印刷聚变发电厂材料的新方法

当亚历山大·奥布莱恩（Alexander O’Brien）提交麻省理工学院核科学与工程系研究生院的申请时，他已经酝酿了一个研究想法的萌芽。因此，当他接到李明达教授的电话时，他分享了这个消息：这位来自阿肯色州的学生想探索可以将核反应堆固定在一起的材料设计。

李耐心地听了他的话，然后说：“我认为你非常适合李菊教授，”奥布莱恩回忆道。巴特尔能源联盟核工程教授Ju Li曾想探索核反应堆的3D打印，而奥布莱恩似乎是合适的人选。“那一刻，如果他们接受我，我决定去麻省理工学院，”奥布莱恩回忆道。

他们做到了。

在Ju Li的建议下，这位四年级博士生现在正在探索陶瓷 – 金属复合材料的3D打印，这种材料可用于建造聚变发电厂。

早期对科学的兴趣

奥布莱恩在阿肯色州斯普林代尔长大，自称是“乐队书”，他对化学和物理特别感兴趣。将小苏打和醋混合制成“火山”是一回事，而理解为什么会发生这种情况则是另一回事。“我只是喜欢在更深层次上理解事物，并能够弄清楚世界是如何运作的，”他说。

与此同时，很难忽视在他自己的后院上演的能源经济学。当阿肯色州，一个几乎没有见过地震的地方，在邻近的俄克拉荷马州发生水力压裂后开始登记地震时，这对奥布莱恩来说“就像一个灯泡时刻”。“我知道这会产生问题，我知道必须有更好的方法来做[能量]，”他说。

随着能源替代品的想法被搁置一旁，奥布莱恩在阿肯色大学注册了本科学习。他参加了学校的游行乐队——“你比其他人早一周出现，有400人自动成为你的朋友”——并享受一所大型公立学校可以提供的社交环境。

奥布莱恩主修化学工程和物理学，并欣赏“让你的手弄脏机器以使事情运转的能力”。决定开始探索他对能源替代品的兴趣，奥布莱恩研究了过渡金属硫族化合物，其涂层可以催化析氢反应，更容易产生氢气，一种绿色能源替代品。

然而，就在大二后不久，奥布莱恩才真正在能源替代领域找到了自己的道路——核工程。美国化学学会正在征求学生申请在加利福尼亚州圣何塞进行核化学暑期学习。奥布莱恩申请并被录取。“多年来，我知道我想从事绿色能源工作，但不知道那是什么样子，我很快就爱上了[核工程]，”他说。那年夏天也巩固了奥布莱恩上研究生院的决定。“我的想法是’我需要去读研究生，因为我需要更多地了解这一点’，”他说。

奥布莱恩特别赞赏作为暑期计划一部分的一个独立项目：他选择研究核动力航天器。在深入挖掘的过程中，奥布莱恩发现了为航天器提供动力的挑战——核能是最可行的替代方案，但它必须围绕太空中的外来辐射源工作。探索圣何塞附近的国家实验室敲定了这笔交易。“我参观了国家点火设施，这是那里的大型核聚变中心，看到这个完全围绕这个核变想法设计的大型设施对我来说有点令人兴奋，”奥布莱恩说。

聚变发电厂的新蓝图

奥布莱恩目前在麻省理工学院核科学与工程系（NSE）的研究同样令人兴奋。

随着新聚变装置的设计开始，越来越明显的是，我们一直在使用的材料无法承受操作环境中更高的温度和辐射水平，O’Brien说。增材制造是3D打印的另一个术语，“为你可以用金属做什么开辟了一个全新的可能性领域，这正是你[建造下一代聚变发电厂]所需要的，”他说。

金属和陶瓷本身可能无法承受高温（750摄氏度是目标）以及应力和辐射，但它们可能会一起到达那里。虽然这种金属基复合材料已经存在了几十年，但它们在反应堆中使用是不切实际的，因为它们“很难以任何均匀性制造，而且尺寸规模非常有限，”奥布莱恩说。这是因为当你试图将陶瓷纳米颗粒放入熔融金属池中时，它们会朝它们想要的任何方向掉落。“3D打印迅速完全改变了这个故事，如果你想在非常特定的区域添加这些纳米颗粒，你就有能力做到这一点，”O’Brien说。

O’Brien的工作构成了他的博士论文和《 增材制造》杂志上一篇研究论文的基础，涉及用陶瓷纳米颗粒植入金属。最终结果是一种金属基复合材料，它是聚变装置的理想候选者，特别是真空容器组件，它必须能够承受高温、腐蚀性极强的熔盐和核嬗变产生的内部氦气。

O’Brien的工作重点是镍高温合金，如铬镍铁合金718，它们是特别坚固的候选者，因为它们可以承受更高的工作温度，同时保持强度。氦脆，即由聚变中子引起的氦气泡导致弱点和失效，是铬镍铁合金718的一个问题，但复合材料显示出克服这一挑战的潜力。

为了制造复合材料，首先进行机械铣削工艺将陶瓷涂覆到金属颗粒上。陶瓷纳米颗粒可作为增强剂，特别是在高温下，并使材料的使用寿命更长。纳米颗粒在均匀分散时也会吸收氦气和辐射缺陷，从而防止这些损伤剂全部到达晶界。

然后，复合材料经过称为粉末床融合（非核聚变）的3D打印过程，其中激光穿过该粉末的床，将其熔化成所需的形状。“通过用陶瓷涂覆这些颗粒，然后只熔化非常特定的区域，我们将陶瓷保持在我们想要的区域，然后你可以建立并具有均匀的结构，”奥布莱恩说。

印刷令人振奋的未来

核材料的3D打印显示出如此大的希望，以至于奥布莱恩正在考虑在他的博士研究之后追求这一前景。“这些金属基复合材料的概念以及它们如何增强材料性能非常有趣，”他说。通过一家初创公司将其商业规模扩大是他的雷达。

目前，奥布莱恩正在享受研究，并偶尔与妻子一起观看百老汇演出。虽然乐队书不再拿起他的萨克斯管了，但他确实喜欢开车去新罕布什尔州背包旅行。“这是我新发现的爱好，”奥布莱恩说，“自从我开始读研究生以来。