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《探索 | 英国原子能管理局通过3D打印开发能够耐受聚变反应堆极端条件的部件》

  • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者： 胡思思
  • 发布时间：2025-05-23

  • 5月21日，英国工程设备供应商Kingsbury和金属增材制造公司Additure已受英国原子能管理局 (UKAEA)委托，提供增材制造技术和专业知识，助力英国持续推进聚变能研究。此次合作将支持开发能够耐受聚变反应堆极端条件的部件，重点关注创新材料和设计方法。重点关注的领域之一是使用钨（与铜等材料分层）来实现部件必要的耐久性。为了支持这项工作，Kingsbury 和 Additure 将在英国原子能管理局 (UKAEA) 的设施中交付并安装一台尼康 SLM Solutions SLM 280 2.0 激光粉末床熔融 (LPBF) 系统。Additure 业务发展经理Will Priest 表示："我们很高兴能够支持 UKAEA团队的扩展，我们不仅利用 SLM 280 的 LPBF 功能，还利用增材制造生态系统的所有关键要素，使其成为 UKAEA 和英国聚变计划的强大制造解决方案。


    SLM 280 生产系列系统。图片来自尼康

    SLM Solutions

    英国原子能管理局 (UKAEA) 是英国的国家聚变能研究机构。它是一个由能源安全部和净零项目 (Net Zero)资助的非政府公共执行机构，通过与制造商和供应链合作，引进和扩展商业化聚变能部署所需的技术，从而促进工业聚变能力的提升。

    英国原子能管理局 (UKAEA) 致力于推动增材制造的商业化，并支持英国工业向聚变能源领域转型。我们致力于将复杂的研发领域推向商业化，而我们供应链的建议和支持对于加快这一进程至关重要。UKAEA 制造、安装和维护运营主管 Roy Marshall 表示。


    JET内部叠加等离子体。图片来自英国原子能管理局

    聚变能计划的核心是SLM 280 2.0，这是一款专为高性能应用而设计的LPBF系统，包括难熔金属的开发。SLM 280 2.0系统构建速度比单激光器方案快80%，并集成了粉末筛模块和系统冷却增强功能等安全功能。

    除了设备交付外，Additure 还为英国原子能管理局 (UKAEA) 的研究、材料和设计团队提供全面的技术培训，包括机器设置、构建优化以及特殊功能（例如加热缩小构建体积）的详细指导。




  • 原文来源：https://3dprintingindustry.com/news/ukaea-selects-kingsbury-and-additure-for-fusion-energy-additive-manufacturing-project-239716/
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    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2020-07-23
    • 近年来，人类对能源的依赖日益加深。但是，煤炭、石油和天然气等不可再生资源，并非取之不尽、用之不竭。 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，深圳大学增材制造研究所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（以下简称西南物理研究院）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。 产氚单元就像核聚变反应堆的心脏 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。 目前，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。 另辟蹊径可使产氚效率大幅提升 针对上述问题，2018年，陈张伟和劳长石等人与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。该研究在核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聚变反应技术商业化提供更多可能。 已完成核聚变反应堆关键部件试制 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目标不断努力。 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。在核聚变反应堆中，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西南物理研究院合作，围绕核聚变堆第一壁CLF-1钢构件的选择性激光熔化工艺（SLM，金属材料增材制造中的一种主要技术途径）及其组织性能调控开展了系统研究工作，首次将非均质双/多模组织设计思路引入到SLM成形高强韧低活化马氏体钢（RAFM，为未来核聚变堆研发的钢种）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，促进核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，中国科学院合肥物质科学研究院已经利用3D打印技术实现核聚变堆关键部件——包层第一壁样件的试制。 研究人员以中国低活化马氏体钢（CLAM）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打印技术在核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，使人类在工程技术领域的探索充满想象空间，未来核聚变堆的各个零部件全是由3D打印制造出来的并不是没有可能。
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  • 《当核聚变反应堆遇上3D打印 “人造太阳”有望更快“发光”》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2020-07-21
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