增材制造正在邁向核能領(lǐng)域，成為二氧化碳減排的潛在解決方案

導(dǎo)讀：在過去五年中，增加制造技術(shù)的采用率顯著增加，已經(jīng)在能源行業(yè)的不同領(lǐng)域找到了應(yīng)用，包括建立原型和主流生產(chǎn)，從而簡(jiǎn)化了流程并提高了運(yùn)營效率。更重要的是，核能領(lǐng)域未來有望從增材制造技術(shù)的發(fā)展中獲益，這其中包括核裂變能源，甚至更高端的核聚變能源。

在核能行業(yè)，增材制造在復(fù)雜部件和原型的生產(chǎn)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它能夠快速制造復(fù)雜的設(shè)計(jì)，減少與傳統(tǒng)制造方法相關(guān)的交貨時(shí)間和成本。該技術(shù)可以制造具有更高耐用性和精度的專用零件，這對(duì)于確保核電站的安全性和可靠性至關(guān)重要。此外，3D打印還可用于生產(chǎn)抗輻射材料和工具，用于放射性環(huán)境中的維護(hù)和維修。

當(dāng)前裂變反應(yīng)堆的增材制造

民用核工業(yè)是增材制造能源相關(guān)應(yīng)用最熱門的領(lǐng)域之一。自從西門子在斯洛文尼亞的克爾什科核電站成功安裝 3D 打印部件（用于消防泵的直徑 108 毫米的金屬葉輪）以來，新的增材制造在核電站的應(yīng)用一直在開發(fā)中。有了適當(dāng)?shù)牟牧希�包括陶瓷和難熔金屬，增材制造可用于不再可用的過時(shí)零件，使舊發(fā)電廠能夠繼續(xù)運(yùn)營。同時(shí)，新的增材制造材料正在通過粘結(jié)劑噴射和擠壓技術(shù)以及金屬粉床燒結(jié)技術(shù)進(jìn)行輻射屏蔽的資質(zhì)認(rèn)證。

△這張照片顯示了原始狀態(tài)下什么到期的水葉輪、西門子的 3D 打印原型以及在斯洛文尼亞 Krško 核電站安裝和運(yùn)行的 3D 打印替代品。該增材制造項(xiàng)目的代號(hào)為“Perun”，以神話中與冶金密切相關(guān)的斯拉夫雷電之神命名

使用 3D 打印核反應(yīng)堆替換件和備件的前沿研究始于 2016 年，當(dāng)時(shí)美國能源部 (DOE) 選擇 GE 日立核能 (GEH) 來領(lǐng)導(dǎo)一項(xiàng)價(jià)值 200 萬美元的增材制造研究項(xiàng)目。該項(xiàng)目是先進(jìn)核技術(shù)投資超過 8000 萬美元的一部分。GEH 通過為核電站生產(chǎn)替換零件樣品來領(lǐng)導(dǎo)該項(xiàng)目。這些樣品在南卡羅來納州格林維爾的 GEPower 先進(jìn)制造廠工廠用金屬 3D 打印，然后運(yùn)往愛達(dá)荷國家實(shí)驗(yàn)室 (INL)。一旦在 INL 的高級(jí)測(cè)試反應(yīng)堆中進(jìn)行輻照，就會(huì)對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試，并與 GEH 對(duì)未輻照材料進(jìn)行的分析進(jìn)行比較。GEH 使用這些結(jié)果來支持燃料、服務(wù)和新工廠應(yīng)用的 3D 打印零件的部署。

△3D 打印燃料組件支架和實(shí)驗(yàn)室已在田納西河谷管理局位于阿拉巴馬州雅典的布朗斯費(fèi)里核電站2 號(hào)機(jī)組中安裝完畢，并處于常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)。

最近的功能部件示例包括 4 個(gè)首創(chuàng)的3D 打印燃料組件支架，這些支架于 2021 年在能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的制造示范設(shè)施中生產(chǎn)。這些設(shè)備已在田納西河谷管理局位于阿拉巴馬州雅典市的布朗斯費(fèi)里核電站 2 號(hào)機(jī)組中安裝完畢，目前處于常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)。

