近日，深圳大學(xué)相關(guān)團(tuán)隊首次提出并實現(xiàn)了基于3D打印一體化自由設(shè)計和成形復(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)，成為新一代產(chǎn)氚器件，展現(xiàn)出重要應(yīng)用前景。該研究由深圳大學(xué)增材制造研究所陳張偉和勞長石教授團(tuán)隊與中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院(以下簡稱西南物理研究院)合作完成，成果已發(fā)表在《增材制造》雜志上。

據(jù)悉，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，全球海水中的氘足夠人類使用上百億年。氚則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。固態(tài)產(chǎn)氚包層是磁約束聚變堆的一個重要組件，也是商業(yè)化利用核聚變需要解決的核心問題之一。

目前，各國科學(xué)家首選的氚增殖劑材料是正硅酸鋰(Li4SiO4)，通行的方法是將正硅酸鋰陶瓷與氦氣發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生氚?？茖W(xué)家將實現(xiàn)這一功能的陶瓷部件稱為產(chǎn)氚單元。

傳統(tǒng)的鋰陶瓷產(chǎn)氚單元存在填充率有限、無法自由調(diào)控等問題，且在球床結(jié)構(gòu)和性能均勻穩(wěn)定性方面表現(xiàn)不佳，可能導(dǎo)致聚變反應(yīng)堆無法平穩(wěn)運行。為優(yōu)化產(chǎn)氚單元的結(jié)構(gòu)，2018年，陳張偉和勞長石等人與西南物理研究院提出用3D打印正硅酸鋰陶瓷單元方法，研制一種全新結(jié)構(gòu)的產(chǎn)氚單元。

研發(fā)過程克服了一系列困難與挑戰(zhàn)終于取得了成果，經(jīng)測試，這種3D打印的這種產(chǎn)氚單元克服了球床填充率有限和應(yīng)力集中引發(fā)的可靠性問題，穩(wěn)定性、力學(xué)性能比傳統(tǒng)微球結(jié)構(gòu)提升2倍。與此同時，其產(chǎn)氚效率也有望獲得大大提升。傳統(tǒng)的微球結(jié)構(gòu)占空比最高為65%，而3D打印可以根據(jù)需要在60%到90%之間靈活調(diào)整，正硅酸鋰的比表面積也較微球結(jié)構(gòu)得到大幅增加。