「人造太陽」有望更快「發光」

——當核聚變反應堆遇上3D列印

近年來，人類對能源的依賴日益加深。但是，煤炭、石油和天然氣等不可再生資源，並非取之不盡、用之不竭。

有沒有可能一勞永逸地破解人類能源短缺的困局？

隨著核技術日漸成熟，被譽為「人造太陽」和「人類終極能源」的可控核聚變反應堆，或有可能為人類源源不斷地提供清潔能源、造福後代子孫。這項技術的主要原理是氘和氚在高溫高壓條件下產生核聚變反應，並生成大量熱能用於發電。

近日，深圳大學增材製造研究所陳張偉和勞長石教授團隊，與中核集團核工業西南物理研究院（以下簡稱西南物理研究院）合作，首次提出並實現了基於3D列印一體化自由設計和成形複雜多孔結構正矽酸鋰陶瓷件，有望替代傳統的微球床結構，成為新一代產氚器件，展現出重要應用前景。該成果已發表在《增材製造》雜誌上。

產氚單元就像

核聚變反應堆的心臟

自從核反應被發現以來，人們就在不停地探索核能的有效利用。

目前，越來越多的科學家和能源專家開始將目光投向核聚變。核聚變的原料主要是氫的同位素——氘和氚。氘可以在海水中得到，每升水約含30毫克氘。一座1000兆瓦的核聚變電站，每年耗氘量只需304公斤，按此計算，全球海水中的氘足夠人類使用上百億年。

但是，氚幾乎不存在於自然界，需要靠氦與鋰陶瓷不斷催化反應生成。作為磁約束聚變堆的一個重要組件，固態產氚包層是聚變能商業化應用前需要解決的核心問題之一。

目前，各國科學家首選的氚增殖劑材料是正矽酸鋰（Li4SiO4），通行的方法是將正矽酸鋰陶瓷與氦氣發生反應產生氚。科學家將實現這一功能的陶瓷部件稱為產氚單元。

傳統的鋰陶瓷產氚單元一般是把正矽酸鋰做成直徑1毫米左右的微球，並將它們堆積起來，做成球床結構，微球之間的空隙可以注入氦氣。

但是，這種產氚單元的填充率有限，而且無法自由調控。此外，微球堆積產生的應力集中，容易造成產氚單元結構形變開裂等破壞，成為球床結構和性能均勻穩定性的掣肘。

一旦產氚單元發生故障，將直接導致聚變反應堆無法平穩運行。因此，科學家一直在嘗試優化產氚單元的結構。

另闢蹊徑

可使產氚效率大幅提升

針對上述問題，2018年，陳張偉和勞長石等人與西南物理研究院另闢蹊徑，提出用3D列印正矽酸鋰陶瓷單元方法，研製一種全新結構的產氚單元。

但是，3D列印面臨的第一個難題就是正矽酸鋰對環境特別敏感，極易與水、二氧化碳發生反應，造成物相破壞，成為偏矽酸鋰。

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文章摘自《科學導報》

http://www.qikan.com/articleinfo/kxzw20204718.html

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