美國能源部向愛荷華州撥款100萬美元，研究3D打印核反應(yīng)堆鎢部件

2024年10月7日，南極熊獲悉，美國能源部 (DOE)向愛荷華州立大學(xué)撥款 100 萬美元，項目為期四年，用于研發(fā)使用定向能量沉積 (DED) 增材制造 (AM) 技術(shù)制造可用于核反應(yīng)堆的鎢基防護罩和部件的可能性。該資金來自刺激競爭性研究的既定計劃 (EPSCoR)計劃，這是一項橫跨五個不同美國聯(lián)邦機構(gòu)的研發(fā)工作。

愛荷華州立大學(xué)機械工程系助理教授索加塔·羅伊（Sougata Roy）博士是該項目的首席研究員，北達科他大學(xué)機械工程系助理教授 Yachao Wang 博士以及來自三個能源部實驗室的研究人員也參與了該項目。這項資助將使羅伊作為首席研究員組建所謂的“夢之隊”項目：“為極端應(yīng)用和管理的鎢增材制造開發(fā)強大的生態(tài)系統(tǒng)”。

羅伊說：“這個項目讓我興奮的一大原因是它利用了核能。核能是美國最大的清潔能源（美國能源信息署報告稱，美國大約 19% 的電力來自核能，大約 10% 來自風(fēng)力發(fā)電），這種零排放電力對未來至關(guān)重要�！�

與其他難熔金屬一樣，鎢由于其高熔點和抗腐蝕性而在核能方面顯示出巨大的潛力。鎢是聚變反應(yīng)堆內(nèi)壁的最佳候選材料，因為它在高溫下能保持強度，熔化溫度高，在高能中子輻照下能抵抗侵蝕，并且放射性氚的含量低。

然而，使用傳統(tǒng)制造方法加工鎢也相當(dāng)困難。但羅伊表示，對于傳統(tǒng)制造商來說，使用鎢的成本很高，因為它又硬又脆。這促使相關(guān)學(xué)術(shù)界將增材制造視為加工該材料的潛在候選者。他們將嘗試使用定向能量沉積（DED）技術(shù)來 3D 打印鎢基合金。該技術(shù)涉及在氧氣控制條件下使用激光處理鎢粉，然后逐層打印金屬。

羅伊具有為核能應(yīng)用進行其他鋼基合金 3D 打印的經(jīng)驗，他表示該項目將使他能夠購買一臺新儀器來表征打印樣品的機械性能（包括儀器壓痕特性和斷裂韌性）。羅伊還表示該項目最獨特的部分不是實際的打印，而是基于物理的建模和打印過程的計算模擬，這將補充實驗工作。

建模和模擬將使用機器學(xué)習(xí)和人工智能工具，幫助研究人員建立實驗結(jié)果背后的理論。模擬還將幫助他們開發(fā)出能夠承受核反應(yīng)堆內(nèi)極端條件的鎢合金配方。羅伊說：“我們將從純鎢開始，最終我們將開發(fā)新的合金來解決這一開裂難題。”

△ORNL 研究人員利用基于電子束的粉末床熔合 (EB-PBF) 技術(shù) 3D 打印出首批具有復(fù)雜幾何形狀的無缺陷鎢部件。圖片來源：Michaela Bluedorn/ORNL，美國能源部。

與此同時，這一軌跡與新核能技術(shù)研發(fā)的資金機會不斷增加相交叉。Sougata Roy 博士在一份新聞稿中表示：“這項先進制造工作，尤其是使用增材制造的工作，是為了有所作為。這個項目讓我興奮的一大原因是與核能的合作。它是美國最大的清潔能源。這種無排放電力對未來很重要。我們將從純鎢開始。最終我們將開發(fā)新的合金來解決這個開裂難題�！�

人們對核能的興趣再度高漲，不僅是因為需要減少碳排放。同樣，為人工智能數(shù)據(jù)中心建設(shè)新發(fā)電能力的緊迫性也促使科技公司爭相鎖定最便宜的可用電力來源。例如，微軟最近與 Constellation Energy達成協(xié)議，將在 2028 年前將自 2019 年以來一直處于停用狀態(tài)的三哩島核電站重新投入使用。

與賓夕法尼亞州立大學(xué)最近由國防部資助的3D 打印陶瓷項目類似，ISU 項目將涉及將機器學(xué)習(xí)和模擬與現(xiàn)實世界的實驗相結(jié)合。事實上，羅伊博士告訴 ISU，他認為機器學(xué)習(xí)方面是計劃研發(fā)中“最獨特的部分”。

正因如此，當(dāng) AI 熱潮的觀察者開始質(zhì)疑投資回報從何而來時，值得注意的是，為增材制造開發(fā)新材料是 AI 用例日益增長的來源。雖然 AI 通常被視為增材制造的潛在賦能技術(shù)，但很明顯，展望未來，牢記相反的可能性可能同樣重要。