2022年12月，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）在國家點火裝置（NIF）實現(xiàn)了聚變點火，全世界的目光都轉(zhuǎn)向了這一突破性實驗——旨在確保國家核武器庫存——可能也為幾乎無限的、安全的、無碳的聚變能源鋪平道路。

先進(jìn)的3D打印提供了一個潛在的解決方案，以彌合當(dāng)前努力使慣性聚變能源（IFE）發(fā)電廠成為現(xiàn)實的科學(xué)和技術(shù)差距。

“現(xiàn)在我們已經(jīng)實現(xiàn)了聚變點火，并重復(fù)了這一過程，”LLNL慣性聚變能源機構(gòu)計劃的負(fù)責(zé)人Tammy Ma說，“實驗室正在迅速將我們幾十年的專業(yè)知識應(yīng)用于解決核心物理和工程挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)伴隨著建設(shè)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)。大規(guī)模生產(chǎn)點火級目標(biāo)是其中之一，尖端3D打印技術(shù)可以幫助我們實現(xiàn)這一目標(biāo)?！?/p>

今天的點火目標(biāo)幾乎是完美的空心鉆石球體，包裹著氘和氚（DT）聚變?nèi)剂?，懸掛在一個名為hohlraum的金制圓柱體內(nèi)。當(dāng)這些氫同位素暴露在強烈的激光能量下時，它們會聚變并產(chǎn)生比啟動反應(yīng)所需的更多的能量。

對完美的需求如此之高，以至于如果將NIF膠囊放大到地球大小，高于洛杉磯好萊塢標(biāo)志的缺陷將是不合格的。

盡管NIF目標(biāo)需要數(shù)月時間制造，但一個運行中的聚變能源發(fā)電廠將需要每天近一百萬個目標(biāo)，以每秒十次的速率點火。物理反應(yīng)將與NIF的點火類似，但目標(biāo)的生產(chǎn)需要一種全新的、可以在規(guī)模上工作的制作方法。

為了探索新的方法，實驗室指導(dǎo)的研究與發(fā)展（LDRD）項目正在NIF開發(fā)3D打印目標(biāo)能力。

這個由James Oakdale和Xiaoxing Xia領(lǐng)導(dǎo)的項目，正在通過構(gòu)建一個工作流程來推進(jìn)增材制造，設(shè)計、制造、表征和現(xiàn)場部署完全3D打印的燃料膠囊。它還在開發(fā)一種首創(chuàng)的雙波長、雙光子聚合（DW-2PP）方法，以推動當(dāng)前增材制造的極限，滿足點火目標(biāo)的嚴(yán)格工程需求。

“我們專注于一種特定類型的濕泡沫膠囊，其中液態(tài)DT可以通過毛細(xì)作用被均勻地吸入球形膠囊內(nèi)部的泡沫層，”Xia說，他是共同主要研究者，也是實驗室材料工程部門的工作人員科學(xué)家。“目前的DT冰層過程需要一周時間以極度的細(xì)致來完成。3D打印可能是這種復(fù)雜幾何形狀在規(guī)模上的唯一工具?！?/p>

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，這個項目將解決3D打印點火膠囊的全部關(guān)鍵瓶頸。

“我們的DW-2PP打印機使用兩種不同波長的光源來選擇性地打印不同材料，具有亞微米分辨率，”共同主要研究者Oakdale說，他是實驗室材料科學(xué)部門的工作人員科學(xué)家?！斑@種新能力讓我們對膠囊和內(nèi)部泡沫材料的空間化學(xué)和密度有著精細(xì)的控制，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)顯示出希望，3D打印目標(biāo)在2024年的兩次NIF實驗中成功使用，預(yù)計未來一年將有更多。

這項技術(shù)是否最終成為聚變能源解決方案還有待觀察。在NIF實驗中使用3D打印已經(jīng)產(chǎn)生了支持國家?guī)齑婀芾碛媱澋闹匾獢?shù)據(jù)，該計劃利用NIF等獨特設(shè)施在沒有地下測試的情況下了解核武器。

“解鎖聚變是美國競爭力的戰(zhàn)略資產(chǎn)，”LLNL NIF & Photon Science Directorate的主要副主管Jeff Wisoff說?！巴顿Y基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)以建立在聚變點火的歷史性成就之上是至關(guān)重要的。這樣做既確保了庫存，也為聚變能源革命奠定了基礎(chǔ)?！?/p>