核聚變反應堆遇上3D打印，“人造太陽(yáng)”有望更快“發(fā)光”

　　近年來(lái)，人類(lèi)對能源的依賴(lài)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(méi)有可能一勞永逸地破解人類(lèi)能源短缺的困局？

　　隨著(zhù)核技術(shù)日漸成熟，被譽(yù)為“人造太陽(yáng)”和“人類(lèi)終極能源”的可控核聚變反應堆，或有可能為人類(lèi)源源不斷地提供清潔能源、造福后代子孫。這項技術(shù)的主要原理是氘和氚在高溫高壓條件下產(chǎn)生核聚變反應，并生成大量熱能用于發(fā)電。

　　近日，深圳大學(xué)增材制造研究所陳張偉和勞長(cháng)石教授團隊，與中核集團核工業(yè)西南物理研究院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)西南物理研究院）合作，首次提出并實(shí)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(chǎn)氚器件，展現出重要應用前景。該成果已發(fā)表在《增材制造》雜志上。

　　產(chǎn)氚單元就像核聚變反應堆的心臟

　　自從核反應被發(fā)現以來(lái)，人們就在不停地探索核能的有效利用。

　　目前，越來(lái)越多的科學(xué)家和能源專(zhuān)家開(kāi)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(lèi)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(gè)重要組件，固態(tài)產(chǎn)氚包層是聚變能商業(yè)化應用前需要解決的核心問(wèn)題之一。

　　目前，各國科學(xué)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(fā)生反應產(chǎn)生氚?？茖W(xué)家將實(shí)現這一功能的陶瓷部件稱(chēng)為產(chǎn)氚單元。

　　傳統的鋰陶瓷產(chǎn)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(lái)，做成球床結構，微球之間的空隙可以注入氦氣。

　　但是，這種產(chǎn)氚單元的填充率有限，而且無(wú)法自由調控。此外，微球堆積產(chǎn)生的應力集中，容易造成產(chǎn)氚單元結構形變開(kāi)裂等破壞，成為球床結構和性能均勻穩定性的掣肘。

　　一旦產(chǎn)氚單元發(fā)生故障，將直接導致聚變反應堆無(wú)法平穩運行。因此，科學(xué)家一直在嘗試優(yōu)化產(chǎn)氚單元的結構。

　　另辟蹊徑可使產(chǎn)氚效率大幅提升

　　針對上述問(wèn)題，2018年，陳張偉和勞長(cháng)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(chǎn)氚單元。

　　但是，3D打印面臨的第一個(gè)難題就是正硅酸鋰對環(huán)境特別敏感，極易與水、二氧化碳發(fā)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(shí)現到熱處理等過(guò)程中，均針對環(huán)境變量進(jìn)行了嚴苛的約束與把控。例如配制粉體漿料過(guò)程就需要在充滿(mǎn)惰性氣體的手套箱中進(jìn)行，并且各類(lèi)添加劑均為不含水且不能與正硅酸鋰產(chǎn)生反應的有機溶劑材料。在這樣的環(huán)境中進(jìn)行漿料的配制和3D打印，能夠確保正硅酸鋰的物相穩定?！标悘垈ソ淌诟嬖V科技日報記者。

　　為了讓正硅酸鋰粉體漿料經(jīng)過(guò)3D打印出來(lái)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?！标悘垈フf(shuō)，粉末燒結是用高能量激光直接對陶瓷粉末進(jìn)行高溫燒結，燒成所需的形狀，但是因為溫度比較高，容易產(chǎn)生開(kāi)裂，而且精度可控性較差。而光固化不僅開(kāi)裂缺陷較少，打印精度較高，同時(shí)對多孔結構細節具有很強的把控能力。

　　因此，科研團隊選擇了光固化的方式，并研發(fā)出一種光固化3D打印專(zhuān)用高相純度正硅酸鋰粉體漿料。

　　陳張偉介紹說(shuō)：“我們在正硅酸鋰粉體漿料中混合了經(jīng)優(yōu)選過(guò)的有機化學(xué)添加劑組分，以及小劑量的光敏添加劑，它對特定波長(cháng)的光敏感，利用405納米紫外光對漿料進(jìn)行照射，可以實(shí)現漿料的光聚合固化?！?/p>

