核技术！3D打印新突破

随着核技术的发展，可控制的核聚变反应堆，即人工太阳和人类最终能源，可以为人力资源提供清洁能源，造福子孙后代。该技术性的关键原理是重氢和氚在超高压下造成聚变反应，很多能源运用于发电量。

近年来，深圳大学附加材料制造研究所陈张伟和鲁长石团队与我国核电集团西南核物理研究所（以下简称西南物理研究所）合作，首次提出并实现了基于三维技术的正硅酸锂复杂多孔结构的自由设计和形成，以取代传统的微床结构，成为新一代氚生产装置。研究结果已经发表在加工材料杂志上。

氚单元就像核聚变反应堆的核心

自从发现核反应以来，人们一直在不断探索有效利用核能。

现在寻求核聚变的科学家和能源专门人才正在增加。核聚变的主要原料是氢-氘和氚。在海水中可以得到氘，其中每升含有30毫克氘。a1000兆瓦核聚变发电厂，每年只消耗304公斤氘，据估计，世界海洋中的氘足以持续数十亿年。

然而，氚在自然界中几乎不存在，需要氦和锂陶瓷的连续催化反应产生。固态氚涂层作为磁约束聚变反应器的重要组成部分，是聚变能工业应用前需要解决的关键问题之一。

正硅酸锂是目前最重要的氚添加剂之一。科学家称这些陶瓷元件为实现这一功能的氚生产单元。

传统的锂陶瓷制氚装置通常将正硅酸锂制成直径约1mm的球体，并将其堆积成球形床层结构。

但是，这种氚生产装置的充填速率有限，不能自由调节。此外，微球堆积引起的应力集中容易造成产氚单元结构的变形和开裂等破坏，成为制约球形床结构和稳定性的因素。

一旦氚装置发生故障，核聚变反应会顺利运行。所以科学家们一直在努力优化氚生产装置的结构。

提高氚生产效率的新途径

为了解决这些问题，2018年，陈张伟、鲁长石和西南物理研究所通过对正硅酸锂陶瓷装置的三维技术，为研制一种新型的氚生产装置开辟了。

然而，3D打印的第一个问题是，正硅酸锂对环境特别敏感，而且容易与水和二氧化碳发生反应，导致相位破坏，成为正硅酸锂。

为此，我们从储存正硅酸锂粉末、制备可打印粉末浆料、实现印刷技术到热处理，所有环境变量都要严格约束和控制。

例如，粉末浆的制备过程需要在充满惰性气体的手套箱中进行，添加剂是无水的有机溶剂，不能与正硅酸锂发生反应。在这样的环境中制备和三维技术可以保证硅酸锂相的稳定性。

为了使正硅酸锂粉末糊经三维技术后制成，需要选择合适的固化形式。

陶瓷3D打印有两种主要的固化形式，一种是光固化，另一种是粉末烧结或熔融。粉末烧结是用高能激光在高温下直接烧结陶瓷粉末，但由于高温，易裂纹，精度差，陈说。光固化不仅具有开裂缺陷少、印刷精度高等优点，而且对多孔结构细节具有较强的控制能力。

因此，研究小组选择了光固化的方法，开发了一种特殊的高相纯硅酸锂粉末，用于3D打印。

我们已经将优化的有机化学添加剂混合在正硅酸锂泥浆中，以及小剂量的光敏添加剂，这些添加剂对特定波长的光敏感，可以用405纳米紫外光进行光聚合。

3d印刷结构，在高温高温下在1050摄氏度烧结8-10小时，可以去除固化结构中的添加剂，不再与环境中的水和二氧化碳发生反应。

采用该方法印制的氚生产装置是一个集成的、无缺陷的结构，克服了球形床填充速率和应力集中引起的可靠性问题，使氚生产装置的稳定性和力学性能提高了传统微球的两倍。

这种3d生产的氚装置的产氚效率也有望大大提高。传统的微球结构为65%，3D打印可根据需要调整60%～90%。

国际同事给出了高度评价，提出的3D打印技术在核聚变核心陶瓷零件制造和应用方面是非常创新的。该研究对聚变反应器的应用前景广阔，为取代传统球层蜂窝混合双打氚结构促进托卡马克聚变反应技术的商业化提供了更多的可能性。

完成核聚变反应堆关键部件的试点生产

尽管人类还有很长的路要走可控制的核聚变，但这并不妨碍我们朝着我们的目标努力。

3D打印作为一种新的先进制造模式，颠覆了传统的制造模式。3D打印技术能够实现复杂结构的集成，具有制造周期短、材料利用率高的特点，是复杂零件制造的重要创新方法。在核聚变反应堆中，它逐渐显示出独特的优势。

根据深圳大学材料制造和研究所陈章伟教授的说法，一直在与西南物理学院合作研究核聚变反应堆第一壁的选择性激光熔炼过程（slm，金属材料制造的主要技术途径）及其微观结构和性能。

本研究为3D打印高强韧性钢的结构设计提供了重要的理论依据和技术指导。

据媒体报道，2018年，合肥材料科学研究所利用三维技术技术实现了核聚变反应堆关键部件涂层第一壁试验。

科学研究工作人员以我国低特异性奥氏体钢(clam)为原料，试品规格考虑设置规定，原材料相对密度做到99.7%，传统式方式制取的蚌钢抗压强度同样。同时发现，3D打印的逐层熔化和定向凝固导致了不同方向的蚌钢组织和性能的差异。

研究表明，3D打印技术在核电系统（如核聚变反应堆）中的复杂元件制造中具有很好的应用前景。

随着基础科学和3D打印技术的不断变革和创新，人类对工程技术的探索充满了想象力。