3D打印在核電領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展

導(dǎo)讀：近年來，增材制造在能源領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，比如石油和天然氣領(lǐng)域，現(xiàn)在它也被用于核領(lǐng)域。近年來，核電行業(yè)日益受到重視，世界核協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)顯示，2019 年，核電行業(yè)在 33 個(gè)國(guó)家擁有 438 個(gè)可運(yùn)行反應(yīng)堆，是世界第二大低碳電力來源。此外，根據(jù)美國(guó)能源情報(bào)署（EIA）的數(shù)據(jù)，2020 年世界核電總發(fā)電量為 25,910 億千瓦時(shí)，占世界總發(fā)電量的 10.1%�，F(xiàn)在，核電領(lǐng)域積極探索包括增材制造在內(nèi)的新技術(shù)。為了更好地了解增材制造在核領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展，南極熊整理了3D打印在核電站中的一些主要用途。



●ORNL 的 3D 打印反應(yīng)器
核能和3D打印領(lǐng)域最活躍的參與者之一無疑是美國(guó)的橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL），這個(gè)團(tuán)隊(duì)多年來一直致力于研究增材制造如何影響核電領(lǐng)域。例如，2020 年 5 月，他們展示了第一個(gè)反應(yīng)堆堆芯原型，是通過DED機(jī)器3D金屬打印的。該項(xiàng)目是“轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)反應(yīng)堆示范”(TCR) 計(jì)劃的一部分，其目標(biāo)是在非常短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更便宜、更高效的能源系統(tǒng)。這個(gè)反應(yīng)堆堆芯從設(shè)計(jì)階段到后期處理只用了三個(gè)月時(shí)間，打印過程僅僅需要40小時(shí)的工作，溫度可以達(dá)到1,400°C。



●Ultra Safe Nuclear Corporation 與 ORNL 合作開發(fā)微型反應(yīng)堆
Ultra Safe Nuclear Corporation 是一家美國(guó)核公司，旨在開發(fā)和整合安全、清潔和具有商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的核解決方案。2022 年，它宣布計(jì)劃與橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室合作，利用后者的增材制造能力推進(jìn)核電，通過使用Binder Jetting技術(shù)來制造微型模塊化反應(yīng)堆。選擇增材制造技術(shù)能夠使團(tuán)隊(duì)克服與碳化硅相關(guān)的挑戰(zhàn)，他們將節(jié)省資金并設(shè)計(jì)處比傳統(tǒng)方法更復(fù)雜的幾何形狀。



●Czech Energy公司使用 3D 打印優(yōu)化供應(yīng)鏈
ČEZ 是中歐和東歐最大的公共企業(yè)，該公司的核部門與捷克核公司 Škoda JS 合作，選擇增材制造技術(shù)，優(yōu)化其自身的供應(yīng)鏈問題并減少停機(jī)時(shí)間。僅一年，他們就使用這項(xiàng)技術(shù)生產(chǎn)了 4159 個(gè)塑料和金屬零件。在新冠病毒和烏克蘭戰(zhàn)爭(zhēng)期間、該公司使用增材制造技術(shù)極大的降低了供應(yīng)鏈中出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)。大型打印機(jī)可以生產(chǎn)重達(dá) 600 公斤的金屬零件，在短時(shí)間內(nèi)更換有缺陷的零件。ČEZ 董事會(huì)成員兼核能部門主管 Bohdan Zronek 解釋說，幾何形狀更簡(jiǎn)單的零件是使用傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的，復(fù)雜的零件可以有3D打印輕松制出。


△金屬 3D 打印一直是核電企業(yè)的首選方法（圖片來源：Markforged）

●Alabaman Reactor中的安全關(guān)鍵部件
根據(jù) EIA 的數(shù)據(jù)，美國(guó)目前有 93 座運(yùn)行中的核電站。其中之一是位于阿拉巴馬州雅典市的Browns Ferry核電站，這是該國(guó)的第二大核電站。在 Plant Unit 2 中，TVA、Framatome 和 DOE 核能辦公室資助了位于橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (ORNL) 的轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)反應(yīng)堆 (TCR) 計(jì)劃，在 2021 年就安裝了四個(gè)用于核反應(yīng)堆的 3D 打印燃料組件支架。該項(xiàng)目很有趣，因?yàn)樗�在美�?guó)尚屬首例，表明可以在高度監(jiān)管的環(huán)境中部署合格的 3D 打印組件，比如核反應(yīng)堆。安全緊固件是安全關(guān)鍵部件，采用激光粉末床熔合和 TruForm 316 (Fe-271) 制成，TruForm 316 (Fe-271) 是一種由鐵、鎳、鉻和鉬組成的金屬粉末合金。



