PPPL工程師利用3D打印模型組裝核聚變裝置，確保組件精確對(duì)齊并降低組裝風(fēng)險(xiǎn)

2025年6月2日，南極熊獲悉，美國(guó)普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室(PPPL)的工程師們正在為組裝聚變研究裝置國(guó)家球形環(huán)面實(shí)驗(yàn)升級(jí)版(NSTX-U) 做準(zhǔn)備，預(yù)計(jì)將于 2026 年開始運(yùn)行。為了確保組件精確對(duì)準(zhǔn)，他們制作了 50 多個(gè) 3D 打印原型。NSTX-U 的核心是一個(gè)磁體束，它將一個(gè) 19 英尺長(zhǎng)的環(huán)形場(chǎng)(TF) 磁體與一個(gè)歐姆加熱 (OH) 線圈結(jié)合在一起。

△NSTX-U 上的 3D 打印組件。圖片來(lái)源：NSTX-U 項(xiàng)目團(tuán)隊(duì) / PPPL。

TF磁體設(shè)計(jì)可承載高達(dá)400萬(wàn)安培的電流，并將連接到12個(gè)外部線圈，用于在實(shí)驗(yàn)期間穩(wěn)定等離子體。纏繞在TF磁體上的OH線圈將產(chǎn)生4千伏的電場(chǎng)，從而感應(yīng)電流并將等離子體加熱到聚變所需的溫度。該項(xiàng)目的目標(biāo)是評(píng)估這些較小的球形托卡馬克是否能為未來(lái)的聚變?cè)囼?yàn)工廠提供實(shí)用且經(jīng)濟(jì)高效的解決方案。

NSTX-U 項(xiàng)目總監(jiān)兼工程副實(shí)驗(yàn)室主任 Dave Micheletti 說(shuō)道：“使用 3D 打印原型對(duì)于降低風(fēng)險(xiǎn)和加快進(jìn)度至關(guān)重要。它讓我們能夠確認(rèn)組件是否能夠組裝在一起，并消除了最終組裝開始后的返工風(fēng)險(xiǎn)。這既節(jié)省了時(shí)間，又節(jié)省了成本?！?/div>

△機(jī)械工程師 Samuel Sheckman（左）和高級(jí)工程師 Danny Cai 手持環(huán)形場(chǎng)線圈頂部的 3D 模型。照片來(lái)自 PPPL。

利用 3D 打印進(jìn)行微調(diào)組裝

為了降低組裝風(fēng)險(xiǎn)，工程師們使用了3D打印模型。其中包括一個(gè)磁束頂部的紅色塑料復(fù)制品，尺寸為40英寸高，2英尺寬，并計(jì)劃為下部部分制作更多大型模型。

NSTX-U項(xiàng)目高級(jí)項(xiàng)目經(jīng)理湯姆·杰尼根說(shuō)道：“如果是在好萊塢的片場(chǎng)，你把TF-OH 3D打印模型涂成不同的顏色，它看起來(lái)就和機(jī)器本身一模一樣。這是我們花得最值的錢?！?/div>

據(jù)開發(fā)團(tuán)隊(duì)介紹，3D 打印還有助于驗(yàn)證從磁束頂部延伸出的 36 條冷卻水管的位置，這對(duì)于管理等離子體實(shí)驗(yàn)的熱量至關(guān)重要。

3D打印的其他原型，包括銅質(zhì)電匯流條和各種支撐結(jié)構(gòu)，使團(tuán)隊(duì)能夠在生產(chǎn)開始前進(jìn)行精確調(diào)整。銅匯流條的實(shí)際制造已經(jīng)開始，使用的是PPPL車間的一臺(tái)OMAX水射流機(jī)。

準(zhǔn)備工作還包括在真空容器的上半部分安裝2000塊面向等離子的保護(hù)性瓷磚，并計(jì)劃很快完成下半部分的安裝。每塊瓷磚的安裝精度必須控制在千分之幾英寸以內(nèi)，以承受等離子測(cè)試的嚴(yán)苛條件。

與此同時(shí)，西班牙機(jī)械制造公司Elytt Energy的技術(shù)人員已經(jīng)建造了TF磁體的四個(gè)象限，目前正在用金屬帶將它們壓實(shí)在一起，以確保絕緣層受到均勻的壓力。

接下來(lái)，他們將用玻璃纖維包裹象限，并通過(guò)真空壓力浸漬 (VPI) 工藝注入熱樹脂，形成單個(gè)固體磁體。TF 磁體完成后，OH 線圈將繞在上面，并進(jìn)行相同的工藝。

最終的磁體束預(yù)計(jì)將于2025年秋季完成。之后，它將被運(yùn)往PPPL，安裝在NSTX-U的真空容器中。這些周密的準(zhǔn)備工作旨在消除障礙，確認(rèn)系統(tǒng)的準(zhǔn)備就緒狀態(tài)，使研究人員能夠更接近評(píng)估球形托卡馬克設(shè)計(jì)是否能夠支持未來(lái)的聚變能。

△環(huán)形場(chǎng)線圈的四個(gè)象限在Elytt Energy進(jìn)行壓實(shí)。照片來(lái)自NSTX-U項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)/PPPL

利用 3D 打印組件提高反應(yīng)堆安全性

在更廣泛的核能領(lǐng)域，增材制造同樣被用于強(qiáng)化反應(yīng)堆部件，實(shí)現(xiàn)更安全、更高效的運(yùn)行。

在2024年，西屋電氣公司開發(fā)了獨(dú)特的過(guò)濾底部噴嘴，以增強(qiáng)碎片捕獲能力并提高壓水反應(yīng)堆（PWR）燃料組件的燃料耐久性。四個(gè)裝有這些噴嘴的測(cè)試組件已交付給南方核電公司位于阿拉巴馬州的約瑟夫·M·法利核電站，重點(diǎn)解決碎片微動(dòng)問題，這是燃料泄漏的主要原因。西屋電氣表示，增材制造技術(shù)對(duì)于改進(jìn)設(shè)計(jì)、減小可能進(jìn)入反應(yīng)堆的碎片尺寸以及將抗碎片能力提高30%至關(guān)重要。

△增材制造的底部噴嘴。圖片來(lái)自西屋電氣公司

美國(guó)最大的能源研究實(shí)驗(yàn)室——橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）的專家在接受3D打印行業(yè)采訪時(shí)，闡述了3D打印如何惠及核能。孫欣教授和凱西·麥卡錫教授表示，3D打印技術(shù)能夠生產(chǎn)先進(jìn)的反應(yīng)堆部件，例如燃料組件支架和通道緊固件，從而提高性能和安全性，并降低成本。

他們指出，3D打印不僅簡(jiǎn)化了制造流程，縮短了研發(fā)時(shí)間，還能支持集成傳感器和人工智能的智能組件，從而提高核能運(yùn)行的安全性。當(dāng)時(shí)，監(jiān)管機(jī)構(gòu)正努力跟進(jìn)這一新的制造模式，而ORNL則將3D打印方法授權(quán)給了UltraSafe Nuclear Corporation (USNC)，從而幫助擴(kuò)大了3D打印在核能領(lǐng)域的應(yīng)用。