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深大团队3D打印新器件 让人造太阳离我们更近一步

据科技日报消息,近日,深圳大学相关团队首次提出并实现了基于3D打印一体化自由设计和成形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,成为新一代产氚器件,展现出重要应用前景。该研究由深圳大学增材制造研究所陈张伟和劳长石教授团队与中核集团核工业西南物理研究院(以下简称西南物理研究院)合作完成,成果已发表在《增材制造》杂志上。

据悉,核聚变的原料主要是氢的同位素——氘和氚。氘可以在海水中得到,全球海水中的氘足够人类使用上百亿年。氚则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。固态产氚包层是磁约束聚变堆的一个重要组件,也是商业化利用核聚变需要解决的核心问题之一。

目前,各国科学家首选的氚增殖剂材料是正硅酸锂(Li4SiO4),通行的方法是将正硅酸锂陶瓷与氦气发生反应产生氚。科学家将实现这一功能的陶瓷部件称为产氚单元。

传统的锂陶瓷产氚单元存在填充率有限、无法自由调控等问题,且在球床结构和性能均匀稳定性方面表现不佳,可能导致聚变反应堆无法平稳运行。为优化产氚单元的结构,2018年,陈张伟和劳长石等人与西南物理研究院提出用3D打印正硅酸锂陶瓷单元方法,研制一种全新结构的产氚单元。

研发过程克服了一系列困难与挑战终于取得了成果,经测试,这种3D打印的这种产氚单元克服了球床填充率有限和应力集中引发的可靠性问题,稳定性、力学性能比传统微球结构提升2倍。与此同时,其产氚效率也有望获得大大提升。传统的微球结构占空比最高为65%,而3D打印可以根据需要在60%到90%之间灵活调整,正硅酸锂的比表面积也较微球结构得到大幅增加。

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