面對(duì)未來(lái)能源資源匱乏以及化石能源環(huán)境污染和溫室效應(yīng)的加劇，可再生能源發(fā)展成為當(dāng)今社會(huì)的研究熱點(diǎn)。被譽(yù)為“人造太陽(yáng)”和“人類終極能源”的可控核聚變的商業(yè)化將有效緩解上述需求。作為磁約束聚變堆的一個(gè)重要組件，固態(tài)產(chǎn)氚包層是聚變能商業(yè)化應(yīng)用前需要解決的核心問(wèn)題之一。作為包層首選氚增殖劑材料，正硅酸鋰(Li4SiO4)產(chǎn)氚單元的加工制造為包層技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)。

中國(guó)“人造太陽(yáng)”已獲重大進(jìn)展

通俗說(shuō)來(lái)就是，“人造太陽(yáng)”是由氫元素的同位素氘和氚在高溫高壓條件下產(chǎn)生核聚變反應(yīng)并生成大量熱能用于發(fā)電。氘可由海水提取產(chǎn)量豐富，而氚幾乎不存在于自然界，需要靠氦與鋰陶瓷不斷催化反應(yīng)生成，產(chǎn)氚單元就提供了這個(gè)重要核心功能。傳統(tǒng)的鋰陶瓷產(chǎn)氚單元一般為微球堆積的球床結(jié)構(gòu)，填充率有限，且微球堆積產(chǎn)生的應(yīng)力集中易造成形變開(kāi)裂等破壞，成為球床結(jié)構(gòu)和性能均勻穩(wěn)定性的掣肘。

聚變堆中Li4SiO4陶瓷球床的結(jié)構(gòu)與位置

近日，深圳大學(xué)增材制造研究所與核工業(yè)西南物理研究院合作，首次提出并報(bào)道了基于3D打印一體化自由設(shè)計(jì)和成形的復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)正硅酸鋰陶瓷件，有望替代傳統(tǒng)的微球床結(jié)構(gòu)，作為聚變堆的氚增殖陶瓷單元，具有重要應(yīng)用前景。

3D打印正硅酸鋰陶瓷單元的方法，是基于光固化專用高相純度正硅酸鋰粉體制造。由于該粉體具有較強(qiáng)的物理化學(xué)活性，因此陶瓷漿料在配制過(guò)程中采取了特殊處理工藝，并設(shè)計(jì)打印制造出了一體化無(wú)缺陷結(jié)構(gòu)，獲得了比傳統(tǒng)球床結(jié)構(gòu)更優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與力學(xué)性能，且擁有可調(diào)控填充比，不僅克服了球床填充率有限和應(yīng)力集中引發(fā)的可靠性問(wèn)題，還有望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氚效率的大幅提升。

Li4SiO4陶瓷漿料的沉降試驗(yàn)

采用光固化3D打印制造核聚變陶瓷部件極具創(chuàng)新性，因此獲得了國(guó)際同行的高度評(píng)價(jià)。該研究將為替代傳統(tǒng)球床陶瓷產(chǎn)氚結(jié)構(gòu)提供可能，在聚變堆應(yīng)用方面極具前景。

光固化3D打印部分正硅酸鋰陶瓷產(chǎn)氚單元

實(shí)際上，這已經(jīng)不是深圳大學(xué)第一次圍繞核聚變部件展開(kāi)增材制造研究。2019年，該校研究團(tuán)隊(duì)圍繞聚變堆第一壁CLF-1鋼構(gòu)件進(jìn)行了SLM工藝制造，首次將非均質(zhì)雙/多模組織設(shè)計(jì)思路引入到SLM成形高強(qiáng)韌RAFM鋼的開(kāi)發(fā)，其綜合強(qiáng)韌性顯著優(yōu)于目前的RAFM鋼。該工作為3D打印高強(qiáng)韌RAFM鋼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)，促進(jìn)了聚變堆關(guān)鍵部件組織性能可控的一體化成型。

深圳大學(xué)增材制造研究所簡(jiǎn)介

深圳大學(xué)增材制造研究所成立于2016年，現(xiàn)有教職工6名，博士后8人，研究生40余人。主要從事面向科學(xué)基礎(chǔ)和工程應(yīng)用的增材制造研究，涵蓋了材料、工藝、裝備和應(yīng)用等各方面。研究所目前擁有各種光固化、低溫直寫(xiě)、噴墨打印、激光選區(qū)熔化、靜電紡絲等增材制造裝備，以及各類材料制備處理、性能檢測(cè)儀器。

研究所瞄準(zhǔn)高水平增材制造技術(shù)，與國(guó)內(nèi)外相關(guān)科研院所和企業(yè)建立了良好合作關(guān)系。目前研究所已獲得國(guó)家、省、市各級(jí)增材制造相關(guān)項(xiàng)目支持，目前研究經(jīng)費(fèi)及固定資產(chǎn)近2000萬(wàn)元。