耗时18月手搓金属3D打印核聚变反应堆:等离子体已就位,就差氘气燃料

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2026年7月14日,南极熊获悉,油管频道"Made By Martin"的创建者Martin用18个月时间,借助金属3D打印技术建造了一台范斯沃斯-赫希聚变器(Farnsworth-Hirsch Fusor),一种通过静电约束实现核聚变的装置。他采用了激光粉末床熔融(LPBF)打印了球形真空室,成功达到聚变所需的等离子体条件,最终因无法获取氘气燃料而止步。

Martin的3D打印核聚变反应堆
△Martin的3D打印核聚变反应堆


聚变器的原理与挑战

Martin的小型化静电聚变装置聚变器结构不算复杂:一个球形真空室,中心悬挂金属丝笼,施加极高负电压电离氘气,将原子加速向中心碰撞实现聚变。它无法发电(聚变器是出了名的"能量黑洞"),但物理原理真实,且运行时会产生标志性的"瓶中星光"。

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Martin遇到的第一技术难题是真空室。定制带有足够端口数的球形真空室,制造商报价至少1.5万美元(约合10万人民币);即使自己用标准法兰焊接在钢壳上,也要数千美元。所以他决定自己动手,金属3D打印在理论上可以一次性成形复杂端口布局,省掉机加工和焊接,但这套理论一旦碰上超高真空密封件的实际要求就出了新问题。

油管频道
△油管频道"Made By Martin"的创建者Martin


配合五轴机床精加工获得精密部件

ISO和Conflat真空接头都依赖近乎镜面的表面光洁度,一个靠O型圈压在绝对平整的平面之间,一个靠铜环挤压在刀刃状法兰上。Martin坦言:"金属3D打印无法制造出这些接头所需的完美镜面。表面粗糙且有颗粒感。这意味着漏气,漏气意味着建不了真空。”

采用3D打印技术制造的真空室
△采用3D打印技术制造的真空室


    他的解决办法简单粗暴:在所有配合面上增加额外材料,然后送到本地数控加工厂用五轴机床加工到所需光洁度。最终他选择了ISO接头(而非更严苛的Conflat),组装了三级真空系统:粗抽泵从大气压抽到约10⁻³帕,涡轮分子泵进一步压缩至太空级真空,eBay淘来的皮拉尼真空计全程监测。真空室保持数天不漏。

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从聚变反应堆到真空系统平台

      Martin启动装置后达到了聚变所需的等离子体条件,氘气却买不到。Martin解释说:“由于世界局势动荡,从德国购买氘气非常困难且昂贵”。电解重水提取氘同样价格高昂。最终,他调整了方向:项目目标从"造核反应堆"变成"造一套易用且廉价的超高真空系统"。他已经在研发离子推进器和规划电子显微镜,共用同一套真空基础设施。

     事实上,Martin并非首位采用3D打印技术制造聚变装置的技术爱好者。2019年发表在arXiv上的一篇论文记录了首个能够达到10⁻¹⁰ mbar以下压力的3D打印金属腔室,而2023年诺丁汉大学和苏塞克斯大学参与的一项可行性研究得出结论:金属增材制造是制造超高真空硬件的切实可行的途径。普林斯顿大学等离子体物理实验室在2024年底利用现成组件制造了一台厨房餐桌大小的3D打印聚变装置;而佛罗里达初创公司AMPERA在上个月发布了号称首个全尺寸3D打印裂变反应堆模块。这些案例表明,核能硬件的门槛正在降低,而3D打印是降低这个门槛的关键工具之一。

    来源:南极熊


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