深圳大学&核工业西南物理研究院 | 采用3D打印制造核聚变陶瓷部件

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面对未来能源资源匮乏以及化石能源环境污染和温室效应的加剧，可再生能源发展成为当今社会的研究热点。被誉为“人造太阳”和“人类终极能源”的可控核聚变的商业化将有效缓解上述需求。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。作为包层首选氚增殖剂材料，正硅酸锂(Li4SiO4)产氚单元的加工制造为包层技术的实现提供基础。

中国“人造太阳”已获重大进展

通俗说来就是，“人造太阳”是由氢元素的同位素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。氘可由海水提取产量丰富，而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，产氚单元就提供了这个重要核心功能。传统的锂陶瓷产氚单元一般为微球堆积的球床结构，填充率有限，且微球堆积产生的应力集中易造成形变开裂等破坏，成为球床结构和性能均匀稳定性的掣肘。

聚变堆中Li4SiO4陶瓷球床的结构与位置

近日，深圳大学增材制造研究所与核工业西南物理研究院合作，首次提出并报道了基于3D打印一体化自由设计和成形的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，作为聚变堆的氚增殖陶瓷单元，具有重要应用前景。

3D打印正硅酸锂陶瓷单元的方法，是基于光固化专用高相纯度正硅酸锂粉体制造。由于该粉体具有较强的物理化学活性，因此陶瓷浆料在配制过程中采取了特殊处理工艺，并设计打印制造出了一体化无缺陷结构，获得了比传统球床结构更优异的结构稳定性与力学性能，且拥有可调控填充比，不仅克服了球床填充率有限和应力集中引发的可靠性问题，还有望实现产氚效率的大幅提升。

Li4SiO4陶瓷浆料的沉降试验

采用光固化3D打印制造核聚变陶瓷部件极具创新性，因此获得了国际同行的高度评价。该研究将为替代传统球床陶瓷产氚结构提供可能，在聚变堆应用方面极具前景。

光固化3D打印部分正硅酸锂陶瓷产氚单元

实际上，这已经不是深圳大学第一次围绕核聚变部件展开增材制造研究。2019年，该校研究团队围绕聚变堆第一壁CLF-1钢构件进行了SLM工艺制造，首次将非均质双/多模组织设计思路引入到SLM成形高强韧RAFM钢的开发，其综合强韧性显著优于目前的RAFM钢。该工作为3D打印高强韧RAFM钢的结构设计提供了重要的理论依据和技术指导，促进了聚变堆关键部件组织性能可控的一体化成型。

深圳大学增材制造研究所简介

深圳大学增材制造研究所成立于2016年，现有教职工6名，博士后8人，研究生40余人。主要从事面向科学基础和工程应用的增材制造研究，涵盖了材料、工艺、装备和应用等各方面。研究所目前拥有各种光固化、低温直写、喷墨打印、激光选区熔化、静电纺丝等增材制造装备，以及各类材料制备处理、性能检测仪器。

研究所瞄准高水平增材制造技术，与国内外相关科研院所和企业建立了良好合作关系。目前研究所已获得国家、省、市各级增材制造相关项目支持，目前研究经费及固定资产近2000万元。

此外，该单位目前正以33-41万的年薪招聘博士后，面向的专业包括高分子化学、材料、数值仿真及其他与3D打印相关的专业，有兴趣的读者可点击原文阅读。

注：本研究为陈张伟教授团队成果，更详细的资料介绍已上传QQ群。

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