中國深圳大學(xué)和西南物理研究所的研究人員開(kāi)發(fā)(fā)了一種增材制造陶瓷結構的方法，該結構可以排放核反應堆燃料。利用載鋰陶瓷和DLP 3D打印，該團隊已經(jīng)能夠創(chuàng )(chuàng)造出能夠自給自足產(chǎn)生氚的“繁殖毯”，氚是核聚變過(guò)程的重要元素。未來(lái)，科學(xué)家們的蜂窩設備可以用作實(shí)驗反應堆中更有效的卵石床版本，有助于推進(jìn)技術(shù)解決全球能源短缺問(wèn)題。

“我們開(kāi)發(fā)(fā)的結構具有高相純度和適合[氚]育種應用的有效‘填充分數’，”科學(xué)家在他們的研究中說(shuō)?！霸?/span>3D打印的設計和制造中靈活控制的獨特優(yōu)(yōu)勢可能為設計用于核聚變技術(shù)的新型定制高性能氚增殖結構的更大可能性鋪平道路?！?/span>

科學(xué)家們的3D打印蜂窩結構旨在取代傳統(tǒng)核反應堆中的卵石床。圖片來(lái)自增材制造期刊。

氚的關(guān)鍵核作用

盡管核電比許多現有能源具有潛在的安全性、清潔度和可持續(xù)性?xún)?yōu)(yōu)勢，但該技術(shù)的進(jìn)步在很大程度上依賴(lài)于在實(shí)驗反應堆內進(jìn)行的研發(fā)(fā)。在此類(lèi)研究中，進(jìn)行所謂的“D-T反應”（其中消耗氘和氚作為燃料）對于將核聚變轉化為可提取能源至關(guān)重要。然而，雖然氘資源可以從海水中提取，但地球上無(wú)法自然找到氚，因此氚的生產(chǎn)對于提高核反應堆的性能至關(guān)重要。目前，氫同位素通常由含鋰的“毯子”收集，這些“毯子”有效地與反應堆堆芯內D-T反應產(chǎn)生的中子發(fā)(fā)生碰撞，在此過(guò)程中產(chǎn)生氚。

在這些吸收裝置中，切向填充的卵石床最常用于促進(jìn)反應物的釋放，但這些裝置容易開(kāi)裂并導致不穩(wěn)定。為了開(kāi)發(fā)(fā)具有更大可裁剪性的卵石床替代品，中國科學(xué)家因此采用了3D打印，并創(chuàng )(chuàng)建了一種內部接觸點(diǎn)較少的集成氚育種解決方案，從而降低了其脆弱性。

研究人員的3D打印原型（如圖）具有中空的集成結構。照片來(lái)自增材制造雜志。

3D打印新型燃料“床”

鑒于他們的實(shí)驗將在室溫的相對濕度下進(jìn)行，科學(xué)家們需要開(kāi)發(fā)(fā)一種不會(huì )與水蒸氣發(fā)(fā)生反應并失去其相純度的材料。為了實(shí)現這一目標，該團隊將鋰、陶瓷和一氧化硅混合到一個(gè)充滿(mǎn)惰性氬氣氛的手套箱內的樹(shù)脂基陶瓷“漿料”中。

漿料準備好后，研究人員使用商用Ceraform100 3D打印機將其光聚合成細胞原型，然后在后處理過(guò)程中對其進(jìn)行脫脂和燒結。由此產(chǎn)生的相交10×10×10 mm3結構具有60%的體積比或“填充率”，類(lèi)似于當前卵石床中所見(jiàn)。此外，盡管該團隊的樣品最初外觀(guān)呈淡黃色，但在脫脂過(guò)程中漿料的有機成分被燒毀后，最終部件呈現出更傳統(tǒng)的白色?？茖W(xué)家們將模型的尺寸精度描述為“相當好”，后來(lái)發(fā)(fā)現它們的收縮是均勻的，并且通過(guò)使用MES成像，它們在微尺度上沒(méi)有裂縫。

由于原型展示的“無(wú)缺陷結構特征”，該團隊總結出他們新穎的3D打印方法，代表氚育種結構生產(chǎn)中的“有希望”的發(fā)(fā)展，以及與傳統(tǒng)的“有吸引力的替代方案”相比在當前的實(shí)驗聚變反應堆中看到的卵石床。

研究團隊3D打印樣品的SEM圖像。圖片來(lái)自增材制造期刊。

3D打印與核應用

隨著(zhù)增材制造的進(jìn)步繼續(xù)使生產(chǎn)更耐高溫和耐熱的零件成為可能，該技術(shù)越來(lái)越多地用于解決核應用。例如，韓國原子能研究所(KAERI)的研究人員3D打印了一個(gè)具有IAEA 1級阻力質(zhì)量的大型安全閥。

在其他地方，美國能源部在3D打印的核潛力方面投入了大量資金，目前正在與橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室合作制造反應堆堆芯。被稱(chēng)為轉型挑戰(zhàn)反應堆(TCR)的微型反應堆正在建造，旨在使核工業(yè)(yè)更容易采用現代技術(shù)。

阿貢國家實(shí)驗室的科學(xué)家們也在努力優(yōu)(yōu)化核聚變過(guò)程，他們已經(jīng)開(kāi)發(fā)(fā)出一種可重復利用高達97%的相關(guān)廢物的方法。利用3D打印，那里的團隊創(chuàng )(chuàng)建了一組相互連接的接觸器，能夠以高達99.9%的效率過(guò)濾掉雜質(zhì)。

來(lái)源：https://www.3ddayin.net/3ddayincailiao/taoci/40363.html