3D打印在核電領域的應用發(fā)展

導讀：近年來，增材制造在能源領域發(fā)揮著越來越重要的作用，比如石油和天然氣領域，現(xiàn)在它也被用于核領域。近年來，核電行業(yè)日益受到重視，世界核協(xié)會的數(shù)據(jù)顯示，2019 年，核電行業(yè)在 33 個國家擁有 438 個可運行反應堆，是世界第二大低碳電力來源。此外，根據(jù)美國能源情報署（EIA）的數(shù)據(jù)，2020 年世界核電總發(fā)電量為 25,910 億千瓦時，占世界總發(fā)電量的 10.1%�，F(xiàn)在，核電領域積極探索包括增材制造在內(nèi)的新技術。為了更好地了解增材制造在核領域的應用發(fā)展，南極熊整理了3D打印在核電站中的一些主要用途。



●ORNL 的 3D 打印反應器
核能和3D打印領域最活躍的參與者之一無疑是美國的橡樹嶺國家實驗室（ORNL），這個團隊多年來一直致力于研究增材制造如何影響核電領域。例如，2020 年 5 月，他們展示了第一個反應堆堆芯原型，是通過DED機器3D金屬打印的。該項目是“轉型挑戰(zhàn)反應堆示范”(TCR) 計劃的一部分，其目標是在非常短的時間內(nèi)實現(xiàn)更便宜、更高效的能源系統(tǒng)。這個反應堆堆芯從設計階段到后期處理只用了三個月時間，打印過程僅僅需要40小時的工作，溫度可以達到1,400°C。



●Ultra Safe Nuclear Corporation 與 ORNL 合作開發(fā)微型反應堆
Ultra Safe Nuclear Corporation 是一家美國核公司，旨在開發(fā)和整合安全、清潔和具有商業(yè)競爭力的核解決方案。2022 年，它宣布計劃與橡樹嶺國家實驗室合作，利用后者的增材制造能力推進核電，通過使用Binder Jetting技術來制造微型模塊化反應堆。選擇增材制造技術能夠使團隊克服與碳化硅相關的挑戰(zhàn)，他們將節(jié)省資金并設計處比傳統(tǒng)方法更復雜的幾何形狀。



●Czech Energy公司使用 3D 打印優(yōu)化供應鏈
ČEZ 是中歐和東歐最大的公共企業(yè)，該公司的核部門與捷克核公司 Škoda JS 合作，選擇增材制造技術，優(yōu)化其自身的供應鏈問題并減少停機時間。僅一年，他們就使用這項技術生產(chǎn)了 4159 個塑料和金屬零件。在新冠病毒和烏克蘭戰(zhàn)爭期間、該公司使用增材制造技術極大的降低了供應鏈中出現(xiàn)的風險。大型打印機可以生產(chǎn)重達 600 公斤的金屬零件，在短時間內(nèi)更換有缺陷的零件。ČEZ 董事會成員兼核能部門主管 Bohdan Zronek 解釋說，幾何形狀更簡單的零件是使用傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的，復雜的零件可以有3D打印輕松制出。


△金屬 3D 打印一直是核電企業(yè)的首選方法（圖片來源：Markforged）

●Alabaman Reactor中的安全關鍵部件
根據(jù) EIA 的數(shù)據(jù)，美國目前有 93 座運行中的核電站。其中之一是位于阿拉巴馬州雅典市的Browns Ferry核電站，這是該國的第二大核電站。在 Plant Unit 2 中，TVA、Framatome 和 DOE 核能辦公室資助了位于橡樹嶺國家實驗室 (ORNL) 的轉型挑戰(zhàn)反應堆 (TCR) 計劃，在 2021 年就安裝了四個用于核反應堆的 3D 打印燃料組件支架。該項目很有趣，因為它在美國尚屬首例，表明可以在高度監(jiān)管的環(huán)境中部署合格的 3D 打印組件，比如核反應堆。安全緊固件是安全關鍵部件，采用激光粉末床熔合和 TruForm 316 (Fe-271) 制成，TruForm 316 (Fe-271) 是一種由鐵、鎳、鉻和鉬組成的金屬粉末合金。



