LLNL 研究人員利用3D 打印制造完美點火靶材，推進聚變能源可控

2022 年 12 月，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室 (LLNL)在國家點火裝置 (NIF) 實現(xiàn)了聚變裝置點火測試。這項突破性的實驗旨在確保國家核武器儲備的安全，也帶來了幾乎無限、安全、無碳的聚變能源的希望。據(jù) LLNL 稱，3D 打印技術(shù)提供了一種潛在的解決方案，可以彌補當前努力實現(xiàn)慣性聚變能 (IFE) 發(fā)電廠所存在的科學(xué)技術(shù)差距。

LLNL 慣性聚變能源機構(gòu)計劃(IFE-STAR) 負責(zé)人 Tammy Ma 說道：“現(xiàn)在我們已經(jīng)重復(fù)實現(xiàn)聚變點火，我們實驗室數(shù)十年的專業(yè)知識正在被迅速應(yīng)用以解決核心物理和工程挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)伴隨著建立激光聚變發(fā)電廠所需的聚變生態(tài)系統(tǒng)這一艱巨任務(wù)。點火級靶材的批量生產(chǎn)就是其中之一，而尖端的 3D 打印可以幫助我們實現(xiàn)這一目標?！?/div>

當今的點火靶材是近乎完美的空心鉆石球體，包裹著氘和氚 (DT) 聚變?nèi)剂希瑧腋≡诮鹕珗A柱體（稱為空腔）中。當暴露在強激光能量下時，這些氫同位素會聚變，并產(chǎn)生比啟動反應(yīng)所需的能量更多的能量。點火靶對球體標準度的要求十分高：如果將NIF球體裝置放大到地球大小，那么球體表面存在比洛杉磯好萊塢標志更大的缺陷就會被認定為不合格。

△帶有靶艙的 NIF 全息腔橫截面，放大后可查看細節(jié)。來源：LLNL

雖然 NIF 靶需要數(shù)月才能制造完成，但一座正常運行的核聚變發(fā)電廠每天需要近一百萬個靶材——以每秒十次的速度點火。物理反應(yīng)與 NIF 的點火類似，但靶材的生產(chǎn)需要一種可以大規(guī)模運作的全新方法。

在探索新方法的過程中，實驗室指導(dǎo)的研究與開發(fā) (LDRD) 工作正在 NIF 開發(fā) 3D 打印目標能力。該項目由 James Oakdale 和 Xiaoxing Xia 領(lǐng)導(dǎo)，通過構(gòu)建設(shè)計、制造、表征和部署全 3D 打印燃料膠囊的工作流程來推進增材制造。它還正在開發(fā)一種首創(chuàng)的雙波長雙光子聚合(DW-2PP) 方法，以突破增材制造的當前極限，以滿足點火目標的嚴格工程要求。

聯(lián)合首席研究員兼實驗室材料工程部研究員Xia說：“我們專注于一種特殊類型的濕泡沫膠囊，其中液體 DT 可以通過毛細作用被吸入球形膠囊內(nèi)部的均勻泡沫層中。目前的 DT 冰層分層過程需要長達一周的時間才能極其細致地完成。3D打印可能是這種大規(guī)模復(fù)雜幾何形狀的唯一工具?！?/div>

△用于 NIF 實驗的 3D 打印靶艙。來源：LLNL

此外，新的 DW-2PP 方法將進一步提高打印分辨率并實現(xiàn)多材料打印。如果成功，該項目將解決 3D 打印點火靶材腔體的關(guān)鍵瓶頸。

聯(lián)合首席研究員、實驗室材料科學(xué)部研究員 Oakdale 說道：“我們的 DW-2PP 打印機使用兩種不同波長的光源，以亞微米分辨率選擇性地打印不同的材料。這種新穎的功能使我們能夠精確控制膠囊和內(nèi)部泡沫材料的空間化學(xué)性質(zhì)和密度，這使我們能夠快速響應(yīng)定制或一次性膠囊設(shè)計?！?/div>

這項工作已經(jīng)顯示出良好的前景，3D 打印目標已在 2024 年的兩次 NIF 實驗中成功使用，并且預(yù)計在未來一年還會有更多實驗。

這項技術(shù)是否能成為核聚變能源的解決方案還有待觀察。NIF 實驗中 3D 打印的使用已經(jīng)為國家?guī)齑婀芾碛媱澨峁┝酥匾獢?shù)據(jù)，該計劃利用 NIF 等單一設(shè)施來了解核武器，而無需進行地下試驗。

LLNL NIF 和光子科學(xué)理事會首席副主任 Jeff Wisoff 表示：“開發(fā)核聚變技術(shù)是美國競爭力的一項戰(zhàn)略資產(chǎn)。我們必須投資基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)，以鞏固核聚變點火這一歷史性成就。這樣做不僅可以確保儲備，還可以為核聚變能源革命奠定基礎(chǔ)?！?/div>