盤點國外核工業(yè)領(lǐng)域3D打印技術(shù)應(yīng)用

來源：太陽谷

導(dǎo)讀：3D打印又稱增材制造(Additive Manufacturing，AM),是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)，適合復(fù)雜構(gòu)件的生產(chǎn)，在核能領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。國外的橡樹嶺實驗室、西屋電氣公司、法馬通公司等核電巨頭都在積極研發(fā)3D打印技術(shù)。

1.美國橡樹嶺國家實驗室
美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)正在牽頭實施“轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)反應(yīng)堆”(The Transformational Challenge Reactor Demonstration Program，TCR)建設(shè)計劃。TCR計劃于2019年啟動，目標(biāo)是集成3D打印等先進(jìn)制造技術(shù)、新材料、計算科學(xué)等領(lǐng)域的最新研發(fā)成果，將于2023年建成一座微型反應(yīng)堆。該計劃將充分利用橡樹嶺在設(shè)備制造、材料、核科學(xué)、核工程、數(shù)據(jù)分析及相關(guān)領(lǐng)域的創(chuàng)新能力。

TCR的3D打印

橡樹嶺表示，TCR將使用新型先進(jìn)材料，并采用一體化的傳感器和控制部件，建設(shè)一座先進(jìn)反應(yīng)堆，目標(biāo)是依靠科技進(jìn)步降低反應(yīng)堆造價，并為反應(yīng)堆的設(shè)計、制造、取證和運行開辟一條新的道路。TCR計劃已完成多項基礎(chǔ)實驗，包括堆芯設(shè)計的選擇以及為期三個月的“沖刺”。后者的主要目的是證明將3D打印技術(shù)用于快速制造原型堆芯的敏捷性。研究人員未來將進(jìn)一步優(yōu)化已選定的設(shè)計和流程。

△TCR打印的模型

TCR堆芯位于使用傳統(tǒng)技術(shù)制造的不銹鋼壓力容器中。堆芯由氮化鈾三元結(jié)構(gòu)各向同性(TRISO)燃料和堆芯結(jié)構(gòu)件組成。堆芯結(jié)構(gòu)件使用3D打印技術(shù)制造，材料為碳化硅。燃料塊布置在不銹鋼結(jié)構(gòu)中，并與氫化釔慢化劑混合在一起。氫化釔慢化劑能夠最大限度地減少實現(xiàn)臨界所需的高豐度低濃鈾數(shù)量。TCR將成為橡樹嶺建設(shè)的第14座核反應(yīng)堆。

△TCR團(tuán)隊對堆芯進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析

2020年5月11日，美國能源部橡樹嶺國家實驗室(ORNL)宣布：核電反應(yīng)堆核心3D打印技術(shù)取得了階段性突破。據(jù)介紹：TCR六邊形反應(yīng)堆組件的3D打印花費了將近40個小時，在3D模型周圍的溫度達(dá)到1400℃以上，激光加熱和熔化模型的同時也為其增加了新的疊層。目前實驗室的研究人員正在改進(jìn)他們的設(shè)計，優(yōu)化3D制造工藝，并論證打印部件的一致性和可靠性。

ORNL實驗室主任托馬斯·扎卡里亞(Thomas Zacharia)表示：挑戰(zhàn)3D打印反應(yīng)堆組件是以前從未有過的方式，是制造學(xué)、材料學(xué)、核科學(xué)、核工程、高性能計算、數(shù)據(jù)分析與其他相關(guān)領(lǐng)域共同合作的成果。

△這張照片顯示了具有雙壁包層和冷卻通道的燃料元件，其中包含高表面積和螺旋形導(dǎo)向裝置

TCR技術(shù)總監(jiān)庫爾特·特拉尼(Kurt Terrani)表示：在過去的幾個月里，我們一直在積極開發(fā)這個項目，我們的努力已經(jīng)證明，這項技術(shù)已經(jīng)準(zhǔn)備好演示3D打印核反應(yīng)堆核心。目前的核形勢非常嚴(yán)峻，此類3D打印技術(shù)可以為核領(lǐng)域的快速創(chuàng)新提供幫助。3D打印核反應(yīng)堆作為TCR部署計劃的一部分，將為先進(jìn)核能系統(tǒng)的加速部署提供一個新的模式。除此之外我們還將創(chuàng)建一個數(shù)字平臺，幫助將技術(shù)移交給其他工業(yè)，方便用此類技術(shù)快速制造零件。

