LLNL 研究人员利用3D 打印制造完美点火靶材，推进聚变能源可控

2022 年 12 月，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL)在国家点火装置 (NIF) 实现了聚变装置点火测试。这项突破性的实验旨在确保国家核武器储备的安全，也带来了几乎无限、安全、无碳的聚变能源的希望。据 LLNL 称，3D 打印技术提供了一种潜在的解决方案，可以弥补当前努力实现惯性聚变能 (IFE) 发电厂所存在的科学技术差距。

LLNL 惯性聚变能源机构计划(IFE-STAR) 负责人 Tammy Ma 说道：“现在我们已经重复实现聚变点火，我们实验室数十年的专业知识正在被迅速应用以解决核心物理和工程挑战，这些挑战伴随着建立激光聚变发电厂所需的聚变生态系统这一艰巨任务。点火级靶材的批量生产就是其中之一，而尖端的 3D 打印可以帮助我们实现这一目标。”

当今的点火靶材是近乎完美的空心钻石球体，包裹着氘和氚 (DT) 聚变燃料，悬浮在金色圆柱体（称为空腔）中。当暴露在强激光能量下时，这些氢同位素会聚变，并产生比启动反应所需的能量更多的能量。点火靶对球体标准度的要求十分高：如果将NIF球体装置放大到地球大小，那么球体表面存在比洛杉矶好莱坞标志更大的缺陷就会被认定为不合格。

△带有靶舱的 NIF 全息腔横截面，放大后可查看细节。来源：LLNL

虽然 NIF 靶需要数月才能制造完成，但一座正常运行的核聚变发电厂每天需要近一百万个靶材——以每秒十次的速度点火。物理反应与 NIF 的点火类似，但靶材的生产需要一种可以大规模运作的全新方法。

在探索新方法的过程中，实验室指导的研究与开发 (LDRD) 工作正在 NIF 开发 3D 打印目标能力。该项目由 James Oakdale 和 Xiaoxing Xia 领导，通过构建设计、制造、表征和部署全 3D 打印燃料胶囊的工作流程来推进增材制造。它还正在开发一种首创的双波长双光子聚合(DW-2PP) 方法，以突破增材制造的当前极限，以满足点火目标的严格工程要求。

联合首席研究员兼实验室材料工程部研究员Xia说：“我们专注于一种特殊类型的湿泡沫胶囊，其中液体 DT 可以通过毛细作用被吸入球形胶囊内部的均匀泡沫层中。目前的 DT 冰层分层过程需要长达一周的时间才能极其细致地完成。3D打印可能是这种大规模复杂几何形状的唯一工具。”

△用于 NIF 实验的 3D 打印靶舱。来源：LLNL

此外，新的 DW-2PP 方法将进一步提高打印分辨率并实现多材料打印。如果成功，该项目将解决 3D 打印点火靶材腔体的关键瓶颈。

联合首席研究员、实验室材料科学部研究员 Oakdale 说道：“我们的 DW-2PP 打印机使用两种不同波长的光源，以亚微米分辨率选择性地打印不同的材料。这种新颖的功能使我们能够精确控制胶囊和内部泡沫材料的空间化学性质和密度，这使我们能够快速响应定制或一次性胶囊设计。”

这项工作已经显示出良好的前景，3D 打印目标已在 2024 年的两次 NIF 实验中成功使用，并且预计在未来一年还会有更多实验。

这项技术是否能成为核聚变能源的解决方案还有待观察。NIF 实验中 3D 打印的使用已经为国家库存管理计划提供了重要数据，该计划利用 NIF 等单一设施来了解核武器，而无需进行地下试验。

LLNL NIF 和光子科学理事会首席副主任 Jeff Wisoff 表示：“开发核聚变技术是美国竞争力的一项战略资产。我们必须投资基础科学和技术，以巩固核聚变点火这一历史性成就。这样做不仅可以确保储备，还可以为核聚变能源革命奠定基础。”