3D打印已進(jìn)入核領(lǐng)域，核反應(yīng)堆中使用3D打印零件

來源：福布斯&中關(guān)村在線

核燃料公司西屋電氣在Exelon Byron 1號(hào)核電站中安裝了3D打印組件——一個(gè)頂針堵漏裝置，這是全球首次商業(yè)核反應(yīng)堆使用3D打印部件。

核工業(yè)采用增材制造技術(shù)的進(jìn)程略慢于其他行業(yè)，但是近年來出現(xiàn)了一些值得注意的時(shí)刻。


2017年，西門子實(shí)現(xiàn)了行業(yè)突破，首次在核電站中成功實(shí)現(xiàn)了3D打印部件的商業(yè)安裝和持續(xù)安全運(yùn)行。由于核電領(lǐng)域?qū)Π踩院涂煽啃缘膰?yán)格要求。這是一個(gè)驚人的成就，因?yàn)楹穗娬舅褂玫牟考仨殘?jiān)固、可靠、耐高溫，并且要經(jīng)過比其他行業(yè)更多的監(jiān)管和質(zhì)檢環(huán)節(jié)。

3D打印，又稱快速成型制造，是一種創(chuàng)新技術(shù)，可以直接將3D數(shù)字模型變?yōu)閷?shí)際零件，簡化了制造過程?？焖俪尚椭圃旖档土顺杀?，提高了質(zhì)量和設(shè)計(jì)靈活性，消除了傳統(tǒng)制造的局限性。

3D設(shè)計(jì)和打印提供了質(zhì)量和成本節(jié)約的選擇，特別是在制造零部件的時(shí)候，如果需要更改零部件的結(jié)構(gòu)，只需要一個(gè)小小的編程改變。

GE Hitachi Nuclear Energy（GEH）一直是該領(lǐng)域的重要先驅(qū)者。GEH能夠?qū)?D打印的零件進(jìn)行輻照，以便在各種條件下對(duì)其進(jìn)行測試，并與傳統(tǒng)零件進(jìn)行比較。他們將利用3D打印技術(shù)將浪費(fèi)降到最低，并將制造時(shí)間縮短90%。

3D打印以制造微縮模型和其他新奇的東西而聞名，甚至是gun。這項(xiàng)技術(shù)最早在20世紀(jì)80年代被首創(chuàng)，在過去的10年里，幾乎為制造任何東西創(chuàng)造了一場革命。如今，我們可以打印的材料已經(jīng)不僅僅是塑料和橡膠。我們可以用金屬和各種高科技復(fù)合材料進(jìn)行打印。

所以，它能進(jìn)入核工業(yè)也就不足為奇了。最有希望的應(yīng)用是開發(fā)微型反應(yīng)堆，這是一種非常小的核反應(yīng)堆，通常小于10兆瓦，可以裝在拖拉機(jī)拖車的后面。

美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室與美國海軍破壞性技術(shù)實(shí)驗(yàn)室合作，剛剛為海軍制作了第一艘由碳纖維復(fù)合材料制成的3D打印潛水器船體。而且它的尺寸和微型反應(yīng)器差不多。

一個(gè)傳統(tǒng)的潛水艇船體的成本在60萬到80萬美元之間，需要幾個(gè)月的制造時(shí)間。而這款3D打印的船體，只需不到10萬美元，只需幾周時(shí)間就能完成，這在成本和時(shí)間上節(jié)省了十倍。

雖然微型反應(yīng)器的內(nèi)部零件可能很復(fù)雜，但與傳統(tǒng)方法相比，航空工業(yè)在3D打印復(fù)雜的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)零件時(shí)，用更少的時(shí)間和更低的成本就能完成，這一點(diǎn)在航空工業(yè)中已經(jīng)有了經(jīng)驗(yàn)。替換停產(chǎn)的零件是核電站的一個(gè)挑戰(zhàn)，而3D打印機(jī)可以用來制造替換零件。

3D打印的零件已經(jīng)進(jìn)入了核電站，先進(jìn)的試驗(yàn)反應(yīng)堆使用3D打印技術(shù)制造試驗(yàn)艙。

西屋電氣公司成功地安裝了一個(gè)3D打印頂針封堵裝置。該裝置被用于核反應(yīng)堆中，幫助將燃料組件降到核反應(yīng)堆堆芯中，在今年春季核電站的加油停機(jī)期間，該裝置被安裝到伊利諾伊州Exelon公司的拜倫核電站1號(hào)機(jī)組中。

伊利諾伊州的Exelon Byron核電站伊利諾伊州的Exelon Byron核電站

西屋公司首席技術(shù)官Ken Canavan說：“西屋公司繼續(xù)引領(lǐng)最先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，以幫助世界通過安全、清潔和可靠的能源滿足不斷增長的電力需求。我們的增材制造計(jì)劃為客戶提供了增強(qiáng)的零部件設(shè)計(jì)，有助于提高性能和降低成本，并提供傳統(tǒng)方法無法制造的零部件的可能性?！?br />
西屋電氣公司總部位于美國賓夕法尼亞州，是全球領(lǐng)先的核技術(shù)供應(yīng)商。在能源行業(yè)，傳統(tǒng)的火電、水電等能源獲取越來越多地用到3D打印技術(shù)，尤其是超大尺寸的金屬3D打印成型；而在核電領(lǐng)域，類似的應(yīng)用并不多見。事實(shí)證明在高精尖的領(lǐng)域，3D打印技術(shù)仍然能夠很好地發(fā)揮作用。

3D打印在核領(lǐng)域還有以下應(yīng)用例子：

橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Laboratory）與美國海軍的顛覆性技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（Disruptive Technology Lab）合作，用 碳纖維復(fù)合材料為海軍制造了首個(gè)3D打印的潛水船體它的大小與微型反應(yīng)器相同。

瑞典3D打印公司 Additive Composite 和 Add North 3D與Uppsala大學(xué)一起開發(fā)并發(fā)布了一種新的碳化硼復(fù)合線材，適用于輻射屏蔽應(yīng)用。該材料的名稱為Addbor N25，由碳化硼和共聚酰胺基質(zhì)組成。

碳化硼是已知的最硬的材料之一，因此已用于許多極端應(yīng)用，例如坦克裝甲和防彈背心。該材料還具有很高的中子吸收能力，非常適合用于核輻射屏蔽等應(yīng)用。像所有其他行業(yè)一樣，核能正通過3D打印，新材料和新應(yīng)用這兩個(gè)新流程進(jìn)入未來。在幾十年內(nèi)看到大量打印的微反應(yīng)器支持火星殖民地只是一個(gè)開始。