全国能源信息平台|“人造太阳”向终极能源再进一步大胆创新3D打印解决核心问题【能源人都在看

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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。
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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采访人员。

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