這些組件是與 TVA、Framatome和美國能源部核能資助的轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)反應(yīng)堆 (TCR) 辦公室（位于橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)項(xiàng)目）合作開發(fā)的。核反應(yīng)堆通道緊固件雖然不對(duì)稱，但其簡(jiǎn)單的幾何形狀非常適合增材制造技術(shù)的首次應(yīng)用驗(yàn)證。TCR 計(jì)劃當(dāng)前的重點(diǎn)是進(jìn)一步完善相關(guān)技術(shù)，包括先進(jìn)制造、人工智能、集成傳感以及用于組件質(zhì)量認(rèn)證的數(shù)字平臺(tái)的部署。

現(xiàn)在增材制造業(yè)務(wù)開始規(guī)模化。2022 年，西屋電氣公司在 Exelon 拜倫 1 號(hào)核電站春季加油停運(yùn)期間將 3D 打印組件安裝到商用核反應(yīng)堆中。西屋電氣公司擁有粉末床熔融金屬增材制造以及熱絲激光焊接 (HWLW)技術(shù)，作為其先進(jìn)制造產(chǎn)品的一部分。全球有 430 座運(yùn)行的核反應(yīng)堆中采用了西屋公司的增材技術(shù)。

△西屋電氣公司在商用核反應(yīng)堆中安裝了 3D 打印組件。圖片：西屋電氣公司。

同樣在 2022 年，西屋電氣在兩個(gè)北歐沸水反應(yīng)堆 (BWR) 機(jī)組（芬蘭的 Olkiluoto 2 號(hào)機(jī)組和瑞典的 Oskarshamn 3 號(hào)機(jī)組）中安裝了 StrongHold AM 3D 打印核燃料碎片過濾器，以進(jìn)一步提高工廠的運(yùn)行可靠性。西屋電氣與工廠運(yùn)營商 Teollisuuden Voima Oyj (TVO) 和 OKG 密切合作，創(chuàng)建了 StrongHold AM 過濾器。StrongHold AM 過濾器完全通過 3D 打印技術(shù)制造，并提供增強(qiáng)的捕獲功能，以防止碎片進(jìn)入燃料組件并可能損壞包殼，從而導(dǎo)致意外且昂貴的停機(jī)。

研發(fā)工作也在持續(xù)進(jìn)行，以確定 3D 打印在核工業(yè)中的更多應(yīng)用。其中一項(xiàng)由能源部核能辦公室支持的項(xiàng)目是前面提到的轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)堆（TCR）示范項(xiàng)目。作為部署 3D 打印核反應(yīng)堆的一部分，該計(jì)劃將創(chuàng)建一個(gè)數(shù)字平臺(tái)，幫助將技術(shù)移交給工業(yè)界，以快速采用增材制造核能技術(shù)。通過 TCR 計(jì)劃，橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室正在尋求解決一個(gè)令人不安的趨勢(shì)：盡管核電站提供了美國近20% 的電力，但根據(jù)目前的許可證到期日期，超過一半的美國反應(yīng)堆將在 20 年內(nèi)退役。

△StrongHold AM 為核電站創(chuàng)建了首個(gè) 3D 打印燃料碎片過濾器，由西屋電氣安裝。

類似的情況也發(fā)生在法國，截至2022年8月中旬，法國56座核反應(yīng)堆中有一半以上處于離線狀態(tài)。造成這種情況的原因是安全注射系統(tǒng)中與安全相關(guān)的損壞以及計(jì)劃的停機(jī)。2021年發(fā)現(xiàn)不銹鋼安全系統(tǒng)管道出現(xiàn)嚴(yán)重應(yīng)力腐蝕開裂，需要停產(chǎn)檢查和維修。所有這些零件都需要更換，增材制造必須發(fā)揮作用，特別是在原始模具不再可用的情況下。

