MDF部署大型3D打印復(fù)合材料模板，用于核電站基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

2025年7月25日，南極熊獲悉，橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室制造示范設(shè)施(MDF) 與反應(yīng)堆開發(fā)商凱洛斯電力公司 (Kairos Power)和巴納德建筑公司 (BarnardConstruction ) 合作，開發(fā)并部署了大型 3D 打印聚合物復(fù)合材料模具，用于在赫爾墨斯低功率示范反應(yīng)堆 (Hermes Low-Power Demonstration Reactor)鑄造高精度混凝土結(jié)構(gòu)。這些模板采用碳纖維增強(qiáng) ABS 制造，目前正在凱洛斯電力公司位于田納西州的橡樹嶺園區(qū)使用。每個(gè)模塊尺寸約為10 x 10 英尺，堆疊三個(gè)單元高，形成一個(gè)柱子。

打印的模具已用于Janus屏蔽演示，并作為Hermes生物屏蔽系統(tǒng)中即將實(shí)施的模板的雛形。在7月22日至23日于諾克斯維爾會(huì)議中心舉行的東田納西州經(jīng)濟(jì)委員會(huì)核能機(jī)遇研討會(huì)上，展示了一個(gè)柱狀模板的一部分。與傳統(tǒng)的鋼或木模板相比，這種復(fù)合模具能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜混凝土構(gòu)件的現(xiàn)場(chǎng)澆鑄制造，且耗時(shí)顯著縮短。

MDF主任瑞安·德霍夫表示：“我們正在證明，核電建設(shè)的未來(lái)不必像過去那樣。我們將國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的能力與MDF雄心勃勃的宏大計(jì)劃——將大膽的想法轉(zhuǎn)化為切實(shí)可行的解決方案——相結(jié)合，以加速新型商業(yè)核能的發(fā)展�！�

△巴納德建筑公司的工人將混凝土澆注到碳纖維增強(qiáng)ABS模板中，制成其中一根現(xiàn)澆的Janus柱。圖片來(lái)自Kairos Power。

MDF此前曾領(lǐng)導(dǎo)過多個(gè)領(lǐng)域的增材制造項(xiàng)目，包括3D打印汽車和房屋的開發(fā)以及實(shí)時(shí)零件鑒定工具。目前的工作將這些原則應(yīng)用于核基礎(chǔ)設(shè)施。KairosPower的反應(yīng)堆開發(fā)模式強(qiáng)調(diào)快速學(xué)習(xí)周期和早期驗(yàn)證。Kairos Power聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席技術(shù)官Edward Blandford表示，此次合作源于一位商業(yè)伙伴的建議：“我們很少得到業(yè)界的建議，要求國(guó)家實(shí)驗(yàn)室介入，因?yàn)樗麄兊男袆?dòng)非常迅速�！�

布蘭福德解釋說(shuō)，使用原型模具使團(tuán)隊(duì)能夠改進(jìn)技術(shù)并降低風(fēng)險(xiǎn)�！斑@個(gè)項(xiàng)目完全符合我們的迭代開發(fā)方法，”他說(shuō)�！巴ㄟ^首先構(gòu)建和測(cè)試柱子的模具，我們能夠改進(jìn)方法，盡早與監(jiān)管機(jī)構(gòu)溝通，并在擴(kuò)大赫爾墨斯核電站和未來(lái)核電站的施工方法規(guī)模之前降低風(fēng)險(xiǎn)�！�

Janus 柱展示了 Hermes 生物盾的一個(gè)元素，這是一種厚實(shí)的混凝土屏障，用于在反應(yīng)堆運(yùn)行期間吸收輻射。據(jù) ORNL 復(fù)合材料創(chuàng)新小組負(fù)責(zé)人 Ahmed (Arabi) Hassen 介紹，模具必須滿足幾何公差和結(jié)構(gòu)要求，以承受澆筑混凝土的靜水壓力。打印工藝經(jīng)過優(yōu)化，以確保在應(yīng)力作用下的機(jī)械彈性和尺寸穩(wěn)定性。

△從上方俯瞰雅努斯門，3D打印的模型清晰可見，旁邊是排列成放射狀的混凝土柱。圖片來(lái)自 Kairos Power。

Barnard Construction 直接與 MDF 和 Kairos Power 合作，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施和調(diào)整模具，提供實(shí)時(shí)反饋并整合設(shè)計(jì)變更，以提高可施工性。行業(yè)合作伙伴Airtech、TruDesign、AdditiveEngineering Solutions和Haddy為模具制造和物流提供支持，構(gòu)建了基于增材制造的核電建設(shè)全新供應(yīng)鏈模式。

此次合作項(xiàng)目是SM2ART 登月計(jì)劃的一部分，這是一項(xiàng)多年期計(jì)劃，由 MDF 和緬因大學(xué)牽頭，并由美國(guó)能源部先進(jìn)材料和制造技術(shù)辦公室資助。SM2ART計(jì)劃致力于通過大規(guī)模增材制造、生物基復(fù)合材料和集成數(shù)字平臺(tái)實(shí)現(xiàn)能源基礎(chǔ)設(shè)施的現(xiàn)代化。ORNL 貢獻(xiàn)了材料科學(xué)、超級(jí)計(jì)算和人工智能方面的專業(yè)知識(shí)，而緬因大學(xué)則支持結(jié)構(gòu)系統(tǒng)開發(fā)和數(shù)字化制造。

在接下來(lái)的18個(gè)月里，合作項(xiàng)目將擴(kuò)展到全面生產(chǎn)赫爾墨斯反應(yīng)堆其他部件的模板，包括輻射屏蔽和建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃整合數(shù)字孿生技術(shù)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的質(zhì)量保證，同時(shí)過渡到使用源自木材殘余物的可打印生物復(fù)合材料原料，目標(biāo)是利用國(guó)內(nèi)采購(gòu)的林業(yè)副產(chǎn)品，將成本降低75%。

△KairosPower 和 Barnard Construction 團(tuán)隊(duì)緊密合作，僅用幾天時(shí)間就完成了 Janus 現(xiàn)澆混凝土演示。圖片來(lái)自 Kairos Power。

赫爾墨斯反應(yīng)堆是首個(gè)獲得美國(guó)核管理委員會(huì)（NRC）建造許可的先進(jìn)反應(yīng)堆，反應(yīng)堆位于美國(guó)核技術(shù)最集中的諾克斯維爾-橡樹嶺地區(qū)，是先進(jìn)制造技術(shù)應(yīng)用于裂變基礎(chǔ)設(shè)施的典型案例。

“這個(gè)項(xiàng)目表明，我們可以利用新技術(shù)突破舊方法，降低門檻、降低風(fēng)險(xiǎn)，并加快施工進(jìn)度，”哈森說(shuō)道�！拔覀冋�在充分利用增材制造的優(yōu)勢(shì)——模塊化、靈活性和快速迭代——并將其應(yīng)用于核能�！�

德克薩斯大學(xué)巴特爾分校負(fù)責(zé)管理美國(guó)能源部科學(xué)辦公室的橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，是美國(guó)物理科學(xué)基礎(chǔ)研究的最大支持者。