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近日，深圳大學相關團隊首次提出并實現(xiàn)了基于3D打印一體化自由設計和成形復雜多孔結(jié)構(gòu)正硅酸鋰陶瓷件，有望替代傳統(tǒng)的微球床結(jié)構(gòu)，成為新一代產(chǎn)氚器件，展現(xiàn)出重要應用前景。該研究由深圳大學增材制造研究所陳張偉和勞長石教授團隊與中核集團核工業(yè)西南物理研究院(以下簡稱西南物理研究院)合作完成，成果已發(fā)表在《增材制造》雜志上。

據(jù)悉，核聚變的原料主要是氫的同位素——氘和氚。氘可以在海水中得到，全球海水中的氘足夠人類使用上百億年。氚則幾乎不存在于自然界，需要靠氦與鋰陶瓷不斷催化反應生成。固態(tài)產(chǎn)氚包層是磁約束聚變堆的一個重要組件，也是商業(yè)化利用核聚變需要解決的核心問題之一。

目前，各國科學家首選的氚增殖劑材料是正硅酸鋰(Li4SiO4)，通行的方法是將正硅酸鋰陶瓷與氦氣發(fā)生反應產(chǎn)生氚?？茖W家將實現(xiàn)這一功能的陶瓷部件稱為產(chǎn)氚單元。

傳統(tǒng)的鋰陶瓷產(chǎn)氚單元存在填充率有限、無法自由調(diào)控等問題，且在球床結(jié)構(gòu)和性能均勻穩(wěn)定性方面表現(xiàn)不佳，可能導致聚變反應堆無法平穩(wěn)運行。為優(yōu)化產(chǎn)氚單元的結(jié)構(gòu)，2018年，陳張偉和勞長石等人與西南物理研究院提出用3D打印正硅酸鋰陶瓷單元方法，研制一種全新結(jié)構(gòu)的產(chǎn)氚單元。

研發(fā)過程克服了一系列困難與挑戰(zhàn)終于取得了成果，經(jīng)測試，這種3D打印的這種產(chǎn)氚單元克服了球床填充率有限和應力集中引發(fā)的可靠性問題，穩(wěn)定性、力學性能比傳統(tǒng)微球結(jié)構(gòu)提升2倍。與此同時，其產(chǎn)氚效率也有望獲得大大提升。傳統(tǒng)的微球結(jié)構(gòu)占空比最高為65%，而3D打印可以根據(jù)需要在60%到90%之間靈活調(diào)整，正硅酸鋰的比表面積也較微球結(jié)構(gòu)得到大幅增加。