　　3D打印出來(lái)的結構件，再進(jìn)行高溫燒結，在1050攝氏度的環(huán)境中燒制8—10小時(shí)實(shí)現瓷化，就能去除固化結構中的各種添加劑，且不再跟環(huán)境中的水和二氧化碳發(fā)生反應，“這些化學(xué)添加劑是以物理方式添加進(jìn)去的，不會(huì )對正硅酸鋰造成破壞?！标悘垈ソ忉尩?。

　　采用這種方法打印出來(lái)的產(chǎn)氚單元是一體化無(wú)缺陷結構，經(jīng)過(guò)測試，克服了球床填充率有限和應力集中引發(fā)的可靠性問(wèn)題，其穩定性、力學(xué)性能比傳統微球結構提升2倍。

　　3D打印出來(lái)的這種產(chǎn)氚單元的產(chǎn)氚效率也有望獲得大大提升。傳統的微球結構占空比最高為65%，而3D打印可以根據需要在60%到90%之間靈活調整，正硅酸鋰的比表面積也較微球結構得到大幅增加。

　　國際同行給予高度評價(jià)，認為提出的3D打印技術(shù)在核聚變核心陶瓷部件的制造與應用極具創(chuàng )新性。該研究在核聚變堆應用方面極具前景，將為替代傳統球床陶瓷產(chǎn)氚結構和推動(dòng)托卡馬克核聚變反應技術(shù)商業(yè)化提供更多可能。

　　已完成核聚變反應堆關(guān)鍵部件試制

　　雖然人類(lèi)距離可控核聚變還有很長(cháng)的路要走，不過(guò)這并不妨礙我們向著(zhù)目標不斷努力。

　　3D打印作為一種新興的先進(jìn)制造方式，顛覆了傳統制造模式。3D打印技術(shù)可實(shí)現復雜結構一體化成形，具有制造周期短、材料利用率高等特點(diǎn)，是復雜構件制造的重要創(chuàng )新方法。在核聚變反應堆中，也逐漸展現出獨特的優(yōu)勢。

　　據陳張偉教授介紹，此前，深圳大學(xué)增材制造研究所已與西南物理研究院合作，圍繞核聚變堆第一壁CLF-1鋼構件的選擇性激光熔化工藝（SLM，金屬材料增材制造中的一種主要技術(shù)途徑）及其組織性能調控開(kāi)展了系統研究工作，首次將非均質(zhì)雙/多模組織設計思路引入到SLM成形高強韌低活化馬氏體鋼（RAFM，為未來(lái)核聚變堆研發(fā)的鋼種）的開(kāi)發(fā)，基于SLM工藝參數和掃描策略的優(yōu)化，SLM成形CLF-1鋼兼具高強度與高塑性，其綜合強韌性顯著(zhù)優(yōu)于目前文獻報道的RAFM鋼。

　　這項研究為3D打印高強韌RAFM鋼的結構設計提供重要理論依據和技術(shù)指導，促進(jìn)核聚變堆關(guān)鍵部件組織性能可控的一體化成型。

　　另?yè)襟w報道，2018年，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院已經(jīng)利用3D打印技術(shù)實(shí)現核聚變堆關(guān)鍵部件——包層第一壁樣件的試制。

　　研究人員以中國低活化馬氏體鋼（CLAM）為原材料，打印出來(lái)的部件樣品尺寸精度符合設計要求，材料的致密度達到99.7%，與傳統方法制備的CLAM鋼強度相當。同時(shí)，研究還發(fā)現3D打印的逐層熔化和定向凝固特性導致了不同方向上CLAM鋼組織和性能的差異，這種差異未來(lái)可以通過(guò)掃描方案優(yōu)化和熔池形核優(yōu)化等方式有效降低甚至消除。該研究表明，3D打印技術(shù)在核聚變堆等先進(jìn)核能系統復雜構件制造上具有良好的應用前景。

　　基礎科學(xué)的日新月異和3D打印技術(shù)的不斷變革與創(chuàng )新，使人類(lèi)在工程技術(shù)領(lǐng)域的探索充滿(mǎn)想象空間，未來(lái)核聚變堆的各個(gè)零部件全是由3D打印制造出來(lái)的并不是沒(méi)有可能。