●Slovenia的Siemens（西門子）：Krško 工廠
核電站中的第一個 3D 打印和運行部件是西門子生產(chǎn)的。它是Slovenia（斯洛文尼亞） Krško 核電站持續(xù)運行的消防泵的直徑 108 毫米的金屬葉輪，由西門子設計和增材制造。增材制造的使用是必不可少的，因為自該工廠于 1981 年投產(chǎn)以來，原始葉輪一直在運行，而其原始制造商已停業(yè)。斯洛文尼亞的西門子團隊隨后對零件進行逆向工程并創(chuàng)建了一個“數(shù)字孿生”，以使用金屬增材制造來重建零件。該項目標志著 AM 行業(yè)向前邁出了重要一步，因為 3D 打印部件首次展示了安全運行并通過了核電所需的所有測試，核電是最復雜和要求最高的行業(yè)之一。


△圖片來源：西門子

●North Dakota（北達科他大學）開發(fā)核反應堆
北達科他大學的一組研究人員創(chuàng)建了一個項目，開發(fā)了帶有鋼筋的 3D 打印核反應堆。為了制造這些部件，Roy Sougata（機械工程教授）和他的團隊將使用奧氏體鋼，這種金屬合金用氮強化，將成為建造過程中的主要原材料。目前，研發(fā)小組尚未提供有關所用 3D 打印機的信息，主要是看看這些 3D 打印組件是否比以傳統(tǒng)方式設計的組件更高效。零件的設計將在北達科他大學進行，而進一步的分析將在橡樹嶺國家實驗室 (ORNL) 進行。此外，組件的測試將側重于它們的摩擦學特性。


△奧氏體鋼將用作主要材料（圖片來源：Dr. K. Natesan）

●Westinghouse Electric（西屋電氣）公司通過 3D 打印打造行業(yè)第一
3D打印在功能部件的制造中發(fā)揮著重要作用。2020 年，西屋公司在其一個核反應堆中安裝了一個使用 3D 打印制作的頂針封堵裝置。在當時，這在業(yè)內(nèi)尚屬首次。此后，它繼續(xù)專注于增材制造，兩年后再次開辟了新天地，分別在芬蘭和瑞典的兩個沸水反應堆 (BWR) 裝置中安裝了 3D 打印的碎片過濾器 ，增強的過濾捕獲功能，標志著公司在采用增材制造方面向前邁進了一步。


△照片來源：西屋電氣

●法國核公司 Framatome 的 3D 打印
法國跨國公司Framatome宣布已開發(fā)出一種 3D 打印不銹鋼燃料組件。該產(chǎn)品是在瑞典 Forsmark 的一家核電站生產(chǎn)的，特別是在 Vattenfall。。該部件是一個頂端網(wǎng)格，用于固定燃料棒，金屬管中堆放著圓柱形燒結二氧化鈾顆粒。它還用于防止大塊碎片進入燃料組件。為了生產(chǎn)它，F(xiàn)ramatome使用了 3D 激光打印技術，但 Framatome 沒有具體說明是哪一種。


△照片來源：Framatome

●Purdue（普渡）大學的 3D 打印微反應器
印第安納州普渡大學（美國）已獲得美國能源部80 萬美元的資助，用于參與 3D 打印微反應器的創(chuàng)建。Purdue 團隊的任務是開發(fā)人工智能技術，以確保增材制造的核反應堆部件的質(zhì)量。增材制造和人工智能技術的結合可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)更豐富、成本效益更高的核部件鑒定過程。具體來說，普渡大學的解決方案將應用強化學習，它使用先進的機器學習策略來微調(diào)最佳 AM 工藝參數(shù)的選擇，例如打印速度和熔化溫度，以訓練人工智能模型并指導決策過程使其更高效、更快速。


△核反應堆的 3D 打印部件。（圖片來源：ORNL）

●BWX Technologies 與 ORNL 合作
BWX Technologies 和橡樹嶺國家實驗室 (ORNL) 正在研究用于制造核組件的金屬 3D 打印技術。為了為核反應堆提供動力，它們的目標是使用基于鎳和難熔金屬的高溫合金生產(chǎn)零件。BWX Technologies 會使用電子束熔化系統(tǒng)來 3D 打印零件。據(jù)該公司稱，這些材料的選擇使研究人員能夠?qū)⒔M件的耐溫能力提高到高達 1,482°C，并使整個工廠的效率提高約 50%。增材制造還可以降低成本，特別是在零件維護和維修方面，而且還可以加快組件原型制作階段。


△照片來源：橡樹嶺國家實驗室