考慮到這一點(diǎn)，法國核能服務(wù)和零部件供應(yīng)商法馬通在瑞典 Vattenfall 運(yùn)營的 Forsmark 核電站完成了首個(gè) 3D 打印不銹鋼燃料組件的安裝。與 KSB SE & Co. KgaA 合作，設(shè)計(jì)、制造了 ATRIUM 11 上連接板網(wǎng)格，并將其安裝在 Forsmark 3 號(hào)機(jī)組中，用于多年輻照計(jì)劃。

柵位于 ATRIUM 11 燃料組件的頂部的聯(lián)接板格是一個(gè)非結(jié)構(gòu)性承重組件，可固定燃料棒并阻止較大的碎片從頂部進(jìn)入燃料組件。上部連接板網(wǎng)格易于檢查，并且可根據(jù)需要獲取樣品來驗(yàn)證這種新制造工藝是否適合在反應(yīng)器內(nèi)使用。在傳統(tǒng)的制造過程中，上墊板網(wǎng)格是使用沖壓的梳狀板材進(jìn)行激光焊接的，這需要額外的制造步驟和操作員的監(jiān)督。增材制造簡(jiǎn)化了制造流程并增加了設(shè)計(jì)選項(xiàng)，以增強(qiáng)功能和提高性能。

△Framatome 的 3D 打印ATRIUM 11 頂部的連接板網(wǎng)格

法拉美通(Framatome)于2015 年開始將增材制造引入核燃料，重點(diǎn)關(guān)注不銹鋼和鎳基合金燃料組件。2021年，F(xiàn)ramatome與橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）合作制造的第一個(gè)3D打印不銹鋼燃料組件通道緊固件裝載在美國商業(yè)沸水堆核電站中。法國、德國和美國的法馬通燃料專家與全球客戶密切合作開發(fā)了這項(xiàng)技術(shù)。

用于下一代核裂變的增材制造

目前，核能行業(yè)的發(fā)展速度正在加快，這與過去形成了明顯的變化，特別是在小型模塊反應(yīng)堆（SMR）方面。SMR是核反應(yīng)堆的縮小版本，包括目前和第四代（快中子）技術(shù)。

美國正在開發(fā)一些微反應(yīng)器設(shè)計(jì)，它們可能會(huì)在十年內(nèi)準(zhǔn)備好推出。這些緊湊型反應(yīng)堆足夠小，可以通過卡車運(yùn)輸，可以幫助解決從偏遠(yuǎn)商業(yè)或住宅地點(diǎn)到軍事基地等多個(gè)領(lǐng)域的能源挑戰(zhàn)。

微反應(yīng)器并不由其燃料形式或冷卻劑來定義。相反，它們具有三個(gè)主要特征。首先，也是增材制造能夠發(fā)揮重要作用的原因是它們是工廠制造的：微反應(yīng)器的所有組件都將在工廠完全組裝并運(yùn)送到現(xiàn)場(chǎng)。這消除了與大規(guī)模建設(shè)相關(guān)的困難，降低了資本成本，并有助于反應(yīng)堆快速啟動(dòng)和運(yùn)行。

另一個(gè)特點(diǎn)是它們可以運(yùn)輸。這將使供應(yīng)商可以輕松地通過卡車、船舶、飛機(jī)或火車運(yùn)輸整個(gè)反應(yīng)堆。它們也是自我調(diào)節(jié)的，這意味著簡(jiǎn)單且響應(yīng)式的設(shè)計(jì)概念將允許微反應(yīng)器進(jìn)行自我調(diào)節(jié)。它們不需要大量的專業(yè)操作員，并且將利用被動(dòng)安全系統(tǒng)來防止任何過熱或反應(yīng)堆熔毀的可能性。