BWXT核運營集團(tuán)有限公司已獲得美國能源部橡樹嶺國家實驗室的合同，生產(chǎn)TRISO核燃料，以支持“轉(zhuǎn)化挑戰(zhàn)反應(yīng)堆”(TCR)的持續(xù)開發(fā)。

△TCR增材制造的槽形通道緊固件

2020年12月，TCR項目制造的3D打印槽形通道緊固件首次裝入位于華盛頓州Richland的法馬通核燃料制造工廠的Atrium 10XM沸水反應(yīng)堆上，用于將燃料通道固定到組件格柵。它們使用3D打印技術(shù)，在ORNL進(jìn)行印刷。

2.西屋電氣公司
除了橡樹嶺國家實驗室外，美國西屋電氣公司(Westing house)2020年5月4日宣布，在2020年春季停堆換料期間，拜倫1號機(jī)組已成功安裝使用3D打印技術(shù)制造的頂針堵漏裝置。這是全球首次在反應(yīng)堆堆芯安裝3D打印構(gòu)件。

△拜倫1號機(jī)組中的頂針堵漏裝置

此外，市場上已經(jīng)出現(xiàn)了用于燃料棒的SiC覆層，它可以承受比鋯高得多的溫度。由于SiC燃料棒通常具有非常粗糙的表面，對于水平凹坑設(shè)計，尤其是在大多數(shù)壓水反應(yīng)堆網(wǎng)格中通常使用的水平凹坑設(shè)計，存在潛在的損壞隱患。西屋電氣設(shè)計了一種新的燃料組件隔離柵設(shè)計，并通過3D打印一次性將結(jié)構(gòu)作為一體化組件制造出來。

西屋電氣設(shè)計的間格柵具有沿著細(xì)長燃料組件的豎直軸線的軸向尺寸，核燃料組件格柵包括多個管狀燃料棒支撐單元，具有四個橫截面通常為正方形的壁。在相鄰的燃料棒支撐室或控制棒支撐室中，每個壁有內(nèi)部支撐垂直彈簧。西屋電氣還考慮了一種混合葉片，該混合葉片在燃料桿支撐單元之間的區(qū)域中，連接至燃料桿支撐單元的外部。

△西屋公司3D打印制造的燃料格柵

通過引入3D打印技術(shù)，可以在不進(jìn)行進(jìn)一步組裝或焊接過程的情況下打印西屋電氣開發(fā)的格柵。與現(xiàn)有的格柵設(shè)計相比，新的設(shè)計允許SiC型燃料棒的平滑插入，同時還帶來低壓降。增材制造技術(shù)使得格柵設(shè)計允許：
1)實施高度精細(xì)但完全集成的混合功能，從而增強(qiáng)熱和水力性能;
2)最小化總壓降;
3)提高整體網(wǎng)格強(qiáng)度以應(yīng)對震動。

GE還利用SLM 3D打印技術(shù)進(jìn)行原型設(shè)計，設(shè)計了GNF2核燃料組件，如下圖所示，該組件改進(jìn)了雜物濾網(wǎng)，顯著降低碎片接觸燃料棒的概率，提高了可靠性，并降低運營成本。

△GNF2核燃料組件及其雜物過濾網(wǎng)

3.法國法馬通公司
2015年，法馬通公司(Framatome)在德國埃爾蘭根實驗室啟動增材制造項目，項目重點在于使用增材制造技術(shù)制造不銹鋼和鎳基合金燃料組件。來自法國、德國和美國的燃料專家參與了該項目，歐盟及美國能源部也對該項目予以支持。

法馬通計劃使用增材制造技術(shù)為壓水堆、沸水堆和VVER機(jī)組生產(chǎn)燃料組件。法馬通強(qiáng)調(diào)，該技術(shù)還可用于其他核燃料方面的應(yīng)用，包括快速成型、試驗組件和燃料生產(chǎn)線工具制造、堆內(nèi)燃料檢查和服務(wù)工具修復(fù)等。

