中国科学家利用核燃料3D打印陶瓷结构创造氚
2021-06-09 16:32 作者: 行业资讯

中国3D打印网6月4日讯,中国深圳大学和西南物理研究所的研究人员开发了一种增材制造陶瓷结构的方法,该结构可以排放核反应堆燃料。利用载锂陶瓷和 DLP 3D打印,该团队已经能够创造出能够自给自足产生氚的“繁殖毯”,氚是核聚变过程的重要元素。未来,科学家们的蜂窝设备可以用作实验反应堆中更有效的卵石床版本,有助于推进技术解决全球能源短缺问题。

“我们开发的结构具有高相纯度和适合 [氚] 育种应用的有效‘填充分数’,”科学家在他们的研究中说。 “在 3D 打印的设计和制造中灵活控制的独特优势可能为设计用于核聚变技术的新型定制高性能氚增殖结构的更大可能性铺平道路。”

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科学家们的 3D 打印蜂窝结构旨在取代传统核反应堆中的卵石床

图片来自增材制造期刊

氚的关键核作用

尽管核电比许多现有能源具有潜在的安全性、清洁度和可持续性优势,但该技术的进步在很大程度上依赖于在实验反应堆内进行的研发。在此类研究中,进行所谓的“D-T 反应”(其中消耗氘和氚作为燃料)对于将核聚变转化为可提取能源至关重要。然而,虽然氘资源可以从海水中提取,但地球上无法自然找到氚,因此氚的生产对于提高核反应堆的性能至关重要。目前,氢同位素通常由含锂的“毯子”收集,这些“毯子”有效地与反应堆堆芯内 D-T 反应产生的中子发生碰撞,在此过程中产生氚。

在这些吸收装置中,切向填充的卵石床最常用于促进反应物的释放,但这些装置容易开裂并导致不稳定。为了开发具有更大可裁剪性的卵石床替代品,中国科学家因此采用了 3D 打印,并创建了一种内部接触点较少的集成氚育种解决方案,从而降低了其脆弱性。

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 研究人员的 3D 打印原型(如图)具有中空的集成结构

照片来自增材制造杂志

 3D打印新型燃料“床”

鉴于他们的实验将在室温的相对湿度下进行,科学家们需要开发一种不会与水蒸气发生反应并失去其相纯度的材料。为了实现这一目标,该团队将锂、陶瓷和一氧化硅混合到一个充满惰性氩气氛的手套箱内的树脂基陶瓷“浆料”中。

浆料准备好后,研究人员使用商用 Ceraform100 3D 打印机将其光聚合成细胞原型,然后在后处理过程中对其进行脱脂和烧结。由此产生的相交 10 × 10 × 10 mm3 结构具有 60% 的体积比或“填充率”,类似于当前卵石床中所见。此外,尽管该团队的样品最初外观呈淡黄色,但在脱脂过程中浆料的有机成分被烧毁后,最终部件呈现出更传统的白色。科学家们将模型的尺寸精度描述为“相当好”,后来发现它们的收缩是均匀的,并且通过使用 MES 成像,它们在微尺度上没有裂缝。
       由于原型展示的“无缺陷结构特征”,该团队总结出他们新颖的 3D 打印方法,代表氚育种结构生产中的“有希望”的发展,以及与传统的“有吸引力的替代方案”相比在当前的实验聚变反应堆中看到的卵石床。

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 研究团队 3D 打印样品的 SEM 图像

图片来自增材制造期刊

 3D打印与核应用


随着增材制造的进步继续使生产更耐高温和耐热的零件成为可能,该技术越来越多地用于解决核应用。例如,韩国原子能研究所 (KAERI) 的研究人员 3D 打印了一个具有 IAEA 1 级阻力质量的大型安全阀。

在其他地方,美国能源部在 3D 打印的核潜力方面投入了大量资金,目前正在与橡树岭国家实验室合作制造反应堆堆芯。 被称为转型挑战反应堆 (TCR) 的微型反应堆正在建造,旨在使核工业更容易采用现代技术。

阿贡国家实验室的科学家们也在努力优化核聚变过程,他们已经开发出一种可重复利用高达 97% 的相关废物的方法。 利用 3D 打印,那里的团队创建了一组相互连接的接触器,能够以高达 99.9% 的效率过滤掉杂质。

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