橡樹嶺國家實驗室3D打印核燃料反應(yīng)堆部件，并成功在TVA核電站安裝運行

導(dǎo)讀：2021年8月12日，南極熊從外媒獲悉，由橡樹嶺國家實驗室（ORNL）開發(fā)的首個3D打印部件已經(jīng)安裝在田納西流域管理局（TVA）位于阿拉巴馬州的Browns Ferry核電站。這些部件是四個3D打印的燃料組件支架，現(xiàn)在已經(jīng)在工廠正常運行。

這些燃料組件是ORNL與TVA和核燃料供應(yīng)商Framatome合作開發(fā)的，是位于ORNL的轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)反應(yīng)堆（TCR）計劃的一部分，該計劃的目標(biāo)是在美國境內(nèi)探索更快和更便宜的核能分配。

ORNL的TCR項目主任Ben Betzler說："在反應(yīng)堆應(yīng)用中使用3D打印部件是一個偉大的里程碑，它表明有可能在一個高度管制的環(huán)境中提供合格的部件。TCR計劃將基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)與技術(shù)聯(lián)系起來，來提供切實的解決方案，表明先進(jìn)的制造技術(shù)可以改變反應(yīng)堆技術(shù)和部件。"

3D打印燃料組件支架

去年12月，ORNL的合作伙伴首次公布了3D打印燃料組件支架的開發(fā)和安裝計劃，這是第一批使用TCR的先進(jìn)監(jiān)測和人工智能（AI）技術(shù)創(chuàng)建的數(shù)字同源實體部件。

ORNL為Framatome的沸水反應(yīng)堆燃料組件3D打印了通道緊固件，這是一種固定在組件頂部的支架，用于固定引導(dǎo)冷卻劑向上通過燃料棒的通道。據(jù)報道，這是第一個安裝在核反應(yīng)堆中的3D打印安全相關(guān)部件，通道緊固件是TCR數(shù)字平臺的一個測試案例，該平臺正在研究如何快速認(rèn)證為核反應(yīng)堆設(shè)計的部件的質(zhì)量。

這些部件現(xiàn)在正在布朗斯費里核電站運行，并將在反應(yīng)堆中保持六年，接受定期檢查。燃料組件支架是在能源部（DoE）位于ORNL的制造示范設(shè)施中設(shè)計和3D打印的，并被選為第一個用于核反應(yīng)堆的3D打印應(yīng)用，這得益于其簡單而非對稱的幾何形狀。

ORNL安全和數(shù)字制造部門負(fù)責(zé)人RyanDehoff說："ORNL提供最先進(jìn)的打印能力，世界一流的機械加工專業(yè)知識，新一代數(shù)字制造技術(shù)，加上全面的表征和測試設(shè)備。"

△帶有3D打印通道緊固件的沸水反應(yīng)堆燃料組件組件。照片來自Framatome

TCR計劃

世界核能協(xié)會報告說，核能目前提供了美國近20%的電力供應(yīng)，然而到2055年，目前的核反應(yīng)堆可能會因為許可證到期而退役，因為它們是基于70年的輕水技術(shù)。

為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，ORNL的TCR項目正在尋求為在核領(lǐng)域使用3D打印、計算建模和人工智能鋪平道路，作為降低制造成本和交貨時間的一種手段，同時也提高安全性。

Framatome公司北美燃料研發(fā)經(jīng)理JohnStrumpell說："與TVA和ORNL的合作使我們能夠部署創(chuàng)新技術(shù)，并探索新興的3D打印市場，這將有利于核能行業(yè)。這個項目為設(shè)計和制造各種3D打印部件提供了基礎(chǔ)，將有助于創(chuàng)造清潔能源的未來。"

作為該計劃的一部分，ORNL的目標(biāo)是利用直接能量沉積（DED）3D打印等技術(shù)建造一個核反應(yīng)堆核心。該團(tuán)隊還在建立鑒定方法，以確認(rèn)用于創(chuàng)建核心的3D打印部件的一致性和可靠性。

ORNL最近宣布了一項專門用于生產(chǎn)反應(yīng)堆部件的新3D打印技術(shù)的進(jìn)展，該技術(shù)能夠打印出對核反應(yīng)堆的安全運行至關(guān)重要的高溫和難熔金屬。

去年，普渡大學(xué)在獲得能源部80萬美元的撥款后，成為TCR項目的重要貢獻(xiàn)者，以幫助加速核反應(yīng)堆核心的開發(fā)。為此，普渡大學(xué)正在開發(fā)一個人工智能模型，以確保TCR微反應(yīng)器的3D打印部件的核級質(zhì)量。

TVA的核技術(shù)創(chuàng)新總監(jiān)DanStout補充說："TVA正在積極參與開發(fā)未來的新核技術(shù)，與ORNL和framatome合作，采用這種創(chuàng)新的制造方法，可以為在現(xiàn)有的核艦隊以及先進(jìn)的反應(yīng)堆和小型模塊化反應(yīng)堆中使用鋪平道路。"