Ливерморская национальная лаборатория имени Лоуренса (LLNL) при Национальном центре по исследованию ядерного топлива (NIF) изучает возможность использования передовой 3D-печати для массового производства топливных капсул для термоядерных электростанций.
Это может стать значительным достижением в области термоядерной энергетики, которая считается «Святым Граалем» чистой и обильной энергии.
Хотя эксперимент по зажиганию, который лаборатория уже провела в 2022 году, стал крупным прорывом, производство термоядерной энергии в коммерческих масштабах сопряжено со значительными трудностями.
Одной из самых больших проблем является производство топливных капсул, необходимых для этого процесса. Эти капсулы содержат дейтериевое и тритиевое топливо, используемое в реакциях синтеза.
Эти капсулы, которые должны быть почти идеально сферическими, в настоящее время изготавливаются месяцами. Для справки, жизнеспособная электростанция потребовала бы около миллиона таких капсул в день. Более того, эти капсулы должны изготавливаться с предельной точностью.
«Необходимость совершенства такова, что если бы капсула NIF была увеличена до размеров Земли, несовершенство, превышающее по размеру надпись «Голливуд» в Лос-Анджелесе, стало бы основанием для дисквалификации», — подчеркнула лаборатория в пресс-релизе .
Решением могут стать капсулы, напечатанные на 3D-принтере
Для решения этой проблемы LLNL запустила исследовательский проект по разработке топливных капсул, напечатанных на 3D-принтере .
«Теперь, когда нам удалось добиться и повторить запуск термоядерного синтеза, лаборатория быстро применяет наши десятилетия ноу-хау для решения основных физических и инженерных задач, связанных с монументальной задачей создания термоядерной экосистемы, необходимой для лазерной термоядерной электростанции», — сказала Тэмми Ма, руководитель институциональной инициативы LLNL по инерциальной термоядерной энергии.
Проект разрабатывает первый в своем роде подход к 3D-печати с использованием двухволновой двухфотонной полимеризации (DW-2PP). Эта техника использует два разных источника света для выборочной печати разных материалов.
Это позволяет создавать сложные геометрии с субмикронным разрешением, что потенциально позволяет производить топливные капсулы в масштабах, необходимых для электростанции .
«Мы сосредоточены на определенном типе капсулы из смачиваемой пены, в которой жидкий ДТ может впитываться в равномерный слой пены на внутренней стороне сферической капсулы за счет капиллярного эффекта», — сказал Ся, соруководитель исследования и научный сотрудник отдела материаловедения лаборатории.
«Текущий процесс наслаивания льда DT занимает до недели, и выполняется с чрезвычайной тщательностью. Возможно, что 3D-печать — единственный инструмент для такой сложной геометрии в масштабе».
Проект уже продемонстрировал многообещающие результаты: 3D-печатные мишени успешно использовались в двух экспериментах NIF в 2024 году.
Многообещающие перспективы на будущее
Хотя использование 3D-печати для получения энергии термоядерного синтеза все еще находится на ранних стадиях, оно представляет собой потенциальное решение важнейшей производственной проблемы.
Если эта технология окажется успешной, она может ускорить разработку термоядерных электростанций. Это приблизит мир к будущему с чистой, безопасной и обильной энергией.
«Разблокирование термоядерного синтеза является стратегическим активом для конкурентоспособности США. Крайне важно, чтобы мы инвестировали в фундаментальную науку и технологии, чтобы развить историческое достижение зажигания термоядерного синтеза», — заключил Джефф Висофф, главный заместитель директора Директората NIF и фотонной науки LLNL.