△微反應(yīng)器甚至可以輕松運(yùn)輸?shù)狡�遠(yuǎn)地區(qū)。

微反應(yīng)器的設(shè)計(jì)各不相同，SMR 被定義為產(chǎn)生高達(dá) 300 兆瓦 (MW) 的電力，而超小型模塊化反應(yīng)堆 (vSMR) 或微反應(yīng)器每個(gè)模塊產(chǎn)生高達(dá) 20 MW 的電力。它們可用于產(chǎn)生清潔可靠的電力，用于商業(yè)用途或非電力應(yīng)用，例如區(qū)域供暖、海水淡化和氫燃料生產(chǎn)。

除了與微電網(wǎng)內(nèi)的可再生能源無縫集成外，微反應(yīng)器還可以用于緊急響應(yīng)，幫助恢復(fù)遭受自然災(zāi)害的地區(qū)的電力。它們的核心壽命也更長，無需加油即可運(yùn)行長達(dá) 10 年。大多數(shù)設(shè)計(jì)都需要鈾 235 濃度較高的燃料，而當(dāng)今的反應(yīng)堆目前尚未使用這種燃料。然而，一些系統(tǒng)可能會(huì)受益于高溫減速材料的使用，這將降低燃料濃縮要求，同時(shí)保持較小的系統(tǒng)尺寸。

美國能源部支持各種先進(jìn)的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，包括氣體、液態(tài)金屬、熔鹽和熱管冷卻概念。美國制造的微反應(yīng)器開發(fā)商目前專注于氣體和熱管冷卻設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)最早可能在 2020 年代中期推出。

超安全核公司（USNC）是一家美國全資控股公司，總部位于西雅圖，是微型反應(yīng)堆部署領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)者，也是核電技術(shù)的垂直整合商。該公司致力于為全球電力市場(chǎng)帶來安全、具有商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力、清潔可靠的核能。

USNC 正在加拿大核實(shí)驗(yàn)室與安大略發(fā)電公司和伊利諾伊大學(xué)合作展示 MMR 能源系統(tǒng)，并已啟動(dòng)新項(xiàng)目，以在美國、加拿大和歐洲進(jìn)一步部署其技術(shù)。該公司通過燃料、材料和設(shè)計(jì)方面的技術(shù)創(chuàng)新，堅(jiān)持嚴(yán)格的固有和本質(zhì)安全原則。

目前，世界上十多個(gè)國家正在合作開展第四代核能的全球競(jìng)賽，這一下一代核能概念被認(rèn)為對(duì)于向電力需求不斷增長的世界提供無碳能源至關(guān)重要。

△USNC 的創(chuàng)新型全陶瓷微封裝 (FCM) 燃料通過粘合劑噴射碳化硅基體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，可始終安全地封閉和容納放射性材料。

雖然太陽能和風(fēng)能等可再生能源持續(xù)增長，但傳統(tǒng)觀點(diǎn)已在能源界扎根，即核能是一種獨(dú)立可靠的基本負(fù)荷能源，它可以全天候（24/7）持續(xù)運(yùn)行以滿足最低電力需求，且不會(huì)對(duì)環(huán)境造成負(fù)面影響。在這種環(huán)境下，總部位于西雅圖的 USNC 正在利用新的 3D 打印方法來提供全新的設(shè)計(jì)，從而在獨(dú)特的材料中提供最佳的性能。

USNC 的方法以使用全陶瓷微封裝(FCM) 燃料為中心。為了生產(chǎn)這種燃料，該公司利用Desktop Metal的 X 系列粘合劑噴射 3D 打印機(jī)。這些打印機(jī)能夠 3D 打印耐熱陶瓷顆粒，并且可以包裹標(biāo)準(zhǔn)類型的核燃料顆粒。

粘合劑噴射的應(yīng)用是 USNC 燃料制造工藝的重要組成部分，對(duì)于該組織的創(chuàng)新至關(guān)重要。隨著荷蘭核研究與咨詢集團(tuán) (NRG Petten) 目前正在進(jìn)行 USNC 的 FCM 燃料測(cè)試，這種方法正在獲得動(dòng)力。此外，通過其合資企業(yè) Global FirstPower，USNC 正致力于在 Chalk RiverLaboratories 部署其首個(gè) MMR，該實(shí)驗(yàn)室由加拿大原子能有限公司 (Atomic Energy of Canada Limited) 所有，由加拿大核實(shí)驗(yàn)室 (Canadian Nuclear Laboratories) 管理。目前正在努力從加拿大核安全委員會(huì)（CSNC）獲得場(chǎng)地準(zhǔn)備許可證。

