ENEA通過2PP 3D打印技術(shù)，研發(fā)并測(cè)試用于慣性約束聚變（ICF）實(shí)驗(yàn)微結(jié)構(gòu)靶材

2025年6月13日，南極熊獲悉，意大利能源研究機(jī)構(gòu)ENEA（意大利國家新技術(shù)、能源與可持續(xù)經(jīng)濟(jì)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(duì)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和模擬分析。這些3D打印的靶材在面對(duì)激光驅(qū)動(dòng)時(shí)表現(xiàn)出良好的燒蝕特性和激光散射機(jī)制，有望用于未來慣性約束聚變（ICF）實(shí)驗(yàn)中的靶材設(shè)計(jì)。

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

研究團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)，并結(jié)合了3D FLASH輻射流體動(dòng)力學(xué)模擬，對(duì)燒蝕速度和激光散射機(jī)制進(jìn)行了量化分析。這些機(jī)制對(duì)于未來ICF靶的設(shè)計(jì)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)核聚變。這項(xiàng)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(jì)的3D打印對(duì)數(shù)堆晶格結(jié)構(gòu)

研究團(tuán)隊(duì)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(duì)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(shí)驗(yàn)中，單個(gè)5納秒、1054納米的脈沖聚焦至50微米或100微米的點(diǎn)，輻射強(qiáng)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(shí)間分辨診斷技術(shù)包括條紋相機(jī)成像、快速光電二極管用于反射/透射光檢測(cè)，以及用于監(jiān)測(cè)激光-等離子體不穩(wěn)定的可見光譜法。

△ENEA使用的實(shí)驗(yàn)裝置，展示了快速光電二極管、條紋相機(jī)和光譜儀的位置

四次FLASH實(shí)驗(yàn)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(diǎn)（“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(cè)的侵蝕波突破時(shí)間為6.4-9.4納秒，實(shí)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(qiáng)度下平均侵蝕速度為25 µm ns⁻¹，在峰值強(qiáng)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(qiáng)烈的晶格內(nèi)散射。時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)論得知，精心設(shè)計(jì)的泡沫有望控制激光壓印，增強(qiáng)吸收，并在直接驅(qū)動(dòng)ICF膠囊中承載先進(jìn)的“濕潤泡沫”燃料層。研究通過展示實(shí)驗(yàn)與第一性原理3D模擬之間的定量一致性，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)的初始設(shè)置

標(biāo)準(zhǔn)化和高速升級(jí)推動(dòng)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(xiàng)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(tuán)隊(duì)建立了2PP部件的首個(gè)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(shí)，縮短了構(gòu)建時(shí)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(gè)更廣泛趨勢(shì)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。