中國核動力研究院何戈寧《增材制造推動核工業(yè)領域技術創(chuàng)新發(fā)展》

2020年11月29日上午，2020年長沙網(wǎng)絡安全·智能制造大會在湖南長沙隆重召開。在“中國（長沙）增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展與技術應用分論壇”上，邀請了增材制造行業(yè)的院士、專家、航空航天、裝備、材料、檢測等龍頭企業(yè)的代表，共同探討增材制造技術國內(nèi)外發(fā)展的前景及趨勢，為廣大應用企業(yè)及產(chǎn)業(yè)鏈上下游單位未來的發(fā)展，提供重要的參考方向，南極熊發(fā)現(xiàn)眾多行業(yè)知名大咖蒞臨現(xiàn)場。

來自中國核動力研究院的何戈寧主任，發(fā)表了題目為《增材制造推動核工業(yè)領域技術創(chuàng)新發(fā)展》的主題演講。            

下面是報告整理：

核能被喻為人類最有希望能夠實現(xiàn)未來的能源之一，也是我們國家維護國家戰(zhàn)略的基石，維護大國地位的重要國防領域標志。

我匯報的主題是：《增材制造賦能核創(chuàng)共進》。介紹核能領域增材制造技術研究的現(xiàn)狀以及展望。

一、單位介紹
我來自中國核動力研究設計院，我們院是國家戰(zhàn)略高科技研究設計院，被喻為中國核動力的工程搖籃。通過三次創(chuàng)業(yè)，我們院從1965年建院，先后建成了三代國家的核動力研發(fā)平臺，為國防建設和國民經(jīng)濟建設作出了很多貢獻。

今年對于核工業(yè)是個特殊的年份。50年以前，我們國家在第一艘核潛艇陸上模式堆發(fā)出了中國核能的第一度電，我們也非常高興自主研發(fā)的第三代核電技術，華龍一號發(fā)出了第三代核電的第一度電。所以今年是個特別值得記憶的年份。在1958年的時候我們國家開始了核潛艇的項目，當時主席發(fā)出過豪言壯語：“核潛艇，一萬年也要搞出來”。在1970年8月的時候，我們國家第一代潛艇陸上模式堆就正式建成了。

現(xiàn)在我們院已經(jīng)開發(fā)了一系列的先進的反應堆，ACP系列，我們國家自主三代的反應堆，中型堆、小型堆、行波堆、地下核電等等。

我們在核電領域的拳頭產(chǎn)品是華龍一號，已經(jīng)正式發(fā)電了，全球范圍內(nèi)唯一一個按計劃推薦，沒有拖期的三代核電技術。


二、現(xiàn)狀與痛點
我們院是比較早開始研究3D打印的，在2015年的時候已經(jīng)對ACP 100反應堆壓力容器實現(xiàn)了3D打印制造。3D打印在核能領域有很多探索，2016年的時候中核建中在宜賓一個援建廠，也完成了燃料元件的打印，后續(xù)還有很多的嘗試。這些嘗試主要做的工作是用3D打印來解決快速原型的問題。沒有把設計融入進去。實際上到目前為止，核級的3D打印部件，在中國國內(nèi)沒有實現(xiàn)應用。這當然是需要我們進一步去推動的事情。  

為什么我們起了一個大早趕了一個晚集，2015年打印出來了，為什么沒有應用呢？痛點問題有三個：

• DFAM缺乏：基于3D打印設計的缺乏。之前的嘗試是快速原型，有什么打什么。
• 系統(tǒng)性規(guī)劃的缺失：對于整個3D打印應用的價值規(guī)劃產(chǎn)業(yè)規(guī)劃都是缺失的，做了一些零敲碎打的工作，很難實現(xiàn)批量化的應用。
• 標準規(guī)劃的缺位：核能領域是個特殊的領域，核安全和傳統(tǒng)的工業(yè)安全相比，對于國家、國民經(jīng)濟的重要性是不一樣的。怎樣能夠建立一套標準規(guī)范體系，在這個標準規(guī)范體系下來推進3D打印的應用，是需要我們重點關注的內(nèi)容。
  

我逐個給大家介紹一下。

第一，DFAM的缺乏。
以換熱器為例子，DFAM的難度在什么地方？都說3D打印釋放了設計的自由度，讓復雜的設計成為了可能。DFAM難在什么地方呢？有兩個關鍵的節(jié)點，常規(guī)設計大家都會，有設計手冊、設計方法、固定的設計套路。第一步要解決的問題如果不完全考慮制造工藝，我們的設計是什么樣子？這個是最難的，跳出所有的框架我們應該是什么樣的設計。現(xiàn)在炒得比較熱的是正向設計，正向設計完了以后我們需要一個什么樣的功能部件，3D打印還是有一些限制的，怎么通過我們的設計把3D打印的限制考慮進去。通過這兩步走才能實現(xiàn)基于3D打印思維的設計，因為這個是非常難的。我們這兩年在這方面做了很多工作，等下給大家有一個展示。

第二，缺乏系統(tǒng)性的規(guī)劃。
現(xiàn)在也在做這樣的工作，基于3D打印的價值臺階，對3D打印價值鏈進行梳理，對整個布局進行梳理，希望有個系統(tǒng)性的，從更高的角度來看3D打印在核能的領域的應用。

第三，標準。
今年的2月份國家出臺了增材的標準領航計劃，把核工業(yè)作為一個重點推動的特色領域，要建立標準，我們也希望在這方面，跟我們的栗博士、盧老師、國內(nèi)的精英團隊一起，把3D打印在國內(nèi)的標準建立起來，推進3D打印在核能領域的應用。

