英国原子能机构使用电子束与激光熔融技术开发核聚变解决方案

2025年7月，南极熊获悉，The United Kingdom Atomic Energy Authority(英国原子能机构，UKAEA)在其新开设的Central Support Facility(中央支持设施，CSF)中启用了两台采用增材制造的设备，用于为未来核聚变装置制造部件。其中一台是主要用于将钨材料整合到部件中的电子束增材制造设备，另一台则是选择性激光制造设备。



核聚变面临的材料挑战
核聚变有望在全球低碳能源未来中发挥关键作用。未来核聚变发电厂内的部件将必须在复杂且具有挑战性的条件下运行，包括极端温度、高中子负荷和强磁场。因此，这些部件需要复杂的材料组合和精密工程技术。

增材制造技术的独特优势
增材制造技术非常适合生产具有复杂设计的低批量材料，这使其成为核聚变领域的理想选择。每台核聚变装置都将具有高度个性化特点，需要定制部件。因此，UKAEA认为3D打印可以在核聚变的未来中发挥重要作用，并已启用这两台设备来展示两种互补的3D打印方法，用于生产核聚变部件。

为什么说两种技术“互补”？

●技术原理互补
eMELT电子束技术使用高能电子束作为热源熔化金属粉末，特别适合处理高熔点材料如钨。电子束在真空环境中工作，能够产生更高的温度。SLM280激光熔融技术使用高功率激光作为热源，在不同的工作环境中运行，在某些材料和精细结构加工方面具有优势。


△SLM 280 2.0金属3D打印机

●材料处理能力互补
eMELT主要专注于将钨材料整合到部件中，钨是核聚变反应堆中面向等离子体部件的关键材料，具有极高的熔点。SLM280更专注于复杂几何结构的制造和多种材料的组合，适合制造结构复杂但可能不需要特殊高温材料的部件。



●功能应用互补
电子束技术更适合制造那些需要高密度、高强度和特殊材料属性的部件。激光技术在细节精度和表面质量方面可能有优势，适合更精细的几何结构。

由Freemelt制造的eMELT电子束粉末床融合(E-PBF)增材制造设备利用电子束技术将钨粉末结合成接近100%密度的固体部件。eMELT设备将用于将钨层叠到其他材料上，如铜、铬锆、不锈钢和Eurofer 97（一种专为核聚变装置开发的特殊钢材）。

SLM280将用于研究如何生产具有复杂几何形状和材料组合的部件，这些部件对成功的核聚变装置至关重要。SLM280由Nikon SLM制造，由Kingsbury Machine Tools提供，由Additure支持。

这两种3D打印技术主要用于制造面向等离子体的部件。这类部件在运行期间会暴露于极端温度环境中。采用增材制造可替代传统焊接工艺，简化制造流程，减少连接工序。

专家视角
UKAEA制造、安装和维护运营主管Roy Marshall指出："未来核聚变发电厂需要数千甚至数百万个复杂几何形状部件，这些部件必须能承受核聚变环境的极端条件。增材制造对于以商业可行规模开发这些部件至关重要。我们启用的两台互补增材制造设备能证明核聚变部件可按生产规模打印，帮助行业在我们设施中开发原本商业上难以实现的部件。这些设备使部件生产比传统方法更高效。核聚变行业中，我们首次实现在同一设施内拥有电子束和激光两种技术，并能大规模生产部件。"

Freemelt公司EMEA区域经理Viktor Valk表示："我们荣幸支持UKAEA推进核聚变能源商业化的重要工作。Freemelt的eMELT工业机器生产适用于极端条件的钨面向等离子体部件，标志着E-PBF技术在核聚变能源开发中的重要进展。"

Nikon SLM Solutions英国和北欧地区业务总监Christoph Barefoot认为："核聚变代表能源未来，需要大胆创新和可靠合作才能实现。我们的选择性激光熔融技术支持UKAEA使命，使复杂高性能核聚变部件变得可行且可扩展。这一里程碑使我们向商业核聚变和可持续未来迈进。"

中央支持设施功能
CSF将这些技术与专业工作室整合在一个建筑内，配合UKAEA制造支持团队和特殊技术小组，促进团队协作，支持核聚变研究开发。UKAEA正为未来核聚变能源装置的大规模生产做好商业合作准备。设备团队计划首先生产具挑战性的几何结构，探索增材制造材料特性。接下来将进入初始制造阶段，重点研究钨和铜铬锆材料的层叠工艺。

南极熊点评
英国原子能机构引入的这两种增材制造技术是推动核聚变能源发展的重要一步。电子束粉末床融合和选择性激光熔融技术帮助UKAEA制造适应极端环境的高性能部件，优化生产流程。这项创新推动了增材制造在能源领域的应用，加速核聚变能源商业化进程。随着技术成熟和应用扩展，清洁高效的核聚变能源解决方案正逐步成为现实。UKAEA的跨领域技术融合为全球能源挑战提供了新思路。