First Light Fusion測(cè)試核聚變3D打印鉭靶，可承受437GPa的壓力

2025年7月16日，南極熊獲悉，英國(guó)聚變公司First Light Fusion與愛爾蘭醫(yī)療設(shè)備制造商Croom Medical合作，利用增材制造技術(shù)為高壓聚變硬件生產(chǎn)鉭組件。據(jù)悉，這些3D打印部件已被證明在高達(dá)437 GPa的沖擊壓縮下性能堪比傳統(tǒng)加工部件。

相關(guān)研究成果以題為“Equation of state measurements ofadditively manufactured tantalum up to 437 GPa”的論文發(fā)表在《應(yīng)用物理學(xué)雜志》上，證實(shí)了增材制造的鉭材料能夠滿足First Light慣性聚變系統(tǒng)的極端性能要求，并有助于簡(jiǎn)化壓力放大器裝置的生產(chǎn)。

論文鏈接：https://doi.org/10.1063/5.0264514

鉭是一種高強(qiáng)度、高熔點(diǎn)的金屬，常用于國(guó)防、航空航天和能源領(lǐng)域。然而，鉭的延展性以及在成型過程中容易變硬、變韌的特性使其難以加工，增加了傳統(tǒng)制造工藝的時(shí)間和成本。

First Light Fusion 首席沖擊科學(xué)家 Martin Gorman 表示：“3D 打印鉭為我們量產(chǎn)放大器提供了一種可靠且經(jīng)濟(jì)的途徑，將開啟從材料研究到國(guó)防的廣泛應(yīng)用?！?然而，驗(yàn)證是否適用于極端高壓環(huán)境需要進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試。

△使用 Croom Medical 的 TALOS 增材制造平臺(tái)制造的鉭組件。圖片來自 Croom Medical。

沖擊測(cè)試證實(shí)了材料性能

為了評(píng)估性能，研究人員在First Light Fusion位于牛津的設(shè)施中使用兩級(jí)輕氣炮對(duì)3D打印和傳統(tǒng)鍛造的鉭樣品進(jìn)行了對(duì)稱沖擊實(shí)驗(yàn)。彈丸速度高達(dá)6.7公里/秒，并使用光子多普勒測(cè)速儀（PDV）追蹤粒子速度和沖擊波渡越時(shí)間，這些數(shù)據(jù)對(duì)于確定材料的狀態(tài)方程（EOS）至關(guān)重要。

這些增材制造樣品由 Croom Medical 公司采用TALOS 激光粉末床熔融 (LPBF) 工藝生產(chǎn)，并針對(duì)鉭等難熔金屬進(jìn)行了優(yōu)化。這些樣品的密度達(dá)到了 99.94 ± 0.11%，并呈現(xiàn)出 LPBF 工藝典型的柱狀晶粒結(jié)構(gòu)。相比之下，用于對(duì)比的鍛造鉭樣品預(yù)計(jì)會(huì)在退火過程中形成等軸晶粒。

△3D打印鉭靶。（a）本研究中使用的增材制造鉭棒橫截面的背散射電子圖像。電子溝道的對(duì)比度足以顯示樣品中的晶粒結(jié)構(gòu)。圖像中的黑點(diǎn)主要由碎片引起，但也有一些是由插圖所示的孔隙引起的。典型的孔徑為直徑為10μm。（b）EBSD圖像顯示了AM Ta樣品部分晶體的取向。柱狀晶粒沿構(gòu)建方向取向

盡管存在這些微觀結(jié)構(gòu)差異，但發(fā)現(xiàn) 3D 打印鉭的沖擊響應(yīng)與鍛造樣品在 124 至 437 GPa 的壓力范圍內(nèi)的沖擊響應(yīng)沒有區(qū)別，包括超過鉭已知沖擊熔點(diǎn)的條件。

使用絕對(duì)Hugoniot法和與氟化鋰(LiF)標(biāo)準(zhǔn)阻抗匹配的多次測(cè)試，測(cè)量結(jié)果一致。最初由真空室效應(yīng)引起的一個(gè)差異已通過流體動(dòng)力學(xué)建模得到解決。

憑借這些成果，F(xiàn)irst Light Fusion 現(xiàn)已獲得采用增材制造技術(shù)制造壓力放大器組件的必要驗(yàn)證。打印部件旨在放大傳遞至聚變目標(biāo)的壓力，這是該公司慣性聚變方法的核心。過渡到 3D 打印有望實(shí)現(xiàn)更快、更可擴(kuò)展的生產(chǎn)，同時(shí)減少材料浪費(fèi)。

First Light Fusion公司已開始利用輕氣槍基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)全3D打印放大器單元進(jìn)行集成測(cè)試。測(cè)試結(jié)果預(yù)計(jì)將在未來幾個(gè)月內(nèi)公布。

△Croom Medical 的增材制造工程師正在操作 ColibriumAdditive M2 Series 5 系統(tǒng)，位于 TALOS 平臺(tái)的所在地。圖片來自 Croom Medical

增材制造方法支持聚變計(jì)劃

增材制造正迅速成為融合發(fā)展中解決材料復(fù)雜性、生產(chǎn)速度和極端性能要求的重要策略。

近日，英國(guó)原子能管理局（UKAEA）與工程設(shè)備供應(yīng)商Kingsbury和金屬增材制造公司Additure合作，通過增材制造 推進(jìn)聚變能研究。計(jì)劃核心是在英國(guó)原子能管理局 (UKAEA) 的工廠安裝一臺(tái)尼康 SLM Solutions SLM 280 2.0LPBF 系統(tǒng)，從而能夠使用鎢銅層等高難度材料生產(chǎn)聚變反應(yīng)堆組件。這套系統(tǒng)提供更快的構(gòu)建速度和先進(jìn)的安全功能。Additure還將為 UKAEA 團(tuán)隊(duì)提供技術(shù)培訓(xùn)，重點(diǎn)是機(jī)器設(shè)置、構(gòu)建優(yōu)化以及針對(duì)高性能、耐熱組件增材制造量身定制的設(shè)計(jì)策略。

另外，意大利能源研究機(jī)構(gòu)ENEA與維爾紐斯大學(xué)激光納米光子學(xué)小組合作，展示精細(xì)結(jié)構(gòu)、增材制造的木樁泡沫如何響應(yīng)與慣性約束聚變(ICF) 相關(guān)的高功率納秒激光脈沖。研究團(tuán)隊(duì)利用ENEA的40 J ABC Nd:glass激光器和完整的3D模擬，觀察了這些微觀晶格在受到聚焦的5納秒脈沖照射時(shí)如何升溫、腐蝕和散射光線。測(cè)量的腐蝕速度與模擬預(yù)測(cè)相符，證實(shí)了模型的準(zhǔn)確性。這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了精密3D打印和先進(jìn)的模擬工具如何協(xié)同工作，以支持未來聚變能目標(biāo)的設(shè)計(jì)。