LLNL 研究人員利用3D 打印制造完美點火靶材，推進(jìn)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(bǔ)當(dāng)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(jī)構(gòu)計劃(IFE-STAR) 負(fù)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(biāo)�！�

當(dāng)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�，懸浮在金色圓柱體（稱為空腔）中。當(dāng)暴露在強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)志更大的缺陷就會被認(rèn)定為不合格。

△帶有靶艙的 NIF 全息腔橫截面，放大后可查看細(xì)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(yùn)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(yùn)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(biāo)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(jìn)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(dāng)前極限，以滿足點火目標(biāo)的嚴(yán)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(xì)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(dá)一周的時間才能極其細(xì)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�！�

△用于 NIF 實驗的 3D 打印靶艙。來源：LLNL

此外，新的 DW-2PP 方法將進(jìn)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(jī)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。”

這項工作已經(jīng)顯示出良好的前景，3D 打印目標(biāo)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(jìn)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)�！