中国の科学者が核燃料打ち上げ用の3Dプリントセラミックで画期的な成果を達成

出典：中関村オンライン

中国の深セン大学と西南物理研究所の研究者らは、原子炉燃料を放出できるセラミック構造物を積層製造する手段を開発した。研究チームは、リチウムを充填したセラミックとDLP 3Dプリントを使用して、核融合プロセスで重要な要素であるトリチウムを自給自足で生産できる「増殖ブランケット」を作成することができました。将来的には、科学者らの細胞装置は、実験炉内部で見られるペブルベッドのより効率的なバージョンとして使用され、世界的なエネルギー不足の解決に向けた技術の進歩に貢献する可能性がある。

「[私たちの]構造は、高い相純度と、[トリチウム]増殖用途に適したカスタマイズ可能な効果的な『充填率』を備えています」と科学者たちは研究で述べています。「設計と製造を柔軟に制御できるという3Dプリント独自の利点は、核融合技術で使用するための新しいカスタマイズされた高性能トリチウム増殖構造への有望な道を切り開く可能性があります。」「

科学者らが3Dプリントした細胞構造は、従来の原子炉内のペブルベッドを置き換えるよう設計されている。 Additive Manufacturing 誌からの画像

トリチウムの核における重要な役割<br /> 原子力は多くの既存のエネルギー源に比べて安全性、クリーン性、持続可能な開発の面で潜在的な利点があるものの、その技術開発は実験炉で行われる研究開発に大きく依存しています。この研究では、重水素と三重水素を燃料として消費する、いわゆる「DT反応」を行うことが、核融合を抽出可能なエネルギーに変換するために重要です。

しかし、重水素資源は海水から抽出できるが、三重水素は地球上で自然には見つからないため、その生産は原子炉の性能向上に不可欠となっている。現在、水素同位体は、通常、原子炉心内のDT反応によって生成された中性子と効果的に衝突し、その過程でトリチウムガスを生成するリチウム含有「ブランケット」によって収集されます。

これらの吸収装置の中で、反応物質の放出を促進するために接線方向に詰められたペブルベッドが最も一般的に使用されていますが、これらの装置はひび割れが発生しやすく、不安定になる可能性があります。そのため、中国の科学者たちは、よりカスタマイズ性の高いペブルベッドの代替品を開発するために、3Dプリント技術を採用し、内部の接触点が少ないオールインワンのトリチウム接種ソリューションを作成し、脆弱性を軽減しました。

研究者らが3Dプリントしたプロトタイプ（写真）は、中空の統合構造を特徴としている。写真提供：Additive Manufacturing Magazine
3D プリントによる新しい燃料ベッド<br /> 実験は室温の相対湿度で行われるため、科学者たちは水蒸気と反応してその相の純度を失わない材料を開発する必要がありました。これを実現するために、研究チームは不活性アルゴンガスを満たしたグローブボックス内で、リチウム、セラミック、一酸化ケイ素を樹脂ベースのセラミック「スラリー」に混ぜ合わせた。

スラリーが準備できたら、研究者たちは市販の Ceraform100 3D プリンターを使用してそれを光重合させて細胞プロトタイプを作成し、その後、後処理プロセスで脱結合および焼結しました。結果として得られる 10 × 10 × 10 mm3 の横断構造は、現在小石層で見られるものと同様に、体積比または「充填率」が 60% になります。

さらに、研究チームの標本は最初は黄色がかった色をしていたが、脱脂処理によって泥の有機成分が焼き尽くされた後、結果として得られた標本はより伝統的な白色を帯びた。科学者たちは、モデルの寸法精度を「かなり良好」と評し、その後、収縮は均一であり、MES イメージングを使用することで、顕微鏡レベルでは亀裂がないことを確認しました。

プロトタイプが示した「欠陥のない構造的特徴」により、研究チームは、この新しい3Dプリント法がトリチウム接種構造の製造における「有望な」開発であり、現在実験用核融合炉で使用されている従来のペブルベッドの「魅力的な代替品」であると結論付けました。

研究チームが 3D プリントしたサンプルの SEM 画像。画像はAdditive Manufacturing誌より。
3D プリントが原子力分野に進出<br /> 付加製造技術の進歩により、より高温で耐熱性のある部品の製造が可能になり、この技術は原子力用途への利用がますます増えています。たとえば、韓国原子力研究所（KAERI）の研究者は、IAEA クラス 1 の耐性を備えた大型安全弁を 3D プリントしました。

一方、米国エネルギー省は3Dプリントの原子力への可能性に多額の投資を行っており、現在はオークリッジ国立研究所と協力して原子炉の炉心を製造している。原子力産業が最新技術を導入しやすくするために、変換チャレンジ炉（TCR）と呼ばれるマイクロリアクターが建設されています。

核融合プロセスの最適化に取り組んでいるアルゴンヌ国立研究所の科学者たちは、関連する廃棄物の最大97％を再利用できる方法を開発した。同チームは3Dプリント技術を使用して、最大99.9%の効率で不純物を除去できる相互接続された接触器のセットを作成しました。

研究者らの研究結果は、「3D プリントされたセラミックセル構造の潜在的な核融合応用」と題された論文に詳しく記載されています。この研究は、Liu Yu、Chen Zhangwei、Li Junjie、Gong Baoping、Wang Long、Lao Changshi、Wang Pei、Liu Changyong、Feng Yongjin、Wang Xiaoyuが共同執筆した。

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