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鎢材料3D列印技術驗證成功 美核融合反應器突破極端考驗

商傳媒

更新於 2天前 • 發布於 2天前 • service@sunmedia.tw (編輯中心)
圖/示意圖

商傳媒|責任編輯/綜合外電報導

一項重大科學突破於近期揭露,美國的 DIII-D National Fusion Facility 核融合反應器(透過模擬太陽中心的反應來產生巨大能量的裝置)成功測試了以3D列印技術製造的全尺寸鎢材料零件,證明這項先進技術可望克服商業核融合發展的關鍵瓶頸。

這些鎢材料測試磚,在反應器的「偏濾器區」( exhaust zone, divertor )內,承受了高達74次的電漿噴射以及長達三天的粒子轟擊。在反應器高功率運轉期間,測試磚歷經了約四分鐘的直接電漿曝露,而這些電漿的溫度甚至比太陽核心還要高。更值得一提的是,這些3D列印的鎢材料測試磚,在一次意外中,即便鄰近的傳統測試磚融化並噴灑液態金屬在其表面,仍保持完好無損,展現其卓越的耐受性。

鎢(一種熔點極高的金屬),因其極高的熔點(約3,422°C)與高密度,被選為國際熱核融合實驗反應爐(ITER)等未來核融合發電廠的關鍵材料。然而,鎢在低於600°C時會變得脆性,容易像玻璃般碎裂,且過往多數以雷射進行的3D列印嘗試,都導致成品多孔且佈滿裂痕。為解決此技術難題,來自北卡羅萊納州立大學、橡樹嶺國家實驗室及日本電子的聯合研究團隊,採用了電子束粉末床熔融(EB-PBF)技術。

EB-PBF 技術利用高速電子束在真空腔中逐層熔化鎢粉,並在整個製程中將建造環境溫度維持在1,400°C以上(約2,552°F),以防止裂紋產生。最終製成的測試磚尺寸約為140毫米寬、20毫米厚。研究人員於2025年已在小型樣本上驗證了此概念,今年七月,這些測試磚被安裝於銅合金基座上,並固定在位於聖地牙哥的 DIII-D National Fusion Facility 內進行測試。其中,日本電子在位於昭島市的大型印表機上製造了全尺寸測試磚,而橡樹嶺國家實驗室則提供了核融合材料的專業知識與專案資金,北卡羅萊納州立大學則負責後續的加工與精修,包含使用放電加工技術塑形安裝夾具以及將表面研磨至鏡面光澤。

北卡羅萊納州立大學助理教授兼電漿物理學家 Florian M. Laggner 表示,驗證新材料和製造方法需要與核融合相關的數據,DIII-D National Fusion Facility 的測試正提供了這些關於材料耐久性和侵蝕性的關鍵數據。這項成功的試驗,為商業核融合能源發展移除了重要的瓶頸,證明先進的3D列印技術,是生產堅固、無裂痕鎢零件的可行工廠製造方法。

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