中国3D打印机网PPPL工程师利用3D打印模型组装核聚变装置，确保组件精确对齐并降低组装风险
2025年6月2日，美国普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的工程师们正在为组装聚变研究装置国家球形环面实验升级版(NSTX-U)
做准备，预计将于 2026 年开始运行。为了确保组件精确对准，他们制作了 50 多个 3D 打印原型。NSTX-U
的核心是一个磁体束，它将一个 19 英尺长的环形场(TF) 磁体与一个欧姆加热 (OH) 线圈结合在一起。
△NSTX-U 上的 3D 打印组件。图片来源：NSTX-U 项目团队 / PPPL。
TF磁体设计可承载高达400万安培的电流，并将连接到12个外部线圈，用于在实验期间稳定等离子体。缠绕在TF磁体上的OH线圈将产生4千伏的电场，从而感应电流并将等离子体加热到聚变所需的温度。该项目的目标是评估这些较小的球形托卡马克是否能为未来的聚变试验工厂提供实用且经济高效的解决方案。
NSTX-U 项目总监兼工程副实验室主任 Dave Micheletti 说道：“使用 3D 打印原型对于降低风险和加快进度至关重要。它让我们能够确认组件是否能够组装在一起，并消除了最终组装开始后的返工风险。这既节省了时间，又节省了成本。”
△机械工程师 Samuel Sheckman（左）和高级工程师 Danny Cai 手持环形场线圈顶部的 3D 模型。照片来自 PPPL。
利用 3D 打印进行微调组装
为了降低组装风险，工程师们使用了3D打印模型。其中包括一个磁束顶部的红色塑料复制品，尺寸为40英寸高，2英尺宽，并计划为下部部分制作更多大型模型。NSTX-U项目高级项目经理汤姆·杰尼根说道：“如果是在好莱坞的片场，你把TF-OH 3D打印模型涂成不同的颜色，它看起来就和机器本身一模一样。这是我们花得最值的钱。”
据开发团队介绍，3D 打印还有助于验证从磁束顶部延伸出的 36 条冷却水管的位置，这对于管理等离子体实验的热量至关重要。3D打印的其他原型，包括铜质电汇流条和各种支撑结构，使团队能够在生产开始前进行精确调整。铜汇流条的实际制造已经开始，使用的是PPPL车间的一台OMAX水射流机。
准备工作还包括在真空容器的上半部分安装2000块面向等离子的保护性瓷砖，并计划很快完成下半部分的安装。每块瓷砖的安装精度必须控制在千分之几英寸以内，以承受等离子测试的严苛条件。
与此同时，西班牙机械制造公司Elytt Energy的技术人员已经建造了TF磁体的四个象限，目前正在用金属带将它们压实在一起，以确保绝缘层受到均匀的压力。接下来，他们将用玻璃纤维包裹象限，并通过真空压力浸渍 (VPI) 工艺注入热树脂，形成单个固体磁体。TF 磁体完成后，OH 线圈将绕在上面，并进行相同的工艺。
最终的磁体 束预计将于2025年秋季完成。之后，它将被运往PPPL，安装在NSTX-U的真空容器中。这些周密的准备工作旨在消除障碍，确认系统的准备就绪状态，使研究人员能够更接近评估球形托卡马克设计是否能够支持未来的聚变能。
△环形场线圈的四个象限在Elytt Energy进行压实。照片来自NSTX-U项目团队/PPPL
利用 3D 打印组件提高反应堆安全性
在更广泛的核能领域，增材制造同样被用于强化反应堆部件，实现更安全、更高效的运行。在2024年，西屋电气公司开发了独特的过滤底部喷嘴，以增强碎片捕获能力并提高压水反应堆（PWR）燃料组件的燃料耐久性。四个装有这些喷嘴的测试组件已交付给南方核电公司位于阿拉巴马州的约瑟夫·M·法利核电站，重点解决碎片微动问题，这是燃料泄漏的主要原因。西屋电气表示，增材制造技术对于改进设计、减小可能进入反应堆的碎片尺寸以及将抗碎片能力提高30%至关重要。
△增材制造的底部喷嘴。图片来自西屋电气公司
美国最大的能源研究实验室——橡树岭国家实验室（ORNL）的专家在接受3D打印行业采访时，阐述了3D打印如何惠及核能。孙欣教授和凯西·麦卡锡教授表示，3D打印技术能够生产先进的反应堆部件，例如燃料组件支架和通道紧固件，从而提高性能和安全性，并降低成本。
他们指出，3D打印不仅简化了制造流程，缩短了研发时间，还能支持集成传感器和人工智能的智能组件，从而提高核能运行的安全性。当时，监管机构正努力跟进这一新的制造模式，而ORNL则将3D打印方法授权给了UltraSafe
Nuclear Corporation (USNC)，从而帮助扩大了3D打印在核能领域的应用。
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