2022年12月，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）在国家点火装置（NIF）实现了聚变点火，全世界的目光都转向了这一突破性实验——旨在确保国家核武器库存——可能也为几乎无限的、安全的、无碳的聚变能源铺平道路。

先进的3D打印提供了一个潜在的解决方案，以弥合当前努力使惯性聚变能源（IFE）发电厂成为现实的科学和技术差距。

“现在我们已经实现了聚变点火，并重复了这一过程，”LLNL惯性聚变能源机构计划的负责人Tammy Ma说，“实验室正在迅速将我们几十年的专业知识应用于解决核心物理和工程挑战，这些挑战伴随着建设激光聚变发电厂所需的聚变生态系统这一艰巨任务。大规模生产点火级目标是其中之一，尖端3D打印技术可以帮助我们实现这一目标。”

今天的点火目标几乎是完美的空心钻石球体，包裹着氘和氚（DT）聚变燃料，悬挂在一个名为hohlraum的金制圆柱体内。当这些氢同位素暴露在强烈的激光能量下时，它们会聚变并产生比启动反应所需的更多的能量。

对完美的需求如此之高，以至于如果将NIF胶囊放大到地球大小，高于洛杉矶好莱坞标志的缺陷将是不合格的。

尽管NIF目标需要数月时间制造，但一个运行中的聚变能源发电厂将需要每天近一百万个目标，以每秒十次的速率点火。物理反应将与NIF的点火类似，但目标的生产需要一种全新的、可以在规模上工作的制作方法。

为了探索新的方法，实验室指导的研究与发展（LDRD）项目正在NIF开发3D打印目标能力。

这个由James Oakdale和Xiaoxing Xia领导的项目，正在通过构建一个工作流程来推进增材制造，设计、制造、表征和现场部署完全3D打印的燃料胶囊。它还在开发一种首创的双波长、双光子聚合（DW-2PP）方法，以推动当前增材制造的极限，满足点火目标的严格工程需求。

“我们专注于一种特定类型的湿泡沫胶囊，其中液态DT可以通过毛细作用被均匀地吸入球形胶囊内部的泡沫层，”Xia说，他是共同主要研究者，也是实验室材料工程部门的工作人员科学家。“目前的DT冰层过程需要一周时间以极度的细致来完成。3D打印可能是这种复杂几何形状在规模上的唯一工具。”

此外，新的DW-2PP方法将进一步提高打印分辨率，并实现多材料打印。如果成功，这个项目将解决3D打印点火胶囊的全部关键瓶颈。

“我们的DW-2PP打印机使用两种不同波长的光源来选择性地打印不同材料，具有亚微米分辨率，”共同主要研究者Oakdale说，他是实验室材料科学部门的工作人员科学家。“这种新能力让我们对胶囊和内部泡沫材料的空间化学和密度有着精细的控制，这使我们能够快速响应定制或一次性胶囊设计。”

这项工作已经显示出希望，3D打印目标在2024年的两次NIF实验中成功使用，预计未来一年将有更多。

这项技术是否最终成为聚变能源解决方案还有待观察。在NIF实验中使用3D打印已经产生了支持国家库存管理计划的重要数据，该计划利用NIF等独特设施在没有地下测试的情况下了解核武器。

“解锁聚变是美国竞争力的战略资产，”LLNL NIF & Photon Science Directorate的主要副主管Jeff Wisoff说。“投资基础科学和技术以建立在聚变点火的历史性成就之上是至关重要的。这样做既确保了库存，也为聚变能源革命奠定了基础。”