3D打印钨瓦片完成托卡马克测试

北卡罗来纳州立大学、橡树岭国家实验室（ORNL）和JEOL组成的团队，已经3D打印出用于DIII-D托卡马克内壁的钨瓦片，并在具有显著热流和粒子通量的等离子体放电条件下进行了测试。

制造钨材料：在聚变装置中，面向等离子体的部件需要承受强烈的热负荷和辐照，因此需要一种能够耐受这些条件并将热能从装置中导出的材料。钨一直被视为该用途的主要候选材料。

然而，由于钨的韧脆转变温度较高，且其熔点很高（而这正是它适用于聚变应用的原因之一），采用传统工艺将钨加工成所需形状较为困难。

据北卡罗来纳州立大学介绍，数年前，该校与ORNL采用了一种名为电子束粉末床熔融（EB-PBF）的3D打印方法，制造出致密且无裂纹的钨件。该方法在真空腔室中利用电子束逐层熔化钨粉，同时利用电子束保持周围材料处于高温。

参与该项目的ORNL研究人员Michael Kirka表示：“钨目前是所有人都希望在聚变反应堆中使用的材料，但将其加工成复杂形状极为困难。”“在大多数领域都认为打印钨必然会开裂的情况下，我们借助电子束增材制造做到了这一点。这些瓦片是这些年工作的成果体现。”

扩大规模：2025年，研究团队使用DIII-D的偏滤器材料评估系统，对打印的小型钨圆片进行了测试。样品承受的热流接近20 MW/m2，短时峰值超过35 MW/m2，表面损伤极小。

据北卡罗来纳州立大学介绍，在此结果基础上，研究团队被要求测试一块全尺寸打印瓦片。该校增材制造与物流中心的研究主任、副教授Tim Horn表示，他同意了这一提议，但清楚其中有重要细节需要解决。瓦片尺寸约需达到140×130毫米，而北卡罗来纳州立大学此前打印的最大钨件横向尺寸仅约50毫米。

Horn表示：“实现这一目标面临重大挑战。我们理解钨增材制造背后的工艺科学以及放大规模所涉及的物理问题。我们需要的是能够快速推进的硬件和合作伙伴。ORNL和JEOL正是如此。”

据Horn介绍，显然，该校自有设备无法在如此大尺寸的成形过程中，在所需条件下承载这种高温材料。因此，团队与JEOL合作，后者拥有大型电子束粉末床熔融系统JAM-5200EBM，并且一直在其设备上开发钨打印工艺。

在与ORNL和北卡罗来纳州立大学合作期间，JEOL团队打印了平板和穹顶两种设计的多个迭代版本，并成功打印出符合设计公差、且无重大缺陷的瓦片。北卡罗来纳州立大学的研究人员采用机械加工技术完成成形，并制成具有镜面效果的面向等离子体表面。

在DIII-D的测试：瓦片被安装在铜合金基座上，并于2026年7月安装在DIII-D的下偏滤器中。在DIII-D的瓦片测试活动期间，瓦片经历了三天的等离子体直接照射，包括在中到高功率下进行的74次高约束“H模”等离子体放电。

Horn表示，目前正在对瓦片进行拆卸、成像和表面扫描，以便与暴露前的状态进行比较，相关分析将由北卡罗来纳州立大学牵头。

Kirka表示：“长期以来，聚变一直被称为未来的能源来源。阻碍其发展的因素之一，是能够在装置内部承受运行环境的材料。”“证明打印钨瓦片能够装入运行中的托卡马克，并在完整状态下取出，使增材制造从‘有前景’迈向了聚变领域的‘已验证’。”