永久性地改变核能技术，3D打印发力核反应堆关键零件制造

根据3D科学谷的市场观察航空工业在上个世纪80年代就开始使用增材制造技术，之前增材制造在航空制造业只扮演了做快速原型的小角色。最近的发展趋势是，这一技术将在整个航空航天产业链占据战略性的地位。由于增材制造所具有的极大灵活性，未来的飞机设计可以实现极大的优化，更加仿生力学的结构。

如果说发动机是飞机的“心脏”，那么核反应堆堪称为核电站的“心脏”了。与航空工业发生的3D打印产业化进展类似，3D打印正在开发中永久性地改变核能技术的过程中，3D打印和先进的制造技术可能彻底改变核能工业，以小型堆推动能源系统的低碳转型。

▲©ORNL

触及核能“心脏”

ORNL发力3D打印核反应堆堆芯

据美国核能研究所（NEI）网站报道， 3D打印-增材制造也将惠及核工业。目前，美国核工业企业正在开发小于10兆瓦的微型反应堆，美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）开发了一个3D打印的核反应堆堆芯原型，并计划在2023年投入生产。

▲©ORNL

橡树岭国家实验室结合先进的材料和21世纪的反应堆设计，通过3D打印技术在大幅降低成本的同时加快反应堆开发进程，用更少的零部件制造先进的、全尺寸的3D打印反应堆堆芯，并集成传感器和控制装置到反应堆。

随着地球人口的增长，能源需求无可避免地增加，美国能源部希望通过3D打印，再加上美国已在其研发中部署的尖端监控系统，有助于消除核电中最大的挑战，从而为消费者提供低排放和可靠的化石燃料发电厂替代品-核能发电。

西屋电气开发3D打印核燃料组件隔离栅

不仅仅是橡树岭国家实验室，根据3D科学谷的市场观察，西屋电气充分发挥了3D打印实现结构一体化的优势，开发了3D打印的核动力燃料组件隔离栅。

反应堆堆芯由大量细长的燃料组件组成，每个燃料组件包括多个包含易裂变材料的燃料棒，其反应以产生热量。每个燃料组件的燃料棒由多个栅格保持成有组织的，间隔开的阵列，这些栅格沿着燃料组件的长度轴向间隔开，并附接到燃料组件的多个细长的控制杆导向套管。

通过引入增材制造技术-3D打印技术，可以在不进行进一步组装或焊接过程的情况下打印西屋电气开发的隔离栅。西屋电气设计的间隔栅具有沿着细长燃料组件的竖直轴线的轴向尺寸，核燃料组件格栅包括多个管状燃料棒支撑单元，具有四个横截面通常为正方形的壁。在相邻的燃料棒支撑室或控制棒支撑室中，每个壁的内部支撑垂直弹簧。西屋电气还考虑了一种混合叶片，该混合叶片在燃料杆支撑单元之间的区域中，连接至燃料杆支撑单元的外部。

与现有的栅格设计相比，新的设计允许SiC型燃料棒的平滑插入，同时还带来低压降。增材制造技术使得间隔栅设计允许1）实施高度精细但完全集成的混合功能，从而增强热和水力性能；2）最小化总压降；3）提高整体网格强度以应对震动。

而根据中关村在线，2020年西屋电气在Exelon Byron 1号核电站中安装了3D打印组件——一个顶针堵漏装置，这是全球首次商业核反应堆使用3D打印部件。

▲©西屋电气

深圳大学与中核集团开发全新结构的产氚单元

根据科技日报，在国内，深圳大学增材制造研究所陈张伟和劳长石教授团队，与中核集团核工业西南物理研究院合作，首次提出并实现了基于3D打印一体化自由设计和成形复杂多孔结构正硅酸锂陶瓷件，有望替代传统的微球床结构，成为新一代产氚器件，展现出重要应用前景。

传统的锂陶瓷产氚单元一般是把正硅酸锂做成直径1毫米左右的微球，并将它们堆积起来，做成球床结构，微球之间的空隙可以注入氦气。但是，这种产氚单元的填充率有限，而且无法自由调控。此外，微球堆积产生的应力集中，容易造成产氚单元结构形变开裂等破坏，成为球床结构和性能均匀稳定性的掣肘。一旦产氚单元发生故障，将直接导致聚变反应堆无法平稳运行。因此，科学家一直在尝试优化产氚单元的结构。

针对上述问题，2018年，陈张伟和劳长石等人与西南物理研究院另辟蹊径，提出用3D打印正硅酸锂陶瓷单元方法，研制一种全新结构的产氚单元，研发出一种光固化3D打印专用高相纯度正硅酸锂粉体浆料。3D打印出来的结构件，再进行高温烧结，在1050摄氏度的环境中烧制8—10小时实现瓷化，就能去除固化结构中的各种添加剂，且不再跟环境中的水和二氧化碳发生反应。采用这种方法打印出来的产氚单元是一体化无缺陷结构，经过测试，克服了球床填充率有限和应力集中引发的可靠性问题，其稳定性、力学性能比传统微球结构提升2倍。

国际同行给予高度评价，认为提出的3D打印技术在核聚变核心陶瓷部件的制造与应用极具创新性。该研究在核聚变堆应用方面极具前景，将为替代传统球床陶瓷产氚结构和推动托卡马克核聚变反应技术商业化提供更多可能。

 深圳大学与西南物理研究所开发核聚变堆第一壁钢构件

此外，深圳大学增材制造研究所已与西南物理研究院合作，围绕核聚变堆第一壁CLF-1钢构件的选区激光熔化工艺（LPBF）及其组织性能调控开展了系统研究工作，首次将非均质双/多模组织设计思路引入到SLM成形高强韧低活化马氏体钢（RAFM，为未来核聚变堆研发的钢种）的开发，基于SLM工艺参数和扫描策略的优化，SLM成形CLF-1钢兼具高强度与高塑性，其综合强韧性显著优于目前文献报道的RAFM钢。这项研究为3D打印高强韧RAFM钢的结构设计提供重要理论依据和技术指导，促进核聚变堆关键部件组织性能可控的一体化成型。

▲德国Fraunhofer ILT 弗劳恩霍夫激光研究所所长Poprawe院士到访增材制造所

©深圳大学增材制造研究所

中科院物质科学研究院开发CLAM钢

另据媒体报道，2018年，中科院合肥物质科学研究院已经利用3D打印技术实现核聚变堆关键部件——包层第一壁样件的试制。

研究人员以中国低活化马氏体钢（CLAM）为原材料，打印出来的部件样品尺寸精度符合设计要求，材料的致密度达到99.7%，与传统方法制备的CLAM钢强度相当。同时，研究还发现3D打印的逐层熔化和定向凝固特性导致了不同方向上CLAM钢组织和性能的差异，这种差异未来可以通过扫描方案优化和熔池形核优化等方式有效降低甚至消除。该研究表明，3D打印技术在核聚变堆等先进核能系统复杂构件制造上具有良好的应用前景。

（3D科学谷）

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