三、國外的研究情況
看看國外在核能領域研究到什么程度了，這是今年最重磅的新聞，美國國家橡樹嶺國家實驗室，他們的目前的項目是轉型挑戰(zhàn)反應堆TCR示范計劃，他們的目標是2023年要建造一個先進的全尺寸的，包括傳感器一體化打印的集成反應堆裝置，可以說在核能領域拋下了大炸彈，很多領導開始關注，我們不能掉隊。

實際上橡樹嶺國家實驗室在核能領域研究遠遠不如核能領域的技術巨頭。美國西屋電氣是核能領域最大的巨頭，在2014年開始系統(tǒng)性的布局3D打印。

在DFAM方面他們也做了很多工作，今年他們有個專利已經(jīng)獲得了授權，用3D打印對這個反應堆燃料格架進行了重新的設計，這方面我們跟盧老師團隊也在做類似的工作，也看到了前景。  

法國的法馬通在2015年開展了相關的工作，是法國核電的巨頭。這是最近的新聞，他們第一階段的輻射檢測周期試驗已經(jīng)完成了，走到了前面。

四、示范項目
我們近期開展的工作情況，先進核能發(fā)展的需求，目前海陸空天，可能都會對核能應用有需求，對于我們裝備的高效、緊湊、小型提出了前所未有的挑戰(zhàn)。也深刻感受到了傳統(tǒng)制造業(yè)解決這些問題已經(jīng)捉襟見肘，高效、緊湊、小型也正好是3D打印的優(yōu)勢。我們需要系統(tǒng)性開展DFAM的設計，同時我們選擇了換熱設備作為代表，希望能夠以這個點來個撬動整個3D打印在核能領域的應用，相關的工作跟盧秉恒院士團隊，在他們的幫助下做了很多工作。這個項目拿到了工信部一條龍的應用示范項目。

（圖）這個是我們過程中的工藝樣件的試驗件。
（圖）這邊是我們做的換熱設備傳熱試驗的照片

我們已經(jīng)基于3D打印的思維完成了模塊化、高效換熱設備的設計。目前正在打印和試驗。與傳統(tǒng)的換熱設備相比，重量、體積、零部件數(shù)量、制造周期均減小90%以上，因為重量、體積的減少，制造成本降低50%以上。

（圖）傳熱系數(shù)可以穩(wěn)定達到1萬以上。
（圖）3D打印換熱設備與傳統(tǒng)換熱設備的比較，優(yōu)勢非常的明顯。

我們的項目叫3D打印模塊化高效換熱設備，是非常復雜的結構，采用的是選區(qū)熔化技術，但尺寸有限制。尺寸限制和模塊化是一對兄弟，用模塊化的理念就在現(xiàn)在可以實現(xiàn)的尺寸范圍內(nèi)來進行設計，已經(jīng)實現(xiàn)了設計的模塊化，可以搭積木式的來完成換熱器的設計，為任何一個換熱功能，可以非�？斓奶峁�換熱器的解決方案。
布置變得很簡單了，數(shù)個數(shù)，建安就像雞蛋殼一樣的，安裝非常的快。運維它非常的小，可以拆解做CT檢測、再安裝，運維也變得非常方便。

高效是剛才說到的制造效率非常高，運行效率也非常高。檢修由于引進了模塊化理念，也變得非常的簡便。設計過程中采用了數(shù)字孿生技術，把這個數(shù)字計算與試驗研究相結合，最后提供一個非�？焖俚慕鉀Q方案。

這個是我們舉了兩個例子，左手邊的模型是現(xiàn)有的工藝上的換熱器，右手邊是模塊化3D打印換熱器外形輪廓用框線圖。質量、尺寸、零部件數(shù)量都是有非常大的提升。

目前與國內(nèi)的技術相比，跟美國做換熱器非常有名的做了比較，和他們在相同量級，看樣子我們略有優(yōu)勢。

五、3D打印應用的展望
換熱設備講得比較多，只是我們選擇了一個翹桿，希望以這個換熱設備來撬動整個3D打印在核能領域的應用。根據(jù)我們的梳理，3D打印在核能領域的應用前景非常的廣闊，包括用3D打印來做減隔振、高效泵閥部件的3D打印制造。對于一些結構化的一體化設計、減重設計實現(xiàn)3D打印應用，燃料組建一些關鍵功能部件也可以用3D打印來實現(xiàn)性能提升，包括仿生設計希望引入到核能領域的核能裝備，新材料的研發(fā)，3D打印對衛(wèi)生材料研發(fā)帶來了很多可能。我們也希望能夠用增材制造產(chǎn)業(yè)鏈上的各個優(yōu)秀企業(yè)，包括湖南的優(yōu)秀的云箭、華曙一起深入合作，推進3D打印在核能領域的應用。

這個是今年8月份的新聞，橡樹嶺國家實驗室已經(jīng)把AI技術引入到增材制造領域了，他們宣傳的是叫用AI技術來保證反應堆關鍵部件的核級質量。目前3D打印叫智能制造，但是現(xiàn)階段目前來說實現(xiàn)了數(shù)字化制造，智能還是有欠缺的。在這一方面我們院開始著手推進這方面的工作，也希望引起大家的重視，同時也希望跟大家一起來推進，使3D打印真正的實現(xiàn)智能，把獲取的數(shù)據(jù)怎么能夠用人工智能挖掘、處理，最后反饋回我們的制造過程或者用于控制我們的質量。

德國也在做跟橡樹嶺同樣的事情，AI技術在3D打印的應用，下一階段是個重點方向�，F(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)了數(shù)字化制造，對于智能制造還需要去擁抱，包括數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈，下一代的數(shù)字化技術怎么跟3D打印結合起來，這是下一階段我們需要重點關注的。  


我的匯報就到這里，謝謝大家！