光固化技術(shù)開發(fā)核應(yīng)用3D打印鈾結(jié)構(gòu)

2024年6月23日，南極熊獲悉，研究人員首次成功利用光固化3D打印技術(shù)生產(chǎn)出用于核應(yīng)用的鈾基部件。該工藝?yán)免欟ｊ栯x子作為光催化劑，用于光聚合增材制造。

相關(guān)研究以題為“First Structured Uranium-BasedMonoliths Produced via Vat Photopolymerization for Nuclear Applications/通過大桶光聚合生產(chǎn)的第一個(gè)用于核應(yīng)用的結(jié)構(gòu)化鈾基整體”的論文被發(fā)表在《Advanced Functional Materials》期刊上，論文由AliceZanini, Pedro Amador Celdran等人聯(lián)合撰寫。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202406916

圖1 鈾基復(fù)合成分合成方案示意圖。1) 硝酸鈾酰與檸檬酸的絡(luò)合。2) 使用鈾酰-檸檬酸鹽復(fù)合物、蔗糖和 PEGDA M n 575 制備可光固化的溶膠-凝膠基配方。3) 通過紫外可見光曝光對(duì)鈾酰-檸檬酸鹽復(fù)合物進(jìn)行光活化并通過 DLP 制造。4) 在空氣中在 120°C 下進(jìn)行聚酯化，以形成共價(jià)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，其中 U 離子被捕獲。5) 在氬氣氣氛下在1700°C 下進(jìn)行碳熱還原。

圖2 通過 DLP 制造鈾基組件。a) 打印組件的CAD 模型和光學(xué)圖像（打印時(shí)和在 1700 °C 下燒結(jié)24 小時(shí)后）：盤狀開爾文單元衍生結(jié)構(gòu)（上）和螺旋結(jié)構(gòu)（下）。紅色是由于加入了光吸收劑。b) 燒結(jié)組件的 CAD 模型（下）和 SEM 圖像（上）之間的比較。在更高的放大倍數(shù)下，燒結(jié)打印支柱中的像素形狀清晰可見。

圖3 鈾酰介導(dǎo)的 PEGDA M n 575 光裂解可引發(fā)光聚合過程。a) 建議的機(jī)制：1- 通過配體到金屬的電荷轉(zhuǎn)移對(duì)鈾酰-檸檬酸鹽復(fù)合物進(jìn)行光活化。2- 通過鈾酰自由基復(fù)合物的氫提取形成碳基自由基。3- 光聚合過程。b) 可光固化配方和硝酸鈾酰水溶液的紫外可見光譜。

圖4 U基印刷組件的結(jié)構(gòu)表征。a) XRD 圖案和 b) 氬氣中 1700°C 下不同燒結(jié)時(shí)間的拉曼光譜。

圖5 打印部件的化學(xué)和形態(tài)表征。a) 使用二次電子進(jìn)行碳熱還原后的代表性復(fù)雜部件的 SEM 圖像。b) 在 1700°C 下燒結(jié) 24 小時(shí)的碳化鈾/碳納米復(fù)合材料的 SEM 和 EDX 映射圖像。

鈾在核物理和放射性藥物學(xué)中至關(guān)重要，由于其復(fù)雜的光化學(xué)性質(zhì)，在傳統(tǒng)3D 打印制作方法中面臨挑戰(zhàn)。然而，這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了一種新的合成方案，將鈾酰陽離子整合到可光固化的溶膠-凝膠配方中。該方法將鈾酰離子的光化學(xué)反應(yīng)與大桶光聚合技術(shù)相結(jié)合，特別是數(shù)字光處理(DLP)。然后通過碳熱還原將所得的 3D 打印結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為二碳化鈾 (UC2)/碳納米復(fù)合材料。

這項(xiàng)研究表明，增材制造能夠制造復(fù)雜、微結(jié)構(gòu)的鈾組件，并實(shí)現(xiàn)精確的幾何控制。這些結(jié)構(gòu)在反應(yīng)堆組件和核燃料結(jié)構(gòu)中具有潛在應(yīng)用，可充分利用鈾碳化物的高鈾密度和熱性能。DLP 技術(shù)具有高分辨率，能夠生產(chǎn)具有復(fù)雜細(xì)節(jié)和功能孔隙度的部件。這種孔隙度可以增強(qiáng)核燃料的熱機(jī)械性能和氣體輸送。

這項(xiàng)研究為鈾在增材制造中的應(yīng)用開辟了新途徑，增強(qiáng)了核材料的設(shè)計(jì)和功能。該過程證明了直接對(duì)鈾基材料進(jìn)行圖案化的可行性，為核應(yīng)用提供了一種創(chuàng)建高保真復(fù)雜結(jié)構(gòu)的方法。