Исследователи из Шэньчжэньского университета и Юго-Западного института физики в Китае разработали средства аддитивного производства керамических структур, испускающих топливо для ядерных реакторов.

Используя керамику с литием и 3D-печать DLP, команда смогла создать «прослойки для размножения», которые производят тритий, жизненно важный элемент процесса ядерного синтеза. В будущем сотовые устройства ученых могут быть использованы как более эффективная версия галечных пластов, которые используются в экспериментальных реакторах, что поможет продвинуть технологию для решения проблемы глобального дефицита энергии.

«[Наши] структуры обладают высокой фазовой чистотой и эффективным «коэффициентом дефекта массы ядра» для применения в получении [трития]», - заявили ученые в своем исследовании. «Уникальное преимущество гибкого управления при проектировании и производстве 3D-печати может открыть многообещающий путь к расширению возможностей для разработки новых специализированных высокоэффективных структур размножителя трития, используемых в технологии ядерного синтеза».

 

 

Хотя ядерная энергетика предлагает потенциальные преимущества безопасности, чистоты и устойчивости по сравнению со многими существующими источниками энергии, развитие технологии в значительной степени зависит от НИОКР, проводимых в экспериментальных реакторах. Во время таких исследований проведение так называемой «реакции D-T», в которой дейтерий и тритий потребляются в качестве топлива, жизненно важно для преобразования ядерного синтеза в извлекаемую энергию.

Однако, хотя дейтерий можно получить из морской воды, тритий нельзя найти на Земле в естественных условиях, поэтому его производство стало критически важным для повышения производительности ядерных реакторов. В настоящее время изотоп водорода часто улавливается литийсодержащими «прослойками», которые эффективно сталкиваются с нейтронами, генерируемыми реакциями D – T внутри активной зоны реактора, производя при этом тритий.

Из этих абсорбционных устройств для облегчения высвобождения реагентов чаще всего используются тангенциально набитые слои гальки, но они могут быть склонны к растрескиванию и вызывать нестабильность. Чтобы разработать альтернативу галечным слоям с большей адаптируемостью, китайские ученые применили 3D-печать и создали интегрированное решение для воспроизводства трития с меньшим количеством внутренних точек контакта, что снизило его уязвимость.

 

 

Учитывая, что их эксперименты будут проходить в условиях влажности при комнатной температуре, ученым нужно было разработать материал, который не реагировал бы на водяной пар и не терял бы фазовую чистоту. Для этого команда смешала литий, керамику и монооксид кремния в керамическую «суспензию» на основе смолы внутри перчаточного бокса, заполненного инертным аргоном.

Когда суспензия была готова, исследователи использовали коммерческий 3D-принтер Ceraform100 для фотополимеризации ее в сотовые прототипы перед удалением связующего и спеканием их во время постобработки. Полученные пересекающиеся структуры размером 10 ×10×10 мм3 имели объемное соотношение или «долю упаковки» 60%, аналогичную той, которая наблюдается в существующих слоях гальки.

Кроме того, хотя образцы группы изначально были желтоватыми на вид, конечные части имели более традиционный белый цвет после того, как органическое содержимое суспензии было выжжено во время удаления вяжущего состава. Описав точность размеров моделей как «довольно хорошую», ученые позже обнаружили, что их усадка была равномерной, а с помощью визуализации MES они не имели трещин в микромасштабе.

В результате «бездефектных структурных особенностей», продемонстрированных их прототипами, команда пришла к выводу, что новый подход к 3D-печати представляет собой «многообещающую» разработку в производстве структур для воспроизводства трития и «привлекательную альтернативу» по сравнению с традиционными галечными слоями, наблюдаемые в нынешних экспериментальных термоядерных реакторах.

 

 

По мере того как достижения в аддитивном производстве продолжают обеспечивать возможность производства более термостойких деталей, эта технология все чаще используется для решения задач в области ядерных исследованийю Например, исследователи Корейского научно-исследовательского института атомной энергии (KAERI) напечатали на 3D-принтере большой предохранительный клапан с характеристиками сопротивления класса 1 МАГАТЭ.

В другом месте Министерство энергетики США вложило значительные средства в ядерный потенциал 3D-печати и в настоящее время работает с Национальной лабораторией Окриджа над изготовлением активной зоны реактора. Этот микрореактор, известный как реактор трансформационного вызова (TCR), строится, чтобы упростить внедрение современных технологий в ядерной отрасли.

Ученые Аргоннской национальной лаборатории, которые также работают над оптимизацией процесса ядерного синтеза, разработали способ повторного использования до 97% связанных отходов. Используя 3D-печать, команда создала набор взаимосвязанных контакторов, способных отфильтровывать примеси с эффективностью до 99,9%.

Выводы исследователей подробно описаны в их статье под названием «3D-печать керамических ячеистых структур для потенциального применения в ядерном синтезе».

 

Источник: https://3dprintingindustry.com/news/chinese-scientists-make-nuclear-fuel-emitting-3d-printed-ceramics-breakthrough-191021/