近年來,人類對能源的依賴日益加深。但是,煤炭、石油和天然氣等不可再生資源,并非取之不盡、用之不竭。
產(chǎn)氚單元就像核聚變反應(yīng)堆的心臟
自從核反應(yīng)被發(fā)現(xiàn)以來,人們就在不停地探索核能的有效利用。
目前,越來越多的科學(xué)家和能源..開始將目光投向核聚變。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,每升水約含30毫克氘。一座1000兆瓦的核聚變電站,每年耗氘量只需304公斤,按此計算,全球海水中的氘足夠人類使用上百億年。
但是,氚幾乎不存在于自然界,需要靠氦與鋰陶瓷不斷催化反應(yīng)生成。作為磁約束聚變堆的一個重要組件,固態(tài)產(chǎn)氚包層是聚變能商業(yè)化應(yīng)用前需要解決的核心問題之一。
目前,各國科學(xué)家..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(yīng)產(chǎn)生氚??茖W(xué)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)氚單元一般是把正硅酸鋰做成直徑1毫米左右的微球,并將它們堆積起來,做成球床結(jié)構(gòu),微球之間的空隙可以注入氦氣。
但是,這種產(chǎn)氚單元的填充率有限,而且無法自由調(diào)控。此外,微球堆積產(chǎn)生的應(yīng)力集中,容易造成產(chǎn)氚單元結(jié)構(gòu)形變開裂等破壞,成為球床結(jié)構(gòu)和性能均勻穩(wěn)定性的掣肘。
一旦產(chǎn)氚單元發(fā)生故障,將直接導(dǎo)致聚變反應(yīng)堆無法平穩(wěn)運行。因此,科學(xué)家一直在嘗試優(yōu)化產(chǎn)氚單元的結(jié)構(gòu)。
另辟蹊徑可使產(chǎn)氚效率大幅提升
針對上述問題,2018年,陳張偉和勞長石等人與西南物理研究院另辟蹊徑,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。
但是,3D打印面臨的..個難題就是正硅酸鋰對環(huán)境特別敏感,極易與水、二氧化碳發(fā)生反應(yīng),造成物相破壞,成為偏硅酸鋰。
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