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

2025年6月13日，南極熊獲悉，意大利能源研究機構ENEA（意大利國家新技術、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構材料，并在高功率納秒激光脈沖下對性能進行了實驗和模擬分析。這些3D打印的靶材在面對激光驅動時表現(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）實驗中的靶材設計。

△相關研究成果由Mattia Cipriani領導的研究團隊完成并發(fā)表在《arXiv》上，研究題目為“慣性約束聚變相關強度激光輻照3D打印微結構的實驗與模擬研究”（傳送門）

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

慣性約束聚變是一種先進的核聚變技術，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。

△目標支架的生產和微結構的制作技術示意圖

2PP用于聚變靶設計的3D打印對數(shù)堆晶格結構

研究團隊與立陶宛維爾紐斯大學激光納米光子學小組合作，通過雙光子聚合激光直寫技術，成功制作了寬度為500 µm的對數(shù)堆晶格結構。該結構采用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的細絲間距和14 µm的支柱直徑，體積密度達到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構，揭示了兩種極限情況：光束以細絲交叉點（“C”）和通孔（“H”）為中心。H幾何形狀中的溝道效應導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。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，突顯了膨脹泡沫內部復雜的密度梯度。

根據(jù)實驗結論得知，精心設計的泡沫有望控制激光壓印，增強吸收，并在直接驅動ICF膠囊中承載先進的“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，驗證了設計下一代聚變靶所需的制造路線和建模工具。

△展示了進行模擬實驗的初始設置

標準化和高速升級推動雙光子聚合走向實際應用

自ENEA首次構思結構化泡沫靶材項目以來，2PP技術已迅速成熟。2024年，維也納工業(yè)大學-加州理工學院- UpNano團隊建立了2PP部件的首個塊體樣品力學基準，證明該工藝能夠滿足嚴苛的應用要求。2020年，總部位于維也納的UpNano利用一瓦激光器和自適應分辨率光學系統(tǒng)，在保持亞微米保真度的同時，縮短了構建時間。這些進步共同構成了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打印技術正變得越來越快速、可重復且性能越來越完善，足以滿足下一代聚變靶材和其它高性能應用的需求。