张伟/科技日报
近年来，人类越来越依赖能源。然而，煤炭、石油和天然气等不可再生资源并非取之不尽。
有可能一劳永逸地解决人类能源短缺的困境吗？
随着核技术的发展，被称为“人造太阳”和“人类终极能源”的可控核聚变反应堆将为人类提供清洁能源，造福子孙后代。这项技术的主要原理是氘和氚在高温高压下发生核聚变反应，产生大量热能用于发电。
近日，深圳大学添加剂制造研究所陈、老昌石教授团队与中国核工业集团公司西南核工业物理研究所(以下简称西南物理研究所)合作，首次提出并实现了基于3D打印集成的复杂多孔结构正硅酸锂陶瓷零件的自由设计与成型，有望取代传统的微球床结构，成为新一代氚生产装置，显示出重要的应用前景。这一成果已发表在《增材制造》杂志上。
产氚单元就像核聚变反应堆的心脏
自从发现核反应以来，人们一直在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关注核聚变。核聚变的原料主要是氢同位素——氘和氚。氘可以在海水中获得，海水中每升水含约30毫克氘。一座1000兆瓦的核聚变发电站每年仅消耗304千克氘。根据这一计算，全球海水中的氘足够人类使用数十亿年。
然而，氚在自然界中几乎不存在，需要通过氦和锂陶瓷之间的连续催化反应来产生。固体产氚包层作为磁约束聚变堆的重要组成部分，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材料是正硅酸锂(Li4SiO4)，主要方法是正硅酸锂陶瓷与氦反应生成氚。科学家称实现这一功能的陶瓷元件为氚生产单元。
在传统的锂陶瓷氚生产装置中，通常将正硅酸锂制成直径约为1毫米的微球，将微球堆积成球形床结构，并在微球之间注入氦气。
然而，这种氚生产装置的填充率是有限的，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，制约了卵石层结构和性能的均匀稳定。
一旦氚生产装置出现故障，聚变反应堆将无法平稳运行。因此，科学家们一直在努力优化氚生产装置的结构。
另一种方法可以大大提高氚的生产效率
针对上述问题，2018年，陈、老昌石等人与西南物理研究所采取不同的方法，提出了以3D打印正硅酸锂陶瓷单元的方法，开发出一种全新结构的氚生产单元。
然而，3D打印面临的第一个问题是原硅酸锂对环境特别敏感，并且容易与水和二氧化碳反应，导致相损害并变成硅酸锂。
“为此，我们严格限制和控制了环境变量，包括正硅酸锂粉末的储存、可印刷粉末浆料的制备、印刷工艺的实现和热处理。例如，制备粉末浆料的过程需要在充满惰性气体的手套箱中进行，并且所有种类的添加剂都是不含水并且不能与正硅酸锂反应的有机溶剂材料。在这种环境下制备浆料和3D打印可以确保正硅酸锂的相稳定性。”陈教授告诉《科技日报》记者。
为了使正硅酸锂粉体浆料在3D打印后快速固化，有必要选择合适的方法
"陶瓷3D打印有两种主要的固化方法，一种是光固化，另一种是粉末烧结或熔化."陈说，粉末烧结是用高能激光在高温下直接烧结陶瓷粉末，使陶瓷粉末烧结成所需形状。然而，由于温度相对较高，容易发生开裂，并且精度可控性差。然而，光固化不仅具有较少的开裂缺陷和较高的印刷精度，而且具有很强的控制多孔结构细节的能力。
因此，研究团队选择了光固化方法，开发了一种用于光固化3D打印的高相纯度正硅酸锂粉体浆料。
陈说：“我们已经将优化的有机化学添加剂组分和少量光敏添加剂混合到正硅酸锂粉末浆料中。它对特定波长的光敏感，并且浆料被405纳米紫外光照射。可以实现浆料的光聚合固化。”
将3D打印的结构件在高温下烧结，在1050摄氏度下烧制8-10小时，实现瓷质化，可去除固化结构中的各种添加剂，不再与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的，不会对正硅酸锂造成损害."陈向解释道。
用这种方法印制的氚生产装置是一个完整的无缺陷结构。经测试，克服了球床填充率有限和应力集中带来的可靠性问题，其稳定性和力学性能比传统微球结构提高了2倍。
这种3D打印氚生产装置的氚生产效率也有望大大提高。传统微球结构的占空比高达65%，而3D打印可以根据需要在60%和90%之间灵活调整，正硅酸锂的比表面积比微球结构大大增加。
国际同行高度赞扬在核聚变堆芯陶瓷部件的制造和应用中提出的3D打印技术。该研究在核聚变反应堆的应用中具有广阔的前景，将为替代传统的球床陶瓷氚生产结构和促进托卡马克核聚变反应技术的商业化提供更多的可能性。
已完成核聚变反应堆关键部件试制
尽管人类离受控核聚变还有很长的路要走，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方法，颠覆了传统的制造模式。三维打印技术可以实现复杂结构的集成成形，具有制造周期短、材料利用率高的特点，是制造复杂零件的重要创新方法。在核聚变反应堆中，它也逐渐显示出其独特的优势。
据陈教授介绍，深圳大学添加剂制造研究所与西南物理研究所合作，对核聚变反应堆第一壁-1钢构件选择性激光熔化工艺(SLM，金属材料添加剂制造的主要技术途径)及其组织和性能规律进行了系统研究。首次将非均质双/多模式显微组织设计的思想引入到SLM成形高强低活化马氏体钢(RAFM，基于SLM工艺参数和扫描策略的优化，SLM成形的CLF-1钢具有高强度高塑性，其综合强度和韧性明显优于目前文献报道的RAFM钢。
该研究为三维印刷高强度RAFM钢的结构设计提供了重要的理论依据和技术指导，促进了组织和性能可控的核聚变反应堆关键部件的整体成型。
据媒体报道，2018年，中国科学院合肥材料科学研究所利用3D打印技术，实现了核聚变反应堆关键部件——包层首个壁样品的试制。
研究人员采用中国低活化马氏体钢(CLAM)为原料，印刷件样品尺寸精度满足设计要求，材料密度达到99.7%，与传统方法制备的CLAM钢强度相当。同时，还发现逐层熔化和
随着基础科学的快速发展和3D打印技术的不断改革和创新，人类在工程技术领域的探索充满了想象力。核聚变反应堆的所有部件在未来都可以通过3D打印来制造。
