В последние годы зависимость человечества от энергии растет. Однако такие ресурсы, как уголь, нефть и газ, не являются неисчерпаемыми. По мере того как технологии совершенствуются, управляемые термоядерные реакторы, известные как «искусственное солнце», способны гарантировать постоянное предоставление экологичных энергетических ресурсов для человечества на благо будущих поколений.

Экспериментальный модернизированный сверхпроводящий токамак, расположенный в китайском городе Хэфэй, зафиксировал температуру плазмы 120 млн оС длительностью 101 сек. Более того, установка в течении 20 секунд поддерживала температурный уровень в 160 млн оС.

Таким образом, Китай достиг очередной ступени в получении термоядерного реактора, причем одно из его «искусственных солнц» выдерживает невероятные температуры в несколько раз больший период времени, чем его предшествующий рекордный показатель. Керамическая 3D-печать в производстве термоядерной энергии может сыграть ключевую роль в разработке будущих коммерческих теромоядерных электростанций.

Керамика в термоядерном синтезе

С тех пор как была обнаружена реакция распада ядра, люди постоянно изучают возможности эффективного использования ядерной энергии. Согласно исследованию, проведенному учеными Шэньчжэньского университета в сотрудничестве с представителями Юго-Западного института физики ядерной промышленности Китайской национальной ядерной корпорации, керамические 3D-печатные детали могут применяться для изготовления необходимого тритиевого (сверхтяжелого водородного) топлива.

Исследователи спроектировали и создали сложные пористые литиевые ортосиликатные керамические элементы на основе процесса фотополимеризационной 3D-печати. Структура слоя микросферы представляет новое поколение тритиевых устройств, демонстрируя важные перспективы применения.

Ядерный синтез использует дейтерий и тритий в качестве топлива. В то время как первый имеется в изобилии, второго почти не существует в природе, поэтому его получают в результате непрерывной каталитической реакции гелиевой и литиевой керамики. Будучи важным компонентом термоядерного реактора с магнитным удержанием, твердотельная оболочка, производящая тритий, является одной из основных проблем, которые необходимо решить до коммерческого запуска производства термоядерной энергии.

В настоящее время предпочтительным материалом для получения трития для ученых в различных странах является ортосиликат лития (Li4SiO4). Преобладающим методом стала реакция керамического компонента из ортосиликатного лития с гелием с выделением необходимого вещества. Ученые называют такие керамические детали, которые используются в этой реакции, устройством для производства трития.

Для того чтобы из порошка ортосиликата лития быстро изготавливать изделия на 3D-принтере, необходимо тщательно выбрать метод. Керамическая 3D-печать предполагает два основных способа получения заготовок:

• светоотверждение;
• спекание или плавление порошкового сырья.

Для непосредственного спекания керамического порошка при высоких температурах используются высокоэнергетические лазеры. Готовый образец соответствует цифровой модели, но из-за относительно экстремальных температурных условий в процессе печати он склонен к растрескиванию. Светоотверждаемый материал не только имеет меньше дефектов и более высокую точность печати, но и обладает способностью получать детали с пористой структурой.

Научно-исследовательская группа выбрала метод светоотверждения и разработала пасту из порошка ортосиликата лития высокой фазовой чистоты для трехмерной печати.

Были подобраны оптимальное соотношение компонентов органических химических добавок, порошок ортосиликата лития, небольшая порция фотополимерной смолы, чувствительной к определенным длинам световых волн. Смесь облучалась ультрафиолетовым светом с длиной волны 405 нм для осуществления фотополимеризации и отверждения суспензии.

3D-печатная конструкционная деталь спекается при высокой температуре и обжигается при температуре 1050 оС в течение 8-10 часов для достижения керамической структуры. Различные добавки в затвердевшей структуре могут быть удалены, а вода и углекислый газ в окружающей среде больше не будут генерироваться. Химические добавки не взаимодействуют с ортосиликатом лития.

Установка для производства трития, напечатанная данным методом, представляет собой цельную и бездефектную структуру. После тестирования устройства решены проблемы надежности, вызванные ограниченной скоростью заполнения шаровыми ТВЭЛами и концентрацией напряжений. Его стабильность и механические свойства в два раза выше, чем у традиционной структуры из микросфер.

Ожидается значительное повышение эффективности производства трития на 3D-оборудовании. Коэффициент заполнения классической микросферной структуры доходит до 65%, в то время как 3D-печать может гибко регулироваться в диапазоне от 60% до 90% по мере необходимости. Удельная площадь поверхности ортосиликата лития также значительно увеличивается по сравнению со структурой из микросфер.

Технология 3D-печати была признана на международном уровне как чрезвычайно инновационная в секторе производства и использования основных керамических компонентов для ядерного синтеза. Исследование китайских ученых в области применения термоядерных реакторов имеет значимые перспективы, которые предоставят больше возможностей для замены традиционного способа производства за счет использования керамики в АМ и будут способствовать коммерциализации токамак-реакторов на реакций термоядерного синтеза.

Источник