)并不(No)是(yes)沒有可能。

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