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

2025年1月17日，南極熊獲悉，根據(jù)美國(guó)能源部的報(bào)告，橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(jì)、3D 打印并測(cè)試了一個(gè)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(cè)試反應(yīng)堆中進(jìn)行輻照的實(shí)驗(yàn)材料的容器。ORNL使用激光粉末床熔融（LPBF）工藝制造了一個(gè)不銹鋼膠囊，組裝、裝載實(shí)驗(yàn)材料并密封。膠囊在 HFIR 的強(qiáng)中子通量環(huán)境中放置了近一個(gè)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(yùn)行功率為 85 兆瓦，其穩(wěn)態(tài)中子束是美國(guó)最強(qiáng)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(qiáng)中子通量、恒定功率密度和恒定長(zhǎng)度的燃料循環(huán)進(jìn)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(qiáng)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(jī)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(shì)。它能夠?qū)崿F(xiàn)使用傳統(tǒng)方法難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜而獨(dú)特的設(shè)計(jì)。它還可以減少生產(chǎn)時(shí)間和成本，同時(shí)允許快速制作原型并更輕松地集成設(shè)計(jì)修改。ORNL 制造示范設(shè)施主任 Ryan Dehoff 對(duì)這項(xiàng)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(cè)試成功后，ORNL 計(jì)劃于今年冬天對(duì)太空艙進(jìn)行輻射后評(píng)估。這些評(píng)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(jì)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(shí)驗(yàn)見證了整個(gè)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(shí)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(xiàng)目得到美國(guó)能源部先進(jìn)材料和制造技術(shù)計(jì)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。