有没有可能一劳永逸地破解人类能源短缺的困局?

随着核技术日渐成熟，被誉为“人造太阳”和“人类终极能源”的可控核聚变反应堆，或有可能为人类源源不断地提供清洁能源、造福后代子孙。

这项技术的主要原理就是氘和氚在高温高压条件下产生核聚变反应，并生成大量热能用于发电。

近日，深圳大学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。

“人造太阳”向终极能源再进一步

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。

核能可以通过三种核反应释放。其中，核裂变是指较重的原子核分裂释放结合能，比如原子弹爆炸;核聚变是指较轻的原子核聚合在一起释放结合能，比如氢弹爆炸;核衰变是指原子核自发衰变过程中释放能量，因其通常是一个缓慢的过程，释放的能量量级也较低。

目前，受控核裂变技术已经实现了商用化，全世界大约16%的电能是由核反应堆生产的，有9个国家的40%多的能源生产来自核能。

但核电站发电的安全风险始终是挥之不去的阴影。而且，裂变需要的铀等重金属元素在地球上含量稀少，而且常规裂变反应堆会产生放射性较强的核废料。

正因如此，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。

大胆创新3D打印解决核心问题

针对上述问题，2018年，深圳大学增材制造研究所陈张伟和劳长石教授等人与中核集团核工业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。”陈张伟解释说道。

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。本研究在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核聚变反应技术商业化提供更多可能。

3D打印还能为聚变堆打什么

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可控核聚变不断努力。

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中核集团核工业西南物理研究院合作，围绕聚变堆第一壁CLF-1钢构件的SLM工艺及其组织性能调控开展了系统工作，首次将非均质双/多模组织设计思路引入到SLM成形高强韧RAFM钢的开发，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打印技术实现聚变堆关键部件——包层第一壁样件的试制。

研究人员以CLAM钢为原材料，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，使人类工程探索充满想象空间，未来聚变堆的各个零部件全是由3D打印制造出来的也不是没有可能。