PPPL工程師利用3D打印模型組裝核聚變裝置，確保組件精確對齊并降低組裝風險

2025年6月2日，南極熊獲悉，美國普林斯頓等離子體物理實驗室(PPPL)的工程師們正在為組裝聚變研究裝置國家球形環(huán)面實驗升級版(NSTX-U) 做準備，預計將于 2026 年開始運行。為了確保組件精確對準，他們制作了 50 多個 3D 打印原型。NSTX-U 的核心是一個磁體束，它將一個 19 英尺長的環(huán)形場(TF) 磁體與一個歐姆加熱 (OH) 線圈結(jié)合在一起。

△NSTX-U 上的 3D 打印組件。圖片來源：NSTX-U 項目團隊 / PPPL。

TF磁體設(shè)計可承載高達400萬安培的電流，并將連接到12個外部線圈，用于在實驗期間穩(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，從而感應(yīng)電流并將等離子體加熱到聚變所需的溫度。該項目的目標是評估這些較小的球形托卡馬克是否能為未來的聚變試驗工廠提供實用且經(jīng)濟高效的解決方案。

NSTX-U 項目總監(jiān)兼工程副實驗室主任 Dave Micheletti 說道：“使用 3D 打印原型對于降低風險和加快進度至關(guān)重要。它讓我們能夠確認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險。這既節(jié)省了時間，又節(jié)省了成本。”

△機械工程師 Samuel Sheckman（左）和高級工程師 Danny Cai 手持環(huán)形場線圈頂部的 3D 模型。照片來自 PPPL。

利用 3D 打印進行微調(diào)組裝

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

NSTX-U項目高級項目經(jīng)理湯姆·杰尼根說道：“如果是在好萊塢的片場，你把TF-OH 3D打印模型涂成不同的顏色，它看起來就和機器本身一模一樣。這是我們花得最值的錢�！�

據(jù)開發(fā)團隊介紹，3D 打印還有助于驗證從磁束頂部延伸出的 36 條冷卻水管的位置，這對于管理等離子體實驗的熱量至關(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)，使團隊能夠在生產(chǎn)開始前進行精確調(diào)整。銅匯流條的實際制造已經(jīng)開始，使用的是PPPL車間的一臺OMAX水射流機。

準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性瓷磚，并計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)，以承受等離子測試的嚴苛條件。

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

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

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

△環(huán)形場線圈的四個象限在Elytt Energy進行壓實。照片來自NSTX-U項目團隊/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化反應(yīng)堆部件，實現(xiàn)更安全、更高效的運行。

在2024年，西屋電氣公司開發(fā)了獨特的過濾底部噴嘴，以增強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。四個裝有這些噴嘴的測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，重點解決碎片微動問題，這是燃料泄漏的主要原因。西屋電氣表示，增材制造技術(shù)對于改進設(shè)計、減小可能進入反應(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。圖片來自西屋電氣公司

美國最大的能源研究實驗室——橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的專家在接受3D打印行業(yè)采訪時，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打印不僅簡化了制造流程，縮短了研發(fā)時間，還能支持集成傳感器和人工智能的智能組件，從而提高核能運行的安全性。當時，監(jiān)管機構(gòu)正努力跟進這一新的制造模式，而ORNL則將3D打印方法授權(quán)給了UltraSafe Nuclear Corporation (USNC)，從而幫助擴大了3D打印在核能領(lǐng)域的應(yīng)用。