ENEA通過2PP 3D打印技術，研發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，意大利能源研究機構ENEA（意大利國家新技術、能源與可持續經濟發展局）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。
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。
2PP用于聚變靶設計的3D打印對數堆晶格結構
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，以及用于監測激光-等離子體不穩定的可見光譜法。
四次FLASH實驗精確再現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射，突顯了膨脹泡沫內部復雜的密度梯度。
根據實驗結論得知，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。
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，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。
(責任編輯：admin)
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