ステレオリソグラフィー技術により、核応用のための3Dプリントウラン構造が開発される

2024年6月23日、アンタークティックベアは、研究者が光硬化型3Dプリント技術を使用して、核用途のウランベースの部品を製造することに初めて成功したことを知りました。このプロセスでは、光重合添加剤製造用の光触媒としてウラニルカチオンを使用します。
関連研究は、アリス・ザニーニ、ペドロ・アマドール・セルドランらが共著者となり、「原子核用途向けにバット光重合で製造された初の構造化ウランベースモノリス」と題する論文とともに、Advanced Functional Materials誌に掲載されました。

論文リンク: https://doi.org/10.1002/adfm.202406916
図1 ウランベース複合部品の合成スキームの概略図。 1) 硝酸ウラニルとクエン酸の錯体形成。 2) ウラニルクエン酸錯体、スクロース、PEGDA M n 575 を使用した光硬化性ゾルゲルベースの配合物の調製。 3) 紫外線可視光照射によるウラニルクエン酸錯体の光活性化とDLPによる製造。 4) 空気中120℃でポリエステル化を行い、Uイオンが捕捉された共有結合架橋ネットワークを形成した。 5) アルゴン雰囲気下、1700℃で炭素熱還元を行った。図2 DLPによるウランベース部品の製造。 a) 印刷されたコンポーネントの CAD モデルと光学画像 (印刷したままの状態と 1700 °C で 24 時間焼結した後の状態): ディスク状のケルビン単位由来の構造 (上) とらせん構造 (下)。赤い色は光吸収剤の添加によるものです。 b) 焼結部品の CAD モデル (下) と SEM 画像 (上) の比較。倍率を上げると、焼結印刷された柱のピクセル形状がはっきりと見えます。図 3 ウラニルを介した PEGDA Mn575 の光分解により光重合プロセスが開始されます。 a) 提案されたメカニズム：1-リガンドから金属への電荷移動を介したウラニルクエン酸錯体の光活性化。 2- ウラニルラジカル錯体からの水素引き抜きによるカルボニルラジカルの形成。 3- 光重合プロセス。 b) 光硬化性配合物と硝酸ウラニル水溶液の紫外可視スペクトル。図4 Uベースの印刷部品の構造特性。 a) アルゴン中 1700 °C での異なる焼結時間の XRD パターンと b) ラマンスペクトル。図5 印刷された部品の化学的および形態学的特性。 a) 二次電子を用いた炭素熱還元後の代表的な複合成分の SEM 画像。 b) 1700℃で24時間焼結したウラン炭化物/炭素ナノ複合材料のSEMおよびEDXマッピング画像。
ウランは原子物理学や放射性医薬品において極めて重要ですが、その複雑な光化学的特性のために従来の 3D 印刷方法では課題に直面しています。しかし、この研究では、ウラニルカチオンを光硬化性ゾルゲル配合物に組み込むための新しい合成プロトコルに焦点を当てています。この方法は、ウラニルイオンの光化学反応とバット光重合技術、具体的にはデジタル光処理（DLP）を組み合わせたものです。得られた 3D プリント構造は、炭素熱還元によって二炭化ウラン (UC2)/炭素ナノ複合材料に変換されました。
この研究は、積層造形によって、精密な幾何学的制御により、複雑で微細構造のウラン部品を製造できることを実証しています。これらの構造は、ウラン炭化物の高いウラン密度と熱特性を利用して、原子炉部品や核燃料構造に応用できる可能性があります。 DLP テクノロジーは高解像度を備えており、複雑なディテールと機能的な多孔性を備えた部品を製造できます。この多孔性により、核燃料の熱機械的特性とガス輸送が向上します。
この研究は、付加製造におけるウランの使用に新たな道を開き、核物質の設計と機能性を強化します。このプロセスは、ウランベースの材料を直接パターン化する可能性を実証し、核用途向けの高精度の複雑な構造を作成する方法を提供します。

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