陶瓷3D打印助力中国实现核聚变应用

2021年5月28日，中科院在合肥的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）创造新的世界纪录，实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行，将1亿摄氏度20秒的原纪录延长了5倍。


△升级改造后的全超导托卡马克核聚变实验装置（EAST）。来源：中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究

△“人造太阳”1.2亿摄氏度成功“燃烧”100秒时，内部的红外影像。来源：中科院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所

这一成果表明EAST装置综合研究能力获得重大突破，标志着我国在稳态高参数磁约束聚变研究领域引领国际前沿。EAST装置上的系列创新研究成果和技术积累，也为我国自主建造聚变工程实验堆提供了坚实的科学技术基础。

据中国科技日报报道，深圳大学增材制造研究所陈张伟和劳长石教授团队，与中核集团核工业西南物理研究院（以下简称西南物理研究院）合作，首次提出并实现了基于3D打印一体化自由设计和成形复杂多孔结构正硅酸锂陶瓷件，有望替代传统的微球床结构，成为新一代产氚器件，展现出重要应用前景。该成果已发表在《增材制造》杂志上。

产氚单元就像核聚变反应堆的心脏

自从核反应被发现以来，人们就在不停地探索核能的有效利用。

目前，越来越多的科学家和能源专家开始将目光投向核聚变。核聚变的原料主要是氢的同位素——氘和氚。氘可以在海水中得到，每升水约含30毫克氘。一座1000兆瓦的核聚变电站，每年耗氘量只需304公斤，按此计算，全球海水中的氘足够人类使用上百亿年。

但是，氚几乎不存在于自然界，需要靠氦与锂陶瓷不断催化反应生成。作为磁约束聚变堆的一个重要组件，固态产氚包层是聚变能商业化应用前需要解决的核心问题之一。

目前，各国科学家首选的氚增殖剂材料是正硅酸锂(Li4SiO4)，通行的方法是将正硅酸锂陶瓷与氦气发生反应产生氚。科学家将实现这一功能的陶瓷部件称为产氚单元。

传统的锂陶瓷产氚单元一般是把正硅酸锂做成直径1毫米左右的微球，并将它们堆积起来，做成球床结构，微球之间的空隙可以注入氦气。

但是，这种产氚单元的填充率有限，而且无法自由调控。此外，微球堆积产生的应力集中，容易造成产氚单元结构形变开裂等破坏，成为球床结构和性能均匀稳定性的掣肘。

一旦产氚单元发生故障，将直接导致聚变反应堆无法平稳运行。因此，科学家一直在尝试优化产氚单元的结构。

另辟蹊径可使产氚效率大幅提升

针对上述问题，2018年，陈张伟和劳长石等人与西南物理研究院另辟蹊径，提出用3D打印正硅酸锂陶瓷单元方法，研制一种全新结构的产氚单元。

但是，3D打印面临的第一个难题就是正硅酸锂对环境特别敏感，极易与水、二氧化碳发生反应，造成物相破坏，成为偏硅酸锂。

“为此，我们从正硅酸锂粉体的存储、可打印的粉体浆料的配制、打印工艺的实现到热处理等过程中，均针对环境变量进行了严苛的约束与把控。例如配制粉体浆料过程就需要在充满惰性气体的手套箱中进行，并且各类添加剂均为不含水且不能与正硅酸锂产生反应的有机溶剂材料。在这样的环境中进行浆料的配制和3D打印，能够确保正硅酸锂的物相稳定。”陈张伟教授告诉科技日报记者。

为了让正硅酸锂粉体浆料经过3D打印出来后，能够迅速固化，就必须选择合适的固化成形方式。

“陶瓷3D打印有两种主要固化成形方式，一种光固化，另一种是粉末烧结或熔化。”陈张伟说，粉末烧结是用高能量激光直接对陶瓷粉末进行高温烧结，烧成所需的形状，但是因为温度比较高，容易产生开裂，而且精度可控性较差。而光固化不仅开裂缺陷较少，打印精度较高，同时对多孔结构细节具有很强的把控能力。

因此，科研团队选择了光固化的方式，并研发出一种光固化3D打印专用高相纯度正硅酸锂粉体浆料。

陈张伟介绍说：“我们在正硅酸锂粉体浆料中混合了经优选过的有机化学添加剂组分，以及小剂量的光敏添加剂，它对特定波长的光敏感，利用405纳米紫外光对浆料进行照射，可以实现浆料的光聚合固化。”

3D打印出来的结构件，再进行高温烧结，在1050摄氏度的环境中烧制8—10小时实现瓷化，就能去除固化结构中的各种添加剂，且不再跟环境中的水和二氧化碳发生反应，“这些化学添加剂是以物理方式添加进去的，不会对正硅酸锂造成破坏。”陈张伟解释道。

采用这种方法打印出来的产氚单元是一体化无缺陷结构，经过测试，克服了球床填充率有限和应力集中引发的可靠性问题，其稳定性、力学性能比传统微球结构提升2倍。

3D打印出来的这种产氚单元的产氚效率也有望获得大大提升。传统的微球结构占空比最高为65%，而3D打印可以根据需要在60%到90%之间灵活调整，正硅酸锂的比表面积也较微球结构得到大幅增加。

国际同行给予高度评价，认为提出的3D打印技术在核聚变核心陶瓷部件的制造与应用极具创新性。该研究在核聚变堆应用方面极具前景，将为替代传统球床陶瓷产氚结构和推动托卡马克核聚变反应技术商业化提供更多可能。

已完成核聚变反应堆关键部件试制

虽然人类距离可控核聚变还有很长的路要走，不过这并不妨碍我们向着目标不断努力。

3D打印作为一种新兴的先进制造方式，颠覆了传统制造模式。3D打印技术可实现复杂结构一体化成形，具有制造周期短、材料利用率高等特点，是复杂构件制造的重要创新方法。在核聚变反应堆中，也逐渐展现出独特的优势。

据陈张伟教授介绍，此前，深圳大学增材制造研究所已与西南物理研究院合作，围绕核聚变堆第一壁CLF-1钢构件的选择性激光熔化工艺（SLM，金属材料增材制造中的一种主要技术途径）及其组织性能调控开展了系统研究工作，首次将非均质双/多模组织设计思路引入到SLM成形高强韧低活化马氏体钢（RAFM，为未来核聚变堆研发的钢种）的开发，基于SLM工艺参数和扫描策略的优化，SLM成形CLF-1钢兼具高强度与高塑性，其综合强韧性显著优于目前文献报道的RAFM钢。

这项研究为3D打印高强韧RAFM钢的结构设计提供重要理论依据和技术指导，促进核聚变堆关键部件组织性能可控的一体化成型。

另据媒体报道，2018年，中科院合肥物质科学研究院已经利用3D打印技术实现核聚变堆关键部件——包层第一壁样件的试制。

研究人员以中国低活化马氏体钢（CLAM）为原材料，打印出来的部件样品尺寸精度符合设计要求，材料的致密度达到99.7%，与传统方法制备的CLAM钢强度相当。同时，研究还发现3D打印的逐层熔化和定向凝固特性导致了不同方向上CLAM钢组织和性能的差异，这种差异未来可以通过扫描方案优化和熔池形核优化等方式有效降低甚至消除。该研究表明，3D打印技术在核聚变堆等先进核能系统复杂构件制造上具有良好的应用前景。

基础科学的日新月异和3D打印技术的不断变革与创新，使人类在工程技术领域的探索充满想象空间，未来核聚变堆的各个零部件全是由3D打印制造出来的并不是没有可能。