ENEA通过2PP 3D打印技术，研发并测试用于惯性约束聚变（ICF）实验微结构靶材

2025年6月13日，南极熊获悉，意大利能源研究机构ENEA（意大利国家新技术、能源与可持续经济发展局）的研究人员通过双光子聚合（2PP）3D打印方法，制造出精密的泡沫状微结构材料，并在高功率纳秒激光脉冲下对性能进行了实验和模拟分析。这些3D打印的靶材在面对激光驱动时表现出良好的烧蚀特性和激光散射机制，有望用于未来惯性约束聚变（ICF）实验中的靶材设计。

△相关研究成果由Mattia Cipriani领导的研究团队完成并发表在《arXiv》上，研究题目为“惯性约束聚变相关强度激光辐照3D打印微结构的实验与模拟研究”（传送门）

研究团队利用ENEA弗拉斯卡蒂研究中心的40 J“ABC”钕玻璃激光器进行了关键实验，并结合了3D FLASH辐射流体动力学模拟，对烧蚀速度和激光散射机制进行了量化分析。这些机制对于未来ICF靶的设计至关重要。

惯性约束聚变是一种先进的核聚变技术，通过强激光或粒子束的快速能量爆发来压缩和加热由氘和氚（氢的同位素）制成的小燃料球，以实现核聚变。这项研究展示了增材制造技术在ICF靶材料制备方面的潜力，证明了它不仅是一种原型工具，而是一种精密工程材料制备方法。

△目标支架的生产和微结构的制作技术示意图

2PP用于聚变靶设计的3D打印对数堆晶格结构

研究团队与立陶宛维尔纽斯大学激光纳米光子学小组合作，通过双光子聚合激光直写技术，成功制作了宽度为500 µm的对数堆晶格结构。该结构采用SZ2080混合光聚合物打印而成，并固定在立体光刻打印的夹具中，具有39 µm的细丝间距和14 µm的支柱直径，体积密度达到0.35 g cm⁻³。

实验中，单个5纳秒、1054纳米的脉冲聚焦至50微米或100微米的点，辐射强度介于1.3×10¹⁴ W cm⁻²到7×10¹⁴ W cm⁻²之间，靶材厚度为100至400微米。时间分辨诊断技术包括条纹相机成像、快速光电二极管用于反射/透射光检测，以及用于监测激光-等离子体不稳定的可见光谱法。

△ENEA使用的实验装置，展示了快速光电二极管、条纹相机和光谱仪的位置

四次FLASH实验精确再现了晶格几何形状和激光锥形结构，揭示了两种极限情况：光束以细丝交叉点（“C”）和通孔（“H”）为中心。H几何形状中的沟道效应导致快速体积加热和更早的突破，而C光束的烧蚀速度较慢。预测的侵蚀波突破时间为6.4-9.4纳秒，实际速度分别在24微米/纳秒和31微米/纳秒之间。

条纹图像显示，在低强度下平均侵蚀速度为25 µm ns⁻¹，在峰值强度下平均侵蚀速度为29 µm ns⁻¹，均在模拟范围内。接近零的透射率和显著变化的反射率表明存在强烈的晶格内散射。时间积分光谱捕获了双等离子体衰变发射，突显了膨胀泡沫内部复杂的密度梯度。

根据实验结论得知，精心设计的泡沫有望控制激光压印，增强吸收，并在直接驱动ICF胶囊中承载先进的“湿润泡沫”燃料层。研究通过展示实验与第一性原理3D模拟之间的定量一致性，验证了设计下一代聚变靶所需的制造路线和建模工具。

△展示了进行模拟实验的初始设置

标准化和高速升级推动双光子聚合走向实际应用

自ENEA首次构思结构化泡沫靶材项目以来，2PP技术已迅速成熟。2024年，维也纳工业大学-加州理工学院- UpNano团队建立了2PP部件的首个块体样品力学基准，证明该工艺能够满足严苛的应用要求。2020年，总部位于维也纳的UpNano利用一瓦激光器和自适应分辨率光学系统，在保持亚微米保真度的同时，缩短了构建时间。这些进步共同构成了ENEA最新工作的框架，使它成为一个更广泛趋势的一部分：微型3D打印技术正变得越来越快速、可重复且性能越来越完善，足以满足下一代聚变靶材和其它高性能应用的需求。