ORNL 制造出首個3D打印“兔子膠囊”，用于HFIR測試核反應(yīng)堆

2025年1月17日，南極熊獲悉，根據(jù)美國能源部的報告，橡樹嶺國家實驗室 (ORNL)致力于核能應(yīng)用增材制造技術(shù)的研究人員已經(jīng)為該中心的高通量同位素反應(yīng)堆 (HFIR) 設(shè)計、3D 打印并測試了一個樣品艙，俗稱“兔子膠囊（rabbit capsule）”。這標(biāo)志著增材制造在制造和鑒定用于核反應(yīng)堆的此類組件方面首次成功演示。

兔子膠囊是核燃料和材料研究必不可少的，可作為在測試反應(yīng)堆中進行輻照的實驗材料的容器。ORNL使用激光粉末床熔融（LPBF）工藝制造了一個不銹鋼膠囊，組裝、裝載實驗材料并密封。膠囊在 HFIR 的強中子通量環(huán)境中放置了近一個月，并成功經(jīng)受住了極端條件，展示了增材制造在核應(yīng)用方面的可行性。

△HFIR于 1965 年建成，運行功率為 85 兆瓦，其穩(wěn)態(tài)中子束是美國最強大的反應(yīng)堆中子源。HFIR 產(chǎn)生的熱中子和冷中子可用于研究物理、化學(xué)、材料科學(xué)、工程和生物學(xué)。每年有500 多名研究人員利用其強中子通量、恒定功率密度和恒定長度的燃料循環(huán)進行中子散射研究，以探究凝聚態(tài)物質(zhì)的基本特性。

ORNL 輻照工程小組負(fù)責(zé)人理查德霍華德強調(diào)了這一成就的重要性，并表示這是在展示增材制造如何開發(fā)和鑒定傳統(tǒng)機械加工無法生產(chǎn)的專用部件方面邁出的重要一步。

在核應(yīng)用領(lǐng)域采用增材制造具有多重優(yōu)勢。它能夠?qū)崿F(xiàn)使用傳統(tǒng)方法難以實現(xiàn)的復(fù)雜而獨特的設(shè)計。它還可以減少生產(chǎn)時間和成本，同時允許快速制作原型并更輕松地集成設(shè)計修改。ORNL 制造示范設(shè)施主任 Ryan Dehoff 對這項技術(shù)的未來表示樂觀，并表示隨著其可靠性不斷得到證明，它可能成為生產(chǎn)關(guān)鍵反應(yīng)堆部件的標(biāo)準(zhǔn)做法。

測試成功后，ORNL 計劃于今年冬天對太空艙進行輻射后評估。這些評估將更深入地了解增材制造部件在反應(yīng)堆的嚴(yán)苛條件下的表現(xiàn)。

這標(biāo)志著 ORNL 研究朝著具有嚴(yán)格材料成分、設(shè)計和資格標(biāo)準(zhǔn)的核能 3D 打印探索又邁出了一小步。之前的實驗見證了整個小型核反應(yīng)堆的 3D 打印，最近又縮短了 3D 打印核零件和部件的檢查時間。研究人員旨在利用增材制造的幾何靈活性來制造更復(fù)雜、更具創(chuàng)新性的組件，而這些組件原本很難制造。

該項目得到美國能源部先進材料和制造技術(shù)計劃的支持，致力于通過研究、演示和部署加速新材料和制造技術(shù)的商業(yè)化。