“成功打入聚变反应堆，3D打印打出了什么”

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科学技术日报记者张謇

近年来，人类对能源的依赖越来越深。 但是，煤炭、石油、天然气等不可再生资源并不是无尽的。

能否一次性解决人类能源短缺的困境？

随着核技术的成熟，被称为“人工太阳”和“人类终极能源”的可控核聚变反应堆有可能为人类提供清洁能源，造福子孙后代。

这项技术的首要原理是氘和氚在高温高压条件下发生核聚变反应，在发电中生成大量热能。

最近，深圳大学陈张伟和劳长石教授团队与核心集团核工业西南物理研究院合作，首次提出并实现了基于3d打印一体化的自由设计和成型、杂多孔结构的正硅酸锂陶瓷部件，取代了以前流传的微球床结构，成为新一代的氚生产器件，至关重要 这个成果已经发表在《增材制造》杂志上。

“人工太阳”朝着终极能源进一步前进

自从发现核反应以来，人们不断探索核能的比较有效的利用。

原子能通过三种核反应释放出来。 其中，核裂变是指像原子弹一样沉重的原子核裂变释放结合能。 核聚变是指轻原子核聚集释放结合能，如氢弹爆炸；核衰变是指原子核自发衰变过程中释放能量，一般是缓慢的过程，因此释放的能量水平也很低。

目前，可控核裂变技术已经商用，全世界约16%的电力由核反应堆生产，9个国家40%以上的能源生产来自核能。

但是，核电站的安全风险是永远不会消失的阴影。 另外，核裂变所需的铀等重金属元素在地球上很稀少，通常的核裂变炉会产生放射性很强的核废料。

因此，更多的科学家和能源专家开始关注核聚变。 核聚变的原料是氢的同位素氘和氚。 氘可以从海水中获得，每升水中含有约30毫克的氘。 一座1000兆瓦的核聚变电站，每年氘的消耗量为304公斤，根据这个计算，世界海水中的氘足够人类采用几百亿年。

但是，氚在自然界中几乎不存在，需要通过氦和锂陶瓷的催化反应持续生成。 作为磁约束聚变堆的重要组成部分之一，固体生产氚涂层是聚变商业化前需要处理的核心问题之一。

目前，各国科学家首选的氚增殖剂材料为正硅酸锂( li4sio4)，一般是正硅酸锂陶瓷与氦气反应产生氚。 科学家将实现这一功能的陶瓷部件称为氚产生单元。

一直以来流传的锂陶瓷制三单元，通常是将正硅酸锂制成直径1毫米左右的微球，将其堆积制成球床结构，可以向微球之间的空间隙中注入氦气。

但是，该氚产生单元的填充率有限，无法自由控制。 另外，微球堆积引起的应力集中容易导致产生氚的单元结构的应变·裂纹等破坏，妨碍球床结构和性能的均匀稳定性。

如果生产氚的机组发生故障，直接核聚变反应堆将无法顺利运转。 为此，科学家一直试图优化生产氚的单元的结构。

大胆创新3d打印处理的核心问题

对比上述问题，年，深圳大学增材制造研究所的陈张伟和劳长石教授等提出与中核集团核工业西南物理研究院另辟蹊径，用3d印刷正硅酸锂陶瓷单元，开发了新结构的氚生产单元。

但是，3d打印面临的首要课题是正硅酸锂对环境特别敏感，容易与水和二氧化碳反应，物相被破坏，变为偏硅酸锂。

因此，从正硅酸锂粉体的贮存、可印刷粉体浆料的制备、印刷工艺的实现到热解决，对环境变量进行了严格的制约和控制。 例如制备粉体浆料的过程需要在充满惰性气体的手套箱中进行，同时各种添加剂是不含水、不与正硅酸锂反应的有机溶剂材料。 在这种环境下进行浆料的制备和3d打印，可以确保原硅酸锂物相的稳定性。 ”。 陈伟教授告诉科技日报记者。

为了使原硅酸锂粉体浆料在3d印字后迅速固化，需要选择合适的固化成形方法。

“陶瓷3d打印有两种主要的固化成形方法。 一个是光固化，另一个是粉末的烧结或熔融。 ”。 陈伟表示，粉末烧结是用高能激光直接高温烧结陶瓷粉末，烧结所需的形状，但由于温度比高，容易产生裂纹，精度控制性差。 光固化不仅裂纹缺陷少，印字精度高，而且对多孔结构的细节有很强的手柄能力。

因此，科研小组选择了光固化的方法，开发了光固化3d打印专用的高相纯度正硅酸锂粉体浆料。