△USNC 根據(jù) NASA 核推進(jìn)合同獲得了 500 萬美元，用于開發(fā)和成熟核熱推進(jìn) (NTP) 系統(tǒng)，以促進(jìn)美國的民用科學(xué)和地月能力。該合同將使 NTP 從紙質(zhì)階段轉(zhuǎn)向硬件階段，證明了 USNC 在先進(jìn)反應(yīng)堆設(shè)計(jì)和制造方面的領(lǐng)先能力。

Ultra Safe Nuclear 以起源于 20 世紀(jì) 60 年代的技術(shù)為基礎(chǔ)，生產(chǎn)更小尺寸的涂層燃料顆粒，業(yè)內(nèi)稱為 TRISO。TRISO 是一種三結(jié)構(gòu)各向同性顆粒燃料，在第四代核反應(yīng)堆的發(fā)展中正在復(fù)興。這些燃料微球通常放置在軟石墨基質(zhì)中。然而，這種基質(zhì)缺乏結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，未能有效阻止放射性核素的釋放。

為了解決這個(gè)問題，USNC 用一種稱為碳化硅 (SiC) 的耐火陶瓷材料取代了石墨基體。SiC 是一種技術(shù)陶瓷材料，以其卓越的環(huán)境穩(wěn)定性而聞名，通常用于航空航天、裝甲、等離子屏蔽和高溫應(yīng)用。核反應(yīng)堆內(nèi)部的條件極其惡劣，但碳化硅不會(huì)像傳統(tǒng)石墨基體那樣收縮或過度膨脹。它還具有高抗氧化和抗腐蝕能力，使其在核反應(yīng)堆堆芯的苛刻條件下高度穩(wěn)定。

然而，將 SiC 制造或成型為復(fù)雜零件始終面臨著挑戰(zhàn)。多年來，盡管業(yè)界對(duì)利用碳化硅很感興趣，但沒有可行或具有成本效益的制造工藝來將高純度、結(jié)晶、核級(jí)碳化硅轉(zhuǎn)化為核應(yīng)用所需的形狀和形式。也就是說，直到3D打印機(jī)的出現(xiàn)。

通過采用 3D 打印技術(shù)，USNC 可以創(chuàng)建具有復(fù)雜幾何形狀的 SiC 燃料形式，作為核燃料顆粒的外殼。碳化硅通常用硅或其他基質(zhì)滲透以增加其密度，但這在核環(huán)境中是不可行的。為了保持材料的均勻性和同質(zhì)性，USNC 將粘合劑噴射與化學(xué)氣相滲透相結(jié)合。該工藝用高純度結(jié)晶碳化硅填充多孔 SiC 結(jié)構(gòu)，無需燒結(jié) SiC 材料、施加壓力或引入第二相，即可實(shí)現(xiàn)高度復(fù)雜的近凈形狀。

除了生產(chǎn)效率之外，USNC 采用粘合劑噴射 3D 打印的制造策略還可以利用 3D 打印提供的設(shè)計(jì)自由度來優(yōu)化反應(yīng)器性能。此前，該團(tuán)隊(duì)僅限于使用硬工具大批量生產(chǎn)的單一設(shè)計(jì)。由于工具的昂貴性和更改的周期長，設(shè)計(jì)人員的目標(biāo)是創(chuàng)建通用但高效的設(shè)計(jì)。然而，憑借使用 3D 打印大量創(chuàng)建獨(dú)特設(shè)計(jì)的能力，USNC 可以增強(qiáng)其提供安全和負(fù)責(zé)任的核能使命的質(zhì)量保證。