中國科學家利用核燃料3D打印陶瓷結構創造氚
時間：2021-06-04 08:19 來源：中國3D打印網 作者：admin 閱讀：次
中國3D打印網6月4日訊，中國深圳大學和西南物理研究所的研究人員開發了一種增材制造陶瓷結構的方法，該結構可以排放核反應堆燃料。利用載鋰陶瓷和 DLP 3D打印，該團隊已經能夠創造出能夠自給自足產生氚的“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，有助于推進技術解決全球能源短缺問題。
“我們開發的結構具有高相純度和適合 [氚] 育種應用的有效‘填充分數’，”科學家在他們的研究中說。 “在 3D 打印的設計和制造中靈活控制的獨特優勢可能為設計用于核聚變技術的新型定制高性能氚增殖結構的更大可能性鋪平道路。”
科學家們的 3D 打印蜂窩結構旨在取代傳統核反應堆中的卵石床。圖片來自增材制造期刊。
氚的關鍵核作用
盡管核電比許多現有能源具有潛在的安全性、清潔度和可持續性優勢，但該技術的進步在很大程度上依賴于在實驗反應堆內進行的研發。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）對于將核聚變轉化為可提取能源至關重要。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，因此氚的生產對于提高核反應堆的性能至關重要。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 D-T 反應產生的中子發生碰撞，在此過程中產生氚。
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定。為了開發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，并創建了一種內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）具有中空的集成結構。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，科學家們需要開發一種不會與水蒸氣發生反應并失去其相純度的材料。為了實現這一目標，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。由此產生的相交 10 × 10 × 10 mm3 結構具有 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，最終部件呈現出更傳統的白色。科學家們將模型的尺寸精度描述為“相當好”，后來發現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“無缺陷結構特征”，該團隊總結出他們新穎的 3D 打印方法，代表氚育種結構生產中的“有希望”的發展，以及與傳統的“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。
研究團隊 3D 打印樣品的 SEM 圖像。圖片來自增材制造期刊。
“我們開發的結構具有高相純度和適合 [氚] 育種應用的有效‘填充分數’，”科學家在他們的研究中說。 “在 3D 打印的設計和制造中靈活控制的獨特優勢可能為設計用于核聚變技術的新型定制高性能氚增殖結構的更大可能性鋪平道路。”
科學家們的 3D 打印蜂窩結構旨在取代傳統核反應堆中的卵石床。圖片來自增材制造期刊。
氚的關鍵核作用
盡管核電比許多現有能源具有潛在的安全性、清潔度和可持續性優勢，但該技術的進步在很大程度上依賴于在實驗反應堆內進行的研發。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）對于將核聚變轉化為可提取能源至關重要。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，因此氚的生產對于提高核反應堆的性能至關重要。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 D-T 反應產生的中子發生碰撞，在此過程中產生氚。
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定。為了開發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，并創建了一種內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）具有中空的集成結構。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，科學家們需要開發一種不會與水蒸氣發生反應并失去其相純度的材料。為了實現這一目標，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。由此產生的相交 10 × 10 × 10 mm3 結構具有 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，最終部件呈現出更傳統的白色。科學家們將模型的尺寸精度描述為“相當好”，后來發現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“無缺陷結構特征”，該團隊總結出他們新穎的 3D 打印方法，代表氚育種結構生產中的“有希望”的發展，以及與傳統的“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。
研究團隊 3D 打印樣品的 SEM 圖像。圖片來自增材制造期刊。
3D打印與核應用
隨著增材制造的進步繼續使生產更耐高溫和耐熱的零件成為可能，該技術越來越多地用于解決核應用。例如，韓國原子能研究所 (KAERI) 的研究人員 3D 打印了一個具有 IAEA 1 級阻力質量的大型安全閥。
在其他地方，美國能源部在 3D 打印的核潛力方面投入了大量資金，目前正在與橡樹嶺國家實驗室合作制造反應堆堆芯。 被稱為轉型挑戰反應堆 (TCR) 的微型反應堆正在建造，旨在使核工業更容易采用現代技術。
阿貢國家實驗室的科學家們也在努力優化核聚變過程，他們已經開發出一種可重復利用高達 97% 的相關廢物的方法。 利用 3D 打印，那里的團隊創建了一組相互連接的接觸器，能夠以高達 99.9% 的效率過濾掉雜質。
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