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中國科學家利用核燃料3D打印陶瓷結(jié)構(gòu)創(chuàng)造氚

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中國深圳大學和西南物理研究所的研究人員開發(fā)了一種增材制造陶瓷結(jié)構(gòu)的方法，該結(jié)構(gòu)可以排放核反應堆燃料。利用載鋰陶瓷和DLP 3D打印，該團隊已經(jīng)能夠創(chuàng)造出能夠自給自足產(chǎn)生氚的“繁殖毯”，氚是核聚變過程的重要元素。未來，科學家們的蜂窩設(shè)備可以用作實驗反應堆中更有效的卵石床版本，有助于推進技術(shù)解決全球能源短缺問題。

“我們開發(fā)的結(jié)構(gòu)具有高相純度和適合[氚]育種應用的有效‘填充分數(shù)’，”科學家在他們的研究中說。“在3D打印的設(shè)計和制造中靈活控制的獨特優(yōu)勢可能為設(shè)計用于核聚變技術(shù)的新型定制高性能氚增殖結(jié)構(gòu)的更大可能性鋪平道路。”

科學家們的3D打印蜂窩結(jié)構(gòu)旨在取代傳統(tǒng)核反應堆中的卵石床。圖片來自增材制造期刊。

氚的關(guān)鍵核作用

盡管核電比許多現(xiàn)有能源具有潛在的安全性、清潔度和可持續(xù)性優(yōu)勢，但該技術(shù)的進步在很大程度上依賴于在實驗反應堆內(nèi)進行的研發(fā)。在此類研究中，進行所謂的“D-T反應”（其中消耗氘和氚作為燃料）對于將核聚變轉(zhuǎn)化為可提取能源至關(guān)重要。然而，雖然氘資源可以從海水中提取，但地球上無法自然找到氚，因此氚的生產(chǎn)對于提高核反應堆的性能至關(guān)重要。目前，氫同位素通常由含鋰的“毯子”收集，這些“毯子”有效地與反應堆堆芯內(nèi)D-T反應產(chǎn)生的中子發(fā)生碰撞，在此過程中產(chǎn)生氚。

在這些吸收裝置中，切向填充的卵石床最常用于促進反應物的釋放，但這些裝置容易開裂并導致不穩(wěn)定。為了開發(fā)具有更大可裁剪性的卵石床替代品，中國科學家因此采用了3D打印，并創(chuàng)建了一種內(nèi)部接觸點較少的集成氚育種解決方案，從而降低了其脆弱性。

研究人員的3D打印原型（如圖）具有中空的集成結(jié)構(gòu)。照片來自增材制造雜志。

3D打印新型燃料“床”

鑒于他們的實驗將在室溫的相對濕度下進行，科學家們需要開發(fā)一種不會與水蒸氣發(fā)生反應并失去其相純度的材料。為了實現(xiàn)這一目標，該團隊將鋰、陶瓷和一氧化硅混合到一個充滿惰性氬氣氛的手套箱內(nèi)的樹脂基陶瓷“漿料”中。

漿料準備好后，研究人員使用商用Ceraform100 3D打印機將其光聚合成細胞原型，然后在后處理過程中對其進行脫脂和燒結(jié)。由此產(chǎn)生的相交10×10×10 mm3結(jié)構(gòu)具有60%的體積比或“填充率”，類似于當前卵石床中所見。此外，盡管該團隊的樣品最初外觀呈淡黃色，但在脫脂過程中漿料的有機成分被燒毀后，最終部件呈現(xiàn)出更傳統(tǒng)的白色。科學家們將模型的尺寸精度描述為“相當好”，后來發(fā)現(xiàn)它們的收縮是均勻的，并且通過使用MES成像，它們在微尺度上沒有裂縫。

由于原型展示的“無缺陷結(jié)構(gòu)特征”，該團隊總結(jié)出他們新穎的3D打印方法，代表氚育種結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中的“有希望”的發(fā)展，以及與傳統(tǒng)的“有吸引力的替代方案”相比在當前的實驗聚變反應堆中看到的卵石床。