英國(guó)原子能機(jī)構(gòu)使用電子束與激光熔融技術(shù)開發(fā)核聚變解決方案

2025年7月，南極熊獲悉，The United Kingdom Atomic Energy Authority(英國(guó)原子能機(jī)構(gòu)，UKAEA)在其新開設(shè)的Central Support Facility(中央支持設(shè)施，CSF)中啟用了兩臺(tái)采用增材制造的設(shè)備，用于為未來核聚變裝置制造部件。其中一臺(tái)是主要用于將鎢材料整合到部件中的電子束增材制造設(shè)備，另一臺(tái)則是選擇性激光制造設(shè)備。



核聚變面臨的材料挑戰(zhàn)
核聚變有望在全球低碳能源未來中發(fā)揮關(guān)鍵作用。未來核聚變發(fā)電廠內(nèi)的部件將必須在復(fù)雜且具有挑戰(zhàn)性的條件下運(yùn)行，包括極端溫度、高中子負(fù)荷和強(qiáng)磁場(chǎng)。因此，這些部件需要復(fù)雜的材料組合和精密工程技術(shù)。

增材制造技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)
增材制造技術(shù)非常適合生產(chǎn)具有復(fù)雜設(shè)計(jì)的低批量材料，這使其成為核聚變領(lǐng)域的理想選擇。每臺(tái)核聚變裝置都將具有高度個(gè)性化特點(diǎn)，需要定制部件。因此，UKAEA認(rèn)為3D打印可以在核聚變的未來中發(fā)揮重要作用，并已啟用這兩臺(tái)設(shè)備來展示兩種互補(bǔ)的3D打印方法，用于生產(chǎn)核聚變部件。

為什么說兩種技術(shù)“互補(bǔ)”？

●技術(shù)原理互補(bǔ)
eMELT電子束技術(shù)使用高能電子束作為熱源熔化金屬粉末，特別適合處理高熔點(diǎn)材料如鎢。電子束在真空環(huán)境中工作，能夠產(chǎn)生更高的溫度。SLM280激光熔融技術(shù)使用高功率激光作為熱源，在不同的工作環(huán)境中運(yùn)行，在某些材料和精細(xì)結(jié)構(gòu)加工方面具有優(yōu)勢(shì)。


△SLM 280 2.0金屬3D打印機(jī)

●材料處理能力互補(bǔ)
eMELT主要專注于將鎢材料整合到部件中，鎢是核聚變反應(yīng)堆中面向等離子體部件的關(guān)鍵材料，具有極高的熔點(diǎn)。SLM280更專注于復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的制造和多種材料的組合，適合制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜但可能不需要特殊高溫材料的部件。



●功能應(yīng)用互補(bǔ)
電子束技術(shù)更適合制造那些需要高密度、高強(qiáng)度和特殊材料屬性的部件。激光技術(shù)在細(xì)節(jié)精度和表面質(zhì)量方面可能有優(yōu)勢(shì)，適合更精細(xì)的幾何結(jié)構(gòu)。

由Freemelt制造的eMELT電子束粉末床融合(E-PBF)增材制造設(shè)備利用電子束技術(shù)將鎢粉末結(jié)合成接近100%密度的固體部件。eMELT設(shè)備將用于將鎢層疊到其他材料上，如銅、鉻鋯、不銹鋼和Eurofer 97（一種專為核聚變裝置開發(fā)的特殊鋼材）。

SLM280將用于研究如何生產(chǎn)具有復(fù)雜幾何形狀和材料組合的部件，這些部件對(duì)成功的核聚變裝置至關(guān)重要。SLM280由Nikon SLM制造，由Kingsbury Machine Tools提供，由Additure支持。

這兩種3D打印技術(shù)主要用于制造面向等離子體的部件。這類部件在運(yùn)行期間會(huì)暴露于極端溫度環(huán)境中。采用增材制造可替代傳統(tǒng)焊接工藝，簡(jiǎn)化制造流程，減少連接工序。

專家視角
UKAEA制造、安裝和維護(hù)運(yùn)營(yíng)主管Roy Marshall指出："未來核聚變發(fā)電廠需要數(shù)千甚至數(shù)百萬(wàn)個(gè)復(fù)雜幾何形狀部件，這些部件必須能承受核聚變環(huán)境的極端條件。增材制造對(duì)于以商業(yè)可行規(guī)模開發(fā)這些部件至關(guān)重要。我們啟用的兩臺(tái)互補(bǔ)增材制造設(shè)備能證明核聚變部件可按生產(chǎn)規(guī)模打印，幫助行業(yè)在我們?cè)O(shè)施中開發(fā)原本商業(yè)上難以實(shí)現(xiàn)的部件。這些設(shè)備使部件生產(chǎn)比傳統(tǒng)方法更高效。核聚變行業(yè)中，我們首次實(shí)現(xiàn)在同一設(shè)施內(nèi)擁有電子束和激光兩種技術(shù)，并能大規(guī)模生產(chǎn)部件。"

Freemelt公司EMEA區(qū)域經(jīng)理Viktor Valk表示："我們榮幸支持UKAEA推進(jìn)核聚變能源商業(yè)化的重要工作。Freemelt的eMELT工業(yè)機(jī)器生產(chǎn)適用于極端條件的鎢面向等離子體部件，標(biāo)志著E-PBF技術(shù)在核聚變能源開發(fā)中的重要進(jìn)展。"

Nikon SLM Solutions英國(guó)和北歐地區(qū)業(yè)務(wù)總監(jiān)Christoph Barefoot認(rèn)為："核聚變代表能源未來，需要大膽創(chuàng)新和可靠合作才能實(shí)現(xiàn)。我們的選擇性激光熔融技術(shù)支持UKAEA使命，使復(fù)雜高性能核聚變部件變得可行且可擴(kuò)展。這一里程碑使我們向商業(yè)核聚變和可持續(xù)未來邁進(jìn)。"

中央支持設(shè)施功能
CSF將這些技術(shù)與專業(yè)工作室整合在一個(gè)建筑內(nèi)，配合UKAEA制造支持團(tuán)隊(duì)和特殊技術(shù)小組，促進(jìn)團(tuán)隊(duì)協(xié)作，支持核聚變研究開發(fā)。UKAEA正為未來核聚變能源裝置的大規(guī)模生產(chǎn)做好商業(yè)合作準(zhǔn)備。設(shè)備團(tuán)隊(duì)計(jì)劃首先生產(chǎn)具挑戰(zhàn)性的幾何結(jié)構(gòu)，探索增材制造材料特性。接下來將進(jìn)入初始制造階段，重點(diǎn)研究鎢和銅鉻鋯材料的層疊工藝。

南極熊點(diǎn)評(píng)
英國(guó)原子能機(jī)構(gòu)引入的這兩種增材制造技術(shù)是推動(dòng)核聚變能源發(fā)展的重要一步。電子束粉末床融合和選擇性激光熔融技術(shù)幫助UKAEA制造適應(yīng)極端環(huán)境的高性能部件，優(yōu)化生產(chǎn)流程。這項(xiàng)創(chuàng)新推動(dòng)了增材制造在能源領(lǐng)域的應(yīng)用，加速核聚變能源商業(yè)化進(jìn)程。隨著技術(shù)成熟和應(yīng)用擴(kuò)展，清潔高效的核聚變能源解決方案正逐步成為現(xiàn)實(shí)。UKAEA的跨領(lǐng)域技術(shù)融合為全球能源挑戰(zhàn)提供了新思路。