中國(guó)深圳大學(xué)和西南物理研究所的研究人員開發(fā)了一種增材制造陶瓷結(jié)構(gòu)的方法，該結(jié)構(gòu)可以排放核反應(yīng)堆燃料。利用載鋰陶瓷和DLP 3D打印，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)能夠創(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(shè)備可以用作實(shí)驗(yàn)反應(yīng)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。

“我們開發(fā)的結(jié)構(gòu)具有高相純度和適合[氚]育種應(yīng)用的有效‘填充分?jǐn)?shù)’，”科學(xué)家在他們的研究中說(shuō)。“在3D打印的設(shè)計(jì)和制造中靈活控制的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)可能為設(shè)計(jì)用于核聚變技術(shù)的新型定制高性能氚增殖結(jié)構(gòu)的更大可能性鋪平道路?！?/span>

科學(xué)家們的3D打印蜂窩結(jié)構(gòu)旨在取代傳統(tǒng)核反應(yīng)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(xiàn)有能源具有潛在的安全性、清潔度和可持續(xù)性優(yōu)勢(shì)，但該技術(shù)的進(jìn)步在很大程度上依賴于在實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆內(nèi)進(jìn)行的研發(fā)。在此類研究中，進(jìn)行所謂的“D-T反應(yīng)”（其中消耗氘和氚作為燃料）對(duì)于將核聚變轉(zhuǎn)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(duì)于提高核反應(yīng)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(yīng)堆堆芯內(nèi)D-T反應(yīng)產(chǎn)生的中子發(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(yīng)物的釋放，但這些裝置容易開裂并導(dǎo)致不穩(wěn)定。為了開發(fā)具有更大可裁剪性的卵石床替代品，中國(guó)科學(xué)家因此采用了3D打印，并創(chuàng)建了一種內(nèi)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(jié)構(gòu)。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(yàn)將在室溫的相對(duì)濕度下進(jìn)行，科學(xué)家們需要開發(fā)一種不會(huì)與水蒸氣發(fā)生反應(yīng)并失去其相純度的材料。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，該團(tuán)隊(duì)將鋰、陶瓷和一氧化硅混合到一個(gè)充滿惰性氬氣氛的手套箱內(nèi)的樹脂基陶瓷“漿料”中。

漿料準(zhǔn)備好后，研究人員使用商用Ceraform100 3D打印機(jī)將其光聚合成細(xì)胞原型，然后在后處理過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行脫脂和燒結(jié)。由此產(chǎn)生的相交10×10×10 mm3結(jié)構(gòu)具有60%的體積比或“填充率”，類似于當(dāng)前卵石床中所見。此外，盡管該團(tuán)隊(duì)的樣品最初外觀呈淡黃色，但在脫脂過(guò)程中漿料的有機(jī)成分被燒毀后，最終部件呈現(xiàn)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(dāng)好”，后來(lái)發(fā)現(xiàn)它們的收縮是均勻的，并且通過(guò)使用MES成像，它們?cè)谖⒊叨壬蠜]有裂縫。

由于原型展示的“無(wú)缺陷結(jié)構(gòu)特征”，該團(tuán)隊(duì)總結(jié)出他們新穎的3D打印方法，代表氚育種結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中的“有希望”的發(fā)展，以及與傳統(tǒng)的“有吸引力的替代方案”相比在當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)聚變反應(yīng)堆中看到的卵石床。

研究團(tuán)隊(duì)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(yīng)用

隨著增材制造的進(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(yīng)用。例如，韓國(guó)原子能研究所(KAERI)的研究人員3D打印了一個(gè)具有IAEA 1級(jí)阻力質(zhì)量的大型安全閥。

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

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

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