●Slovenia的Siemens（西門子）：Krško 工廠
核電站中的第一個(gè) 3D 打印和運(yùn)行部件是西門子生產(chǎn)的。它是Slovenia（斯洛文尼亞） Krško 核電站持續(xù)運(yùn)行的消防泵的直徑 108 毫米的金屬葉輪，由西門子設(shè)計(jì)和增材制造。增材制造的使用是必不可少的，因?yàn)樽栽摴�廠于 1981 年投產(chǎn)以來，原始葉輪一直在運(yùn)行，而其原始制造商已停業(yè)。斯洛文尼亞的西門子團(tuán)隊(duì)隨后對(duì)零件進(jìn)行逆向工程并創(chuàng)建了一個(gè)“數(shù)字孿生”，以使用金屬增材制造來重建零件。該項(xiàng)目標(biāo)志著 AM 行業(yè)向前邁出了重要一步，因?yàn)?3D 打印部件首次展示了安全運(yùn)行并通過了核電所需的所有測(cè)試，核電是最復(fù)雜和要求最高的行業(yè)之一。


△圖片來源：西門子

●North Dakota（北達(dá)科他大學(xué)）開發(fā)核反應(yīng)堆
北達(dá)科他大學(xué)的一組研究人員創(chuàng)建了一個(gè)項(xiàng)目，開發(fā)了帶有鋼筋的 3D 打印核反應(yīng)堆。為了制造這些部件，Roy Sougata（機(jī)械工程教授）和他的團(tuán)隊(duì)將使用奧氏體鋼，這種金屬合金用氮強(qiáng)化，將成為建造過程中的主要原材料。目前，研發(fā)小組尚未提供有關(guān)所用 3D 打印機(jī)的信息，主要是看看這些 3D 打印組件是否比以傳統(tǒng)方式設(shè)計(jì)的組件更高效。零件的設(shè)計(jì)將在北達(dá)科他大學(xué)進(jìn)行，而進(jìn)一步的分析將在橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (ORNL) 進(jìn)行。此外，組件的測(cè)試將側(cè)重于它們的摩擦學(xué)特性。


△奧氏體鋼將用作主要材料（圖片來源：Dr. K. Natesan）

●Westinghouse Electric（西屋電氣）公司通過 3D 打印打造行業(yè)第一
3D打印在功能部件的制造中發(fā)揮著重要作用。2020 年，西屋公司在其一個(gè)核反應(yīng)堆中安裝了一個(gè)使用 3D 打印制作的頂針封堵裝置。在當(dāng)時(shí)，這在業(yè)內(nèi)尚屬首次。此后，它繼續(xù)專注于增材制造，兩年后再次開辟了新天地，分別在芬蘭和瑞典的兩個(gè)沸水反應(yīng)堆 (BWR) 裝置中安裝了 3D 打印的碎片過濾器 ，增強(qiáng)的過濾捕獲功能，標(biāo)志著公司在采用增材制造方面向前邁進(jìn)了一步。


△照片來源：西屋電氣

●法國(guó)核公司 Framatome 的 3D 打印
法國(guó)跨國(guó)公司Framatome宣布已開發(fā)出一種 3D 打印不銹鋼燃料組件。該產(chǎn)品是在瑞典 Forsmark 的一家核電站生產(chǎn)的，特別是在 Vattenfall。。該部件是一個(gè)頂端網(wǎng)格，用于固定燃料棒，金屬管中堆放著圓柱形燒結(jié)二氧化鈾顆粒。它還用于防止大塊碎片進(jìn)入燃料組件。為了生產(chǎn)它，F(xiàn)ramatome使用了 3D 激光打印技術(shù)，但 Framatome 沒有具體說明是哪一種。


△照片來源：Framatome

●Purdue（普渡）大學(xué)的 3D 打印微反應(yīng)器
印第安納州普渡大學(xué)（美國(guó)）已獲得美國(guó)能源部80 萬美元的資助，用于參與 3D 打印微反應(yīng)器的創(chuàng)建。Purdue 團(tuán)隊(duì)的任務(wù)是開發(fā)人工智能技術(shù)，以確保增材制造的核反應(yīng)堆部件的質(zhì)量。增材制造和人工智能技術(shù)的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)更豐富、成本效益更高的核部件鑒定過程。具體來說，普渡大學(xué)的解決方案將應(yīng)用強(qiáng)化學(xué)習(xí)，它使用先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)策略來微調(diào)最佳 AM 工藝參數(shù)的選擇，例如打印速度和熔化溫度，以訓(xùn)練人工智能模型并指導(dǎo)決策過程使其更高效、更快速。


△核反應(yīng)堆的 3D 打印部件。（圖片來源：ORNL）

●BWX Technologies 與 ORNL 合作
BWX Technologies 和橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (ORNL) 正在研究用于制造核組件的金屬 3D 打印技術(shù)。為了為核反應(yīng)堆提供動(dòng)力，它們的目標(biāo)是使用基于鎳和難熔金屬的高溫合金生產(chǎn)零件。BWX Technologies 會(huì)使用電子束熔化系統(tǒng)來 3D 打印零件。據(jù)該公司稱，這些材料的選擇使研究人員能夠?qū)⒔M件的耐溫能力提高到高達(dá) 1,482°C，并使整個(gè)工廠的效率提高約 50%。增材制造還可以降低成本，特別是在零件維護(hù)和維修方面，而且還可以加快組件原型制作階段。


△照片來源：橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室