英國原子能機構使用電子束與激光熔融技術開發核聚變解決方案
2025年7月,The United Kingdom Atomic Energy Authority(英國原子能機構,UKAEA)在其新開設的Central Support Facility(中央支持設施,CSF)中啟用了兩臺采用增材制造的設備,用于為未來核聚變裝置制造部件。其中一臺是主要用于將鎢材料整合到部件中的電子束增材制造設備,另一臺則是選擇性激光制造設備。
核聚變面臨的材料挑戰
核聚變有望在全球低碳能源未來中發揮關鍵作用。未來核聚變發電廠內的部件將必須在復雜且具有挑戰性的條件下運行,包括極端溫度、高中子負荷和強磁場。因此,這些部件需要復雜的材料組合和精密工程技術。
增材制造技術的獨特優勢
增材制造技術非常適合生產具有復雜設計的低批量材料,這使其成為核聚變領域的理想選擇。每臺核聚變裝置都將具有高度個性化特點,需要定制部件。因此,UKAEA認為3D打印可以在核聚變的未來中發揮重要作用,并已啟用這兩臺設備來展示兩種互補的3D打印方法,用于生產核聚變部件。
為什么說兩種技術“互補”?
●技術原理互補
eMELT電子束技術使用高能電子束作為熱源熔化金屬粉末,特別適合處理高熔點材料如鎢。電子束在真空環境中工作,能夠產生更高的溫度。SLM280激光熔融技術使用高功率激光作為熱源,在不同的工作環境中運行,在某些材料和精細結構加工方面具有優勢。
△SLM 280 2.0金屬3D打印機
●材料處理能力互補
eMELT主要專注于將鎢材料整合到部件中,鎢是核聚變反應堆中面向等離子體部件的關鍵材料,具有極高的熔點。SLM280更專注于復雜幾何結構的制造和多種材料的組合,適合制造結構復雜但可能不需要特殊高溫材料的部件。
●功能應用互補
電子束技術更適合制造那些需要高密度、高強度和特殊材料屬性的部件。激光技術在細節精度和表面質量方面可能有優勢,適合更精細的幾何結構。
由Freemelt制造的eMELT電子束粉末床融合(E-PBF)增材制造設備利用電子束技術將鎢粉末結合成接近100%密度的固體部件。eMELT設備將用于將鎢層疊到其他材料上,如銅、鉻鋯、不銹鋼和Eurofer 97(一種專為核聚變裝置開發的特殊鋼材)。
SLM280將用于研究如何生產具有復雜幾何形狀和材料組合的部件,這些部件對成功的核聚變裝置至關重要。SLM280由Nikon SLM制造,由Kingsbury Machine Tools提供,由Additure支持。
這兩種3D打印技術主要用于制造面向等離子體的部件。這類部件在運行期間會暴露于極端溫度環境中。采用增材制造可替代傳統焊接工藝,簡化制造流程,減少連接工序。
專家視角
UKAEA制造、安裝和維護運營主管Roy Marshall指出:"未來核聚變發電廠需要數千甚至數百萬個復雜幾何形狀部件,這些部件必須能承受核聚變環境的極端條件。增材制造對于以商業可行規模開發這些部件至關重要。我們啟用的兩臺互補增材制造設備能證明核聚變部件可按生產規模打印,幫助行業在我們設施中開發原本商業上難以實現的部件。這些設備使部件生產比傳統方法更高效。核聚變行業中,我們首次實現在同一設施內擁有電子束和激光兩種技術,并能大規模生產部件。"
Freemelt公司EMEA區域經理Viktor Valk表示:"我們榮幸支持UKAEA推進核聚變能源商業化的重要工作。Freemelt的eMELT工業機器生產適用于極端條件的鎢面向等離子體部件,標志著E-PBF技術在核聚變能源開發中的重要進展。"
Nikon SLM Solutions英國和北歐地區業務總監Christoph Barefoot認為:"核聚變代表能源未來,需要大膽創新和可靠合作才能實現。我們的選擇性激光熔融技術支持UKAEA使命,使復雜高性能核聚變部件變得可行且可擴展。這一里程碑使我們向商業核聚變和可持續未來邁進。"
中央支持設施功能
CSF將這些技術與專業工作室整合在一個建筑內,配合UKAEA制造支持團隊和特殊技術小組,促進團隊協作,支持核聚變研究開發。UKAEA正為未來核聚變能源裝置的大規模生產做好商業合作準備。設備團隊計劃首先生產具挑戰性的幾何結構,探索增材制造材料特性。接下來將進入初始制造階段,重點研究鎢和銅鉻鋯材料的層疊工藝。
南極熊點評
英國原子能機構引入的這兩種增材制造技術是推動核聚變能源發展的重要一步。電子束粉末床融合和選擇性激光熔融技術幫助UKAEA制造適應極端環境的高性能部件,優化生產流程。這項創新推動了增材制造在能源領域的應用,加速核聚變能源商業化進程。隨著技術成熟和應用擴展,清潔高效的核聚變能源解決方案正逐步成為現實。UKAEA的跨領域技術融合為全球能源挑戰提供了新思路。
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