中国科学家取得核燃料发射 3D 打印陶瓷突破

来源：中关村在线

中国深圳大学和西南物理研究所的研究人员已经开发出一种增材制造陶瓷结构的手段，可以发射出核反应堆燃料。利用负载锂的陶瓷和 DLP 3D 打印，该团队已经能够创造出能够自我充分产生氚的 " 繁殖毯 "，这是核聚变过程的一个重要元素。在未来，科学家们的细胞装置可以被用作实验反应堆内所见的卵石床的更有效版本，帮助推动该技术解决全球能源短缺问题。

科学家们在他们的研究中说：" [ 我们的 ] 结构拥有高的相位纯度和适合的、可定制的有效 ' 包装分数 '，用于 [ 氚 ] 的培育应用。"3D 打印在设计和制造方面的灵活控制的独特优势，可能为在核聚变技术中使用的新型定制的高性能氚增殖器结构铺设一条有希望的道路。"

科学家们的 3D 打印细胞结构被设计用来取代传统核反应堆内的卵石床。图片来自《增材制造》杂志

氚的关键核作用
尽管核电比许多现有的能源提供了潜在的安全、清洁和可持续发展的好处，但该技术的发展在很大程度上依赖于在实验性反应堆内进行的研发。在这种研究中，进行所谓的 "D-T 反应 "，其中氘和氚作为燃料被消耗，对于将核聚变转换为可提取的能源至关重要。

然而，虽然氘资源可以从海水中提取，但地球上无法自然找到氚，因此它的生产已成为推进核反应堆性能的关键。目前，氢同位素通常由含锂的 " 毯子 " 收集，这些毯子与反应堆堆芯内 D-T 反应产生的中子发生有效冲突，在此过程中产生氚气。

在这些吸收装置中，切向堆积的卵石床最常被用来促进反应物的释放，但这些装置可能容易开裂并导致不稳定。因此，为了开发一种具有更大可定制性的鹅卵石床的替代品，中国科学家采用了 3D 打印技术，并创造了一种内部接触点较少的一体化氚孕育解决方案，从而减少其脆弱性。

研究人员的 3D 打印原型（如图）具有中空的集成结构。照片来自《增材制造》杂志

3D 打印新型燃料 " 床
鉴于他们的实验将在室温的相对湿度下进行，科学家们需要开发一种不会与水蒸气发生反应的材料，并失去其相的纯度。为了实现这一目标，该团队在一个充满惰性氩气的手套箱内将锂、陶瓷和一氧化硅混合成一种树脂基陶瓷 " 浆液 "。

一旦他们的浆液准备好了，研究人员使用商业 Ceraform100 3D 打印机将其光聚成细胞原型，然后在后处理过程中对其进行排胶和烧结。由此产生的 10 × 10 × 10 mm3 的交叉结构的体积比或 " 包装分数 " 为 60%，类似于目前在卵石床中看到的情况。

此外，尽管该团队的标本最初是淡黄色的，但在排胶过程中烧掉泥浆中的有机成分后，最终的部分呈现出更传统的白色。科学家们将这些模型的尺寸精度描述为 " 相当好 "，后来发现它们的收缩率是均匀的，并且通过使用 MES 成像，它们在微观上没有裂缝。

由于他们的原型所表现出的 " 无缺陷的结构特征 "，研究小组得出结论，他们的新型 3D 打印方法代表了氚孕育结构生产的一个 " 有前途的 " 发展，并且与目前实验性聚变反应堆中的传统卵石床相比是一个 " 有吸引力的替代方案 "。

研究小组的 3D 打印样品的 SEM 图像。图片来自《增材制造》杂志。

3D 打印进入核领域
随着增材制造的进展继续使更多的温度和耐热部件的生产成为可能，该技术正越来越多地被用于解决核应用。例如，韩国原子能研究所（KAERI）的研究人员已经 3D 打印了一个大型安全阀，具有 IAEA 1 级抗性。

在其他地方，美国能源部对 3D 打印的核潜力进行了大量投资，它目前正与橡树岭国家实验室合作制造一个反应堆核心。被称为转型挑战反应堆（TCR）的微反应堆正在建造中，以使核工业更容易采用现代技术。

阿贡国家实验室的科学家们也在努力优化核聚变过程，他们已经开发出一种可以重复利用高达 97% 的相关废物的方法。利用 3D 打印技术，那里的团队创造了一套相互连接的接触器，能够以高达 99.9% 的效率过滤掉杂质。

研究人员的发现在他们题为 "3D 打印陶瓷细胞结构的潜在核聚变应用 " 的论文中得到了详细说明。该研究由刘宇、陈章伟、李俊杰、龚保平、王龙、劳长石、王培、刘长勇、冯永进和王晓宇共同撰写。