核聚变反应堆遇上3D打印 “人造太阳”望更快“发光”

　　当核聚变反应堆遇上3D打印 “人造太阳”有望更快“发光”

　　本报记者 张 晔

　　近年来，人类对能源的依赖日益加深。但是，煤炭、石油和天然气等不可再生资源，并非取之不尽、用之不竭。

　　有没有可能一劳永逸地破解人类能源短缺的困局？

　　随着核技术日渐成熟，被誉为“人造太阳”和“人类终极能源”的可控核聚变反应堆，或有可能为人类源源不断地提供清洁能源、造福后代子孙。这项技术的主要原理是氘和氚在高温高压条件下产生核聚变反应，并生成大量热能用于发电。

　　近日，深圳大学增材制造研究所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打印一体化自由设计和成形复杂多孔结构正硅酸锂陶瓷件，有望替代传统的微球床结构，成为新一代产氚器件，展现出重要应用前景。该成果已发表在《增材制造》杂志上。

　　产氚单元就像核聚变反应堆的心脏

　　自从核反应被发现以来，人们就在不停地探索核能的有效利用。

　　目前，越来越多的科学家和能源专家开始将目光投向核聚变。核聚变的原料主要是氢的同位素——氘和氚。氘可以在海水中得到，每升水约含30毫克氘。一座1000兆瓦的核聚变电站，每年耗氘量只需304公斤，按此计算，全球海水中的氘足够人类使用上百亿年。

　　但是，氚几乎不存在于自然界，需要靠氦与锂陶瓷不断催化反应生成。作为磁约束聚变堆的一个重要组件，固态产氚包层是聚变能商业化应用前需要解决的核心问题之一。

　　目前，各国科学家首选的氚增殖剂材料是正硅酸锂(Li4SiO4)，通行的方法是将正硅酸锂陶瓷与氦气发生反应产生氚。科学家将实现这一功能的陶瓷部件称为产氚单元。

　　传统的锂陶瓷产氚单元一般是把正硅酸锂做成直径1毫米左右的微球，并将它们堆积起来，做成球床结构，微球之间的空隙可以注入氦气。

　　但是，这种产氚单元的填充率有限，而且无法自由调控。此外，微球堆积产生的应力集中，容易造成产氚单元结构形变开裂等破坏，成为球床结构和性能均匀稳定性的掣肘。

　　一旦产氚单元发生故障，将直接导致聚变反应堆无法平稳运行。因此，科学家一直在尝试优化产氚单元的结构。

　　另辟蹊径可使产氚效率大幅提升

　　针对上述问题，2018年，陈张伟和劳长石等人与西南物理研究院另辟蹊径，提出用3D打印正硅酸锂陶瓷单元方法，研制一种全新结构的产氚单元。

　　但是，3D打印面临的第一个难题就是正硅酸锂对环境特别敏感，极易与水、二氧化碳发生反应，造成物相破坏，成为偏硅酸锂。

　　“为此，我们从正硅酸锂粉体的存储、可打印的粉体浆料的配制、打印工艺的实现到热处理等过程中，均针对环境变量进行了严苛的约束与把控。例如配制粉体浆料过程就需要在充满惰性气体的手套箱中进行，并且各类添加剂均为不含水且不能与正硅酸锂产生反应的有机溶剂材料。在这样的环境中进行浆料的配制和3D打印，能够确保正硅酸锂的物相稳定。”陈张伟教授告诉科技日报记者。

　　为了让正硅酸锂粉体浆料经过3D打印出来后，能够迅速固化，就必须选择合适的固化成形方式。

　　“陶瓷3D打印有两种主要固化成形方式，一种光固化，另一种是粉末烧结或熔化。”陈张伟说，粉末烧结是用高能量激光直接对陶瓷粉末进行高温烧结，烧成所需的形状，但是因为温度比较高，容易产生开裂，而且精度可控性较差。而光固化不仅开裂缺陷较少，打印精度较高，同时对多孔结构细节具有很强的把控能力。

　　因此，科研团队选择了光固化的方式，并研发出一种光固化3D打印专用高相纯度正硅酸锂粉体浆料。

　　陈张伟介绍说：“我们在正硅酸锂粉体浆料中混合了经优选过的有机化学添加剂组分，以及小剂量的光敏添加剂，它对特定波长的光敏感，利用405纳米紫外光对浆料进行照射，可以实现浆料的光聚合固化。”

　　3D打印出来的结构件，再进行高温烧结，在1050摄氏度的环境中烧制8—10小时实现瓷化，就能去除固化结构中的各种添加剂，且不再跟环境中的水和二氧化碳发生反应，“这些化学添加剂是以物理方式添加进去的，不会对正硅酸锂造成破坏。”陈张伟解释道。

　　采用这种方法打印出来的产氚单元是一体化无缺陷结构，经过测试，克服了球床填充率有限和应力集中引发的可靠性问题，其稳定性、力学性能比传统微球结构提升2倍。