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ENEA通過2PP 3D打印技術(shù),研發(fā)并測試用于慣性約束聚變(ICF)實驗微結(jié)構(gòu)靶材

3D打印動態(tài)
2025
06/13
16:54
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本帖最后由 冰墩熊 于 2025-6-13 16:55 編輯

2025年6月13日,南極熊獲悉,意大利能源研究機構(gòu)ENEA(意大利國家新技術(shù)、能源與可持續(xù)經(jīng)濟發(fā)展局)的研究人員通過雙光子聚合(2PP)3D打印方法,制造出精密的泡沫狀微結(jié)構(gòu)材料,并在高功率納秒激光脈沖下對性能進(jìn)行了實驗和模擬分析。這些3D打印的靶材在面對激光驅(qū)動時表現(xiàn)出良好的燒蝕特性和激光散射機制,有望用于未來慣性約束聚變(ICF)實驗中的靶材設(shè)計。

△相關(guān)研究成果由Mattia Cipriani領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊完成并發(fā)表在《arXiv》上,研究題目為“慣性約束聚變相關(guān)強度激光輻照3D打印微結(jié)構(gòu)的實驗與模擬研究”(傳送門)

研究團隊利用ENEA弗拉斯卡蒂研究中心的40 J“ABC”釹玻璃激光器進(jìn)行了關(guān)鍵實驗,并結(jié)合了3D FLASH輻射流體動力學(xué)模擬,對燒蝕速度和激光散射機制進(jìn)行了量化分析。這些機制對于未來ICF靶的設(shè)計至關(guān)重要。

慣性約束聚變是一種先進(jìn)的核聚變技術(shù),通過強激光或粒子束的快速能量爆發(fā)來壓縮和加熱由氘和氚(氫的同位素)制成的小燃料球,以實現(xiàn)核聚變。這項研究展示了增材制造技術(shù)在ICF靶材料制備方面的潛力,證明了它不僅是一種原型工具,而是一種精密工程材料制備方法。

△目標(biāo)支架的生產(chǎn)和微結(jié)構(gòu)的制作技術(shù)示意圖

2PP用于聚變靶設(shè)計的3D打印對數(shù)堆晶格結(jié)構(gòu)

研究團隊與立陶宛維爾紐斯大學(xué)激光納米光子學(xué)小組合作,通過雙光子聚合激光直寫技術(shù),成功制作了寬度為500 µm的對數(shù)堆晶格結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)采用SZ2080混合光聚合物打印而成,并固定在立體光刻打印的夾具中,具有39 µm的細(xì)絲間距和14 µm的支柱直徑,體積密度達(dá)到0.35 g cm⁻³。

實驗中,單個5納秒、1054納米的脈沖聚焦至50微米或100微米的點,輻射強度介于1.3×10¹⁴ W cm⁻²到7×10¹⁴ W cm⁻²之間,靶材厚度為100至400微米。時間分辨診斷技術(shù)包括條紋相機成像、快速光電二極管用于反射/透射光檢測,以及用于監(jiān)測激光-等離子體不穩(wěn)定的可見光譜法。

△ENEA使用的實驗裝置,展示了快速光電二極管、條紋相機和光譜儀的位置

四次FLASH實驗精確再現(xiàn)了晶格幾何形狀和激光錐形結(jié)構(gòu),揭示了兩種極限情況:光束以細(xì)絲交叉點(“C”)和通孔(“H”)為中心。H幾何形狀中的溝道效應(yīng)導(dǎo)致快速體積加熱和更早的突破,而C光束的燒蝕速度較慢。預(yù)測的侵蝕波突破時間為6.4-9.4納秒,實際速度分別在24微米/納秒和31微米/納秒之間。

條紋圖像顯示,在低強度下平均侵蝕速度為25 µm ns⁻¹,在峰值強度下平均侵蝕速度為29 µm ns⁻¹,均在模擬范圍內(nèi)。接近零的透射率和顯著變化的反射率表明存在強烈的晶格內(nèi)散射。時間積分光譜捕獲了雙等離子體衰變發(fā)射,突顯了膨脹泡沫內(nèi)部復(fù)雜的密度梯度。

根據(jù)實驗結(jié)論得知,精心設(shè)計的泡沫有望控制激光壓印,增強吸收,并在直接驅(qū)動ICF膠囊中承載先進(jìn)的“濕潤泡沫”燃料層。研究通過展示實驗與第一性原理3D模擬之間的定量一致性,驗證了設(shè)計下一代聚變靶所需的制造路線和建模工具。

△展示了進(jìn)行模擬實驗的初始設(shè)置

標(biāo)準(zhǔn)化和高速升級推動雙光子聚合走向?qū)嶋H應(yīng)用

自ENEA首次構(gòu)思結(jié)構(gòu)化泡沫靶材項目以來,2PP技術(shù)已迅速成熟。2024年,維也納工業(yè)大學(xué)-加州理工學(xué)院- UpNano團隊建立了2PP部件的首個塊體樣品力學(xué)基準(zhǔn),證明該工藝能夠滿足嚴(yán)苛的應(yīng)用要求。2020年,總部位于維也納的UpNano利用一瓦激光器和自適應(yīng)分辨率光學(xué)系統(tǒng),在保持亞微米保真度的同時,縮短了構(gòu)建時間。這些進(jìn)步共同構(gòu)成了ENEA最新工作的框架,使它成為一個更廣泛趨勢的一部分:微型3D打印技術(shù)正變得越來越快速、可重復(fù)且性能越來越完善,足以滿足下一代聚變靶材和其它高性能應(yīng)用的需求。




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