2020年11月，法國法馬通公司表示其通過3D打印技術(shù)生產(chǎn)的燃料組件已在瑞士戈斯根(Gösgen)核電廠(1010MWe，PWR)完成首個輻照檢測周期。

△瑞士戈斯根(Gösgen)核電廠

據(jù)了解，這批實驗性不銹鋼和鎳基合金部件于2019年載入戈斯根核電廠反應(yīng)堆，為了檢驗其是否合格，共需完成5個輻照檢測周期。后續(xù)將對輻照后的燃料組件實施進(jìn)一步檢查，從而確認(rèn)其在實際運行工況下的性能。

4.俄羅斯原子能公司
俄羅斯國家原子能公司(Rosatom)計劃將先進(jìn)3D打印技術(shù)作為其非核心業(yè)務(wù)戰(zhàn)略的一部分，根據(jù)該公司的計劃，其最新的3D打印業(yè)務(wù)將首先用于其核電領(lǐng)域，然后再延伸到其它業(yè)務(wù)部門，而且這一3D打印業(yè)務(wù)將使用由其自行開發(fā)的創(chuàng)新金屬粉末材料和工業(yè)級3D打印機(jī)，該公司的很多部門都提出了在本部門中可以使用3D打印技術(shù)制造的零部件種類。

截止2020年，3D打印技術(shù)已經(jīng)成為了Rosatom非核業(yè)務(wù)的領(lǐng)先領(lǐng)域之一。Rosatom擁有提供增材制造服務(wù)的所需要的大部分專門知識技能，制訂了關(guān)于設(shè)備、材料和技術(shù)的計劃，來幫助將任何設(shè)計思想變成最終的產(chǎn)品。公司還專注于測試3D打印部件以確保其可靠性和安全性，這樣它們才能夠抵御很高中子通量的輻射。

5.其它機(jī)構(gòu)
2016年6月份，通用電氣和日立核能(GEH)聯(lián)合啟動了用3D打印來制造核電廠所需零部件的項目。這些零部件誕生后會被送到美國愛達(dá)荷國家實驗室(IDL)接受核輻射測試，然后與未受輻射的材料進(jìn)行比照。由于極具前景，這個項目已經(jīng)獲得了美國能源部200萬美元的資金支持。

GEH發(fā)言人Hollyn Phelps表示，在這個項目中，3D打印技術(shù)帶來的好處顯而易見，比如能大大簡化零部件制造流程從而將制造時間縮短十倍左右。雖然受限于3d打印機(jī)的尺寸，GEH目前能實現(xiàn)的最大構(gòu)建體積只有400立方毫米左右，但對于一些小尺寸部件，比如碎片過濾器、沸水反應(yīng)器，以及抗震動噴射泵來說，這已經(jīng)足夠了。另外，對于新建的核電廠來說，3D打印技術(shù)還可用于制造精細(xì)運動控制棒驅(qū)動器。

德國西門子公司(Siemens)2017年將3D打印消防泵葉輪安裝在斯洛文尼亞克爾什科核電廠，至今一直持續(xù)安全運行，實現(xiàn)3D打印設(shè)備在商業(yè)核電廠的首次應(yīng)用。

△3D打印核電站消防水泵用葉輪

2019年早些時候，瑞典兩家3D打印企業(yè)Additive Composite公司和Add North 3D公司聯(lián)合發(fā)布了適于核工業(yè)輻射屏蔽應(yīng)用的新型碳化硼復(fù)合絲，可以用來作為核電站的屏蔽材料。


結(jié)語
3D打印是近幾年興起的一種新型制造技術(shù)，在核能領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。國外核電巨頭都開始積極布局，并生產(chǎn)了部分3D打印部件用于核反應(yīng)堆。美國橡樹嶺實驗室的TCR項目還計劃使用 3D打印技術(shù)生產(chǎn)反應(yīng)堆堆芯，以實現(xiàn)核反應(yīng)堆建設(shè)的歷史性變革。