面對未來能源資源匱乏以及化石能源環(huán)境污染和溫室效應的加劇，可再生能源發(fā)展成為當今社會的研究熱點。被譽為“人造太陽”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重要組件，固態(tài)產氚包層是聚變能商業(yè)化應用前需要解決的核心問題之一。作為包層首選氚增殖劑材料，正硅酸鋰(Li4SiO4)產氚單元的加工制造為包層技術的實現提供基礎。

中國“人造太陽”已獲重大進展

通俗說來就是，“人造太陽”是由氫元素的同位素氘和氚在高溫高壓條件下產生核聚變反應并生成大量熱能用于發(fā)電。氘可由海水提取產量豐富，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生成，產氚單元就提供了這個重要核心功能。傳統(tǒng)的鋰陶瓷產氚單元一般為微球堆積的球床結構，填充率有限，且微球堆積產生的應力集中易造成形變開裂等破壞，成為球床結構和性能均勻穩(wěn)定性的掣肘。

聚變堆中Li4SiO4陶瓷球床的結構與位置

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

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的物理化學活性，因此陶瓷漿料在配制過程中采取了特殊處理工藝，并設計打印制造出了一體化無缺陷結構，獲得了比傳統(tǒng)球床結構更優(yōu)異的結構穩(wěn)定性與力學性能，且擁有可調控填充比，不僅克服了球床填充率有限和應力集中引發(fā)的可靠性問題，還有望實現產氚效率的大幅提升。

Li4SiO4陶瓷漿料的沉降試驗

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

光固化3D打印部分正硅酸鋰陶瓷產氚單元

實際上，這已經不是深圳大學第一次圍繞核聚變部件展開增材制造研究。2019年，該校研究團隊圍繞聚變堆第一壁CLF-1鋼構件進行了SLM工藝制造，首次將非均質雙/多模組織設計思路引入到SLM成形高強韌RAFM鋼的開發(fā)，其綜合強韌性顯著優(yōu)于目前的RAFM鋼。該工作為3D打印高強韌RAFM鋼的結構設計提供了重要的理論依據和技術指導，促進了聚變堆關鍵部件組織性能可控的一體化成型。

深圳大學增材制造研究所簡介

深圳大學增材制造研究所成立于2016年，現有教職工6名，博士后8人，研究生40余人。主要從事面向科學基礎和工程應用的增材制造研究，涵蓋了材料、工藝、裝備和應用等各方面。研究所目前擁有各種光固化、低溫直寫、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、性能檢測儀器。

研究所瞄準高水平增材制造技術，與國內外相關科研院所和企業(yè)建立了良好合作關系。目前研究所已獲得國家、省、市各級增材制造相關項目支持，目前研究經費及固定資產近2000萬元。