麵對未來能源資源匱乏以及化石能源環境汙染和溫室效應的加劇，可再生能源發展成為(wei) 當今社會(hui) 的研究熱點。被譽為(wei) “人造太陽”和“人類終極能源”的可控核聚變的商業(ye) 化將有效緩解上述需求。作為(wei) 磁約束聚變堆的一個(ge) 重要組件，固態產(chan) 氚包層是聚變能商業(ye) 化應用前需要解決(jue) 的核心問題之一。作為(wei) 包層首選氚增殖劑材料，正矽酸鋰(Li4SiO4)產(chan) 氚單元的加工製造為(wei) 包層技術的實現提供基礎。

中國“人造太陽”已獲重大進展

通俗說來就是，“人造太陽”是由氫元素的同位素氘和氚在高溫高壓條件下產(chan) 生核聚變反應並生成大量熱能用於(yu) 發電。氘可由海水提取產(chan) 量豐(feng) 富，而氚幾乎不存在於(yu) 自然界，需要靠氦與(yu) 鋰陶瓷不斷催化反應生成，產(chan) 氚單元就提供了這個(ge) 重要核心功能。傳(chuan) 統的鋰陶瓷產(chan) 氚單元一般為(wei) 微球堆積的球床結構，填充率有限，且微球堆積產(chan) 生的應力集中易造成形變開裂等破壞，成為(wei) 球床結構和性能均勻穩定性的掣肘。

聚變堆中Li4SiO4陶瓷球床的結構與(yu) 位置

近日，深圳大學增材製造研究所與(yu) 核工業(ye) 西南物理研究院合作，首次提出並報道了基於(yu) 3D打印一體(ti) 化自由設計和成形的複雜多孔結構正矽酸鋰陶瓷件，有望替代傳(chuan) 統的微球床結構，作為(wei) 聚變堆的氚增殖陶瓷單元，具有重要應用前景。

3D打印正矽酸鋰陶瓷單元的方法，是基於(yu) 光固化專(zhuan) 用高相純度正矽酸鋰粉體(ti) 製造。由於(yu) 該粉體(ti) 具有較強的物理化學活性，因此陶瓷漿料在配製過程中采取了特殊處理工藝，並設計打印製造出了一體(ti) 化無缺陷結構，獲得了比傳(chuan) 統球床結構更優(you) 異的結構穩定性與(yu) 力學性能，且擁有可調控填充比，不僅(jin) 克服了球床填充率有限和應力集中引發的可靠性問題，還有望實現產(chan) 氚效率的大幅提升。

Li4SiO4陶瓷漿料的沉降試驗

采用光固化3D打印製造核聚變陶瓷部件極具創新性，因此獲得了國際同行的高度評價(jia) 。該研究將為(wei) 替代傳(chuan) 統球床陶瓷產(chan) 氚結構提供可能，在聚變堆應用方麵極具前景。

光固化3D打印部分正矽酸鋰陶瓷產(chan) 氚單元

實際上，這已經不是深圳大學第一次圍繞核聚變部件展開增材製造研究。2019年，該校研究團隊圍繞聚變堆第一壁CLF-1鋼構件進行了SLM工藝製造，首次將非均質雙/多模組織設計思路引入到SLM成形高強韌RAFM鋼的開發，其綜合強韌性顯著優(you) 於(yu) 目前的RAFM鋼。該工作為(wei) 3D打印高強韌RAFM鋼的結構設計提供了重要的理論依據和技術指導，促進了聚變堆關(guan) 鍵部件組織性能可控的一體(ti) 化成型。

深圳大學增材製造研究所簡介

深圳大學增材製造研究所成立於(yu) 2016年，現有教職工6名，博士後8人，研究生40餘(yu) 人。主要從(cong) 事麵向科學基礎和工程應用的增材製造研究，涵蓋了材料、工藝、裝備和應用等各方麵。研究所目前擁有各種光固化、低溫直寫(xie) 、噴墨打印、激光選區熔化、靜電紡絲(si) 等增材製造裝備，以及各類材料製備處理、性能檢測儀(yi) 器。

研究所瞄準高水平增材製造技術，與(yu) 國內(nei) 外相關(guan) 科研院所和企業(ye) 建立了良好合作關(guan) 係。目前研究所已獲得國家、省、市各級增材製造相關(guan) 項目支持，目前研究經費及固定資產(chan) 近2000萬(wan) 元。