中國科學(xué)家取得核燃料發(fā)射 3D 打印陶瓷突破

來源：中關(guān)村在線

中國深圳大學(xué)和西南物理研究所的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種增材制造陶瓷結(jié)構(gòu)的手段，可以發(fā)射出核反應(yīng)堆燃料。利用負(fù)載鋰的陶瓷和 DLP 3D 打印，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)能夠創(chuàng)造出能夠自我充分產(chǎn)生氚的 " 繁殖毯 "，這是核聚變過程的一個(gè)重要元素。在未來，科學(xué)家們的細(xì)胞裝置可以被用作實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆內(nèi)所見的卵石床的更有效版本，幫助推動(dòng)該技術(shù)解決全球能源短缺問題。

科學(xué)家們在他們的研究中說：" [ 我們的 ] 結(jié)構(gòu)擁有高的相位純度和適合的、可定制的有效 ' 包裝分?jǐn)?shù) '，用于 [ 氚 ] 的培育應(yīng)用。"3D 打印在設(shè)計(jì)和制造方面的靈活控制的獨(dú)特優(yōu)勢，可能為在核聚變技術(shù)中使用的新型定制的高性能氚增殖器結(jié)構(gòu)鋪設(shè)一條有希望的道路。"

科學(xué)家們的 3D 打印細(xì)胞結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)用來取代傳統(tǒng)核反應(yīng)堆內(nèi)的卵石床。圖片來自《增材制造》雜志

氚的關(guān)鍵核作用
盡管核電比許多現(xiàn)有的能源提供了潛在的安全、清潔和可持續(xù)發(fā)展的好處，但該技術(shù)的發(fā)展在很大程度上依賴于在實(shí)驗(yàn)性反應(yīng)堆內(nèi)進(jìn)行的研發(fā)。在這種研究中，進(jìn)行所謂的 "D-T 反應(yīng) "，其中氘和氚作為燃料被消耗，對(duì)于將核聚變轉(zhuǎn)換為可提取的能源至關(guān)重要。

然而，雖然氘資源可以從海水中提取，但地球上無法自然找到氚，因此它的生產(chǎn)已成為推進(jìn)核反應(yīng)堆性能的關(guān)鍵。目前，氫同位素通常由含鋰的 " 毯子 " 收集，這些毯子與反應(yīng)堆堆芯內(nèi) D-T 反應(yīng)產(chǎn)生的中子發(fā)生有效沖突，在此過程中產(chǎn)生氚氣。

在這些吸收裝置中，切向堆積的卵石床最常被用來促進(jìn)反應(yīng)物的釋放，但這些裝置可能容易開裂并導(dǎo)致不穩(wěn)定。因此，為了開發(fā)一種具有更大可定制性的鵝卵石床的替代品，中國科學(xué)家采用了 3D 打印技術(shù)，并創(chuàng)造了一種內(nèi)部接觸點(diǎn)較少的一體化氚孕育解決方案，從而減少其脆弱性。

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)的材料，并失去其相的純度。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，該團(tuán)隊(duì)在一個(gè)充滿惰性氬氣的手套箱內(nèi)將鋰、陶瓷和一氧化硅混合成一種樹脂基陶瓷 " 漿液 "。

一旦他們的漿液準(zhǔn)備好了，研究人員使用商業(yè) Ceraform100 3D 打印機(jī)將其光聚成細(xì)胞原型，然后在后處理過程中對(duì)其進(jìn)行排膠和燒結(jié)。由此產(chǎn)生的 10 × 10 × 10 mm3 的交叉結(jié)構(gòu)的體積比或 " 包裝分?jǐn)?shù) " 為 60%，類似于目前在卵石床中看到的情況。

此外，盡管該團(tuán)隊(duì)的標(biāo)本最初是淡黃色的，但在排膠過程中燒掉泥漿中的有機(jī)成分后，最終的部分呈現(xiàn)出更傳統(tǒng)的白色�？茖W(xué)家們將這些模型的尺寸精度描述為 " 相當(dāng)好 "，后來發(fā)現(xiàn)它們的收縮率是均勻的，并且通過使用 MES 成像，它們在微觀上沒有裂縫。

由于他們的原型所表現(xiàn)出的 " 無缺陷的結(jié)構(gòu)特征 "，研究小組得出結(jié)論，他們的新型 3D 打印方法代表了氚孕育結(jié)構(gòu)生產(chǎn)的一個(gè) " 有前途的 " 發(fā)展，并且與目前實(shí)驗(yàn)性聚變反應(yīng)堆中的傳統(tǒng)卵石床相比是一個(gè) " 有吸引力的替代方案 "。

研究小組的 3D 打印樣品的 SEM 圖像。圖片來自《增材制造》雜志。

3D 打印進(jìn)入核領(lǐng)域
隨著增材制造的進(jìn)展繼續(xù)使更多的溫度和耐熱部件的生產(chǎn)成為可能，該技術(shù)正越來越多地被用于解決核應(yīng)用。例如，韓國原子能研究所（KAERI）的研究人員已經(jīng) 3D 打印了一個(gè)大型安全閥，具有 IAEA 1 級(jí)抗性。

在其他地方，美國能源部對(duì) 3D 打印的核潛力進(jìn)行了大量投資，它目前正與橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室合作制造一個(gè)反應(yīng)堆核心。被稱為轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)反應(yīng)堆（TCR）的微反應(yīng)堆正在建造中，以使核工業(yè)更容易采用現(xiàn)代技術(shù)。

阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們也在努力優(yōu)化核聚變過程，他們已經(jīng)開發(fā)出一種可以重復(fù)利用高達(dá) 97% 的相關(guān)廢物的方法。利用 3D 打印技術(shù)，那里的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一套相互連接的接觸器，能夠以高達(dá) 99.9% 的效率過濾掉雜質(zhì)。

研究人員的發(fā)現(xiàn)在他們題為 "3D 打印陶瓷細(xì)胞結(jié)構(gòu)的潛在核聚變應(yīng)用 " 的論文中得到了詳細(xì)說明。該研究由劉宇、陳章偉、李俊杰、龔保平、王龍、勞長石、王培、劉長勇、馮永進(jìn)和王曉宇共同撰寫。