3D打印在核电领域的应用

近年来，增材制造发挥越来越大作用的行业之一是能源。核电行业日益受到重视，世界核协会的数据显示，2019 年，核电行业在 33 个国家拥有 438 个可运行反应堆，是世界第二大低碳电力来源。此外，根据美国能源情报署（EIA）的数据，2020 年世界核电总发电量为 25,910 亿千瓦时，占世界总发电量的 10.1%。鉴于这种受欢迎程度的上升，该行业也在转向包括增材制造在内的新技术也是有道理的。为了更好地了解它的具体使用方式，我们仔细研究了 3D 打印在核电站中的一些主要用途，排名不分先后。
 

1.     ORNL的3D打印反应器
 

核能和3D打印领域最活跃的参与者之一无疑是美国的橡树岭国家实验室（ORNL）。它的团队多年来一直致力于研究增材制造如何影响我们对核电的看法。例如，2020 年 5 月，他们展示了第一个反应堆堆芯原型，该原型通过DED机器以 3D 金属打印。该项目是“转型挑战反应堆示范”(TCR) 计划的一部分，其目标是在非常短的时间内想象更便宜、更高效的能源系统。事实上，这个反应堆堆芯从设计阶段到后期处理只用了三个月时间; 打印过程需要 40 小时的工作，温度达到 1,400°C。

Ultra Safe Nuclear Corporation 与 ORNL 合作开发微型反应堆

Ultra Safe Nuclear Corporation 是一家美国核公司，旨在开发和垂直整合安全、清洁和具有商业竞争力的核解决方案。2022 年，它宣布计划与橡树岭国家实验室合作，利用后者的增材制造能力推进核电，通过使用Binder Jetting来制造微型模块化反应堆。选择增材制造使团队能够克服与碳化硅（一种技术陶瓷）相关的困难；他们将节省资金并能够设计比传统方法更复杂的几何形状。

2.     捷克能源公司使用3D打印优化供应
 

一家公用事业公司，也是中欧和东欧最大的公共企业。该公司的核部门与捷克核公司 Škoda JS 合作，已转向增材制造以优化其自身的供应链并减少停机时间。仅今年一年，他们就使用这项技术生产了 4159 个塑料和金属零件。在新冠病毒大流行和乌克兰战争加剧地缘政治局势、引发重大供应链问题后，该公司转向增材制造。大型打印机可以生产重达 600 公斤的金属零件，可以在短时间内更换有缺陷的零件。ČEZ 董事会成员兼核能部门主管 Bohdan Zronek 解释说，几何形状更简单的零件是使用传统方法生产的，

3.     阿拉巴曼反应堆中安全关键部件
 

根据 EIA 的数据，美国目前有 93 座运行中的核电站。其中之一是田纳西河谷管理局的布朗斯费里核电站位于阿拉巴马州雅典市，是该国第二大核电站。对我们来说特别有趣的是，更具体地说，在 Plant Unit 2 中，TVA、Framatome 和 DOE 核能办公室资助了位于橡树岭国家实验室 (ORNL) 的转型挑战反应堆 (TCR) 计划早在 2021 年就安装了四个用于核反应堆的 3D 打印燃料组件支架。该项目很有趣，因为它在该国尚属首例，表明可以在高度监管的环境中部署合格的 3D 打印组件，比如核反应堆。安全紧固件是安全关键部件，采用激光粉末床熔合和 TruForm 316 (Fe-271) 制成，TruForm 316 (Fe-271) 是一种由铁、镍、铬和钼组成的金属粉末合金。
 

4.     西门子：Krško 工厂
 

核电站中的第一个 3D 打印和运行部件是西门子的作品。它是斯洛文尼亚 Krško 核电站持续运行的消防泵的直径 108 毫米金属叶轮，由西门子设计和增材制造。增材制造的使用是必不可少的，因为自该工厂于 1981 年投产以来，原始叶轮一直在运行，而其原始制造商已停业。斯洛文尼亚的西门子团队随后对零件进行逆向工程并创建了一个“数字双胞胎”，以使用金属增材制造来重建零件。
该项目标志着 AM 行业向前迈出了重要一步，因为 3D 打印部件首次展示了安全运行并通过了核电所需的所有测试，核电是最复杂和要求最高的行业之一。

5.     北达科他大学开发核反应堆
 

北达科他大学的一组研究人员创建了一个项目，以开发带有钢筋的 3D 打印核反应堆。为了制造这些部件，Roy Sougata（机械工程教授）和他的团队将使用奥氏体钢：这种金属合金用氮强化，将成为建造过程中的主要原材料。目前，尚未提供有关所用 3D 打印机的信息，主要想法是看看这些 3D 打印组件是否比以传统方式设计的组件更高效。零件的设计将在北达科他大学进行，而进一步的分析将在橡树岭国家实验室 (ORNL) 进行。此外，组件的测试将侧重于它们的摩擦学特性。

6.     西屋电气通过3D打印打造行业第一
 

3D打印在功能部件的制造中发挥着重要作用。2020 年，西屋公司在其一个核反应堆中安装了一个使用 3D 打印制作的顶针封堵装置。在当时，这在业内尚属首次。它继续专注于增材制造，两年后再次开辟了新天地，分别在芬兰和瑞典的两个沸水反应堆 (BWR) 装置中安装了 3D 打印碎片过滤器 S trongHold AM 。这些过滤器提供增强的捕获功能，代表着公司在采用增材制造方面向前迈进了一步。

7.     法国核公司Framatome
 

法国跨国公司Framatome宣布已开发出一种 3D 打印不锈钢燃料组件。该产品是在瑞典 Forsmark 的一家核电站生产的，特别是在 Vattenfall。这是这家成功安装该组件的法国公司的第一次。该部件是一个顶端网格，用于固定燃料棒，金属管中堆放着圆柱形烧结二氧化铀颗粒。它还用于防止大块碎片进入燃料组件。为了生产它，使用了 3D 激光打印技术，但 Framatome 没有具体说明是哪一种。

 

8.     普渡大学3D打印微反应器
 

印第安纳州普渡大学（美国）已获得美国能源部80 万美元的资助，用于参与 3D 打印微反应器的创建。该大学将参与转型挑战反应堆示范计划，能源部橡树岭国家实验室正致力于在 2023 年之前创建第一个 3D 打印微反应器。
Purdue 团队的任务是开发人工智能技术，以确保增材制造的核反应堆部件的质量。事实上，增材制造和人工智能技术的结合可以实现数据更丰富、成本效益更高的核部件鉴定过程。具体来说，普渡大学的解决方案将应用强化学习，这是一种人工智能，它使用先进的机器学习策略来微调最佳 AM 工艺参数的选择，例如打印速度和熔化温度，以训练人工智能模型并指导决策过程使其更高效、更快速。

9.     BWX Technologies与ORNL合作
 

BWX Technologies 和橡树岭国家实验室 (ORNL) 正在研究用于制造核组件的金属 3D 打印技术。为了为核反应堆提供动力，这两个合作伙伴的目标是使用基于镍和难熔金属的高温合金生产零件。BWX Technologies 会使用电子束熔化系统来 3D 打印零件。据该公司称，这些材料的选择使研究人员能够将组件的耐温能力提高到高达 1,482°C，并使整个工厂的效率提高约 50%。增材制造还可以降低成本，特别是在零件维护和维修方面，而且还可以加快组件原型制作阶段。