增材制造正在邁向核能領域，成為二氧化碳減排的潛在解決方案

導讀：在過去五年中，增加制造技術的采用率顯著增加，已經(jīng)在能源行業(yè)的不同領域找到了應用，包括建立原型和主流生產(chǎn)，從而簡化了流程并提高了運營效率。更重要的是，核能領域未來有望從增材制造技術的發(fā)展中獲益，這其中包括核裂變能源，甚至更高端的核聚變能源。

在核能行業(yè)，增材制造在復雜部件和原型的生產(chǎn)中發(fā)揮著至關重要的作用。它能夠快速制造復雜的設計，減少與傳統(tǒng)制造方法相關的交貨時間和成本。該技術可以制造具有更高耐用性和精度的專用零件，這對于確保核電站的安全性和可靠性至關重要。此外，3D打印還可用于生產(chǎn)抗輻射材料和工具，用于放射性環(huán)境中的維護和維修。

當前裂變反應堆的增材制造

民用核工業(yè)是增材制造能源相關應用最熱門的領域之一。自從西門子在斯洛文尼亞的克爾什科核電站成功安裝 3D 打印部件（用于消防泵的直徑 108 毫米的金屬葉輪）以來，新的增材制造在核電站的應用一直在開發(fā)中。有了適當?shù)牟牧�，包括陶瓷和難熔金屬，增材制造可用于不再可用的過時零件，使舊發(fā)電廠能夠繼續(xù)運營。同時，新的增材制造材料正在通過粘結劑噴射和擠壓技術以及金屬粉床燒結技術進行輻射屏蔽的資質認證。

△這張照片顯示了原始狀態(tài)下什么到期的水葉輪、西門子的 3D 打印原型以及在斯洛文尼亞 Krško 核電站安裝和運行的 3D 打印替代品。該增材制造項目的代號為“Perun”，以神話中與冶金密切相關的斯拉夫雷電之神命名

使用 3D 打印核反應堆替換件和備件的前沿研究始于 2016 年，當時美國能源部 (DOE) 選擇 GE 日立核能 (GEH) 來領導一項價值 200 萬美元的增材制造研究項目。該項目是先進核技術投資超過 8000 萬美元的一部分。GEH 通過為核電站生產(chǎn)替換零件樣品來領導該項目。這些樣品在南卡羅來納州格林維爾的 GEPower 先進制造廠工廠用金屬 3D 打印，然后運往愛達荷國家實驗室 (INL)。一旦在 INL 的高級測試反應堆中進行輻照，就會對樣品進行測試，并與 GEH 對未輻照材料進行的分析進行比較。GEH 使用這些結果來支持燃料、服務和新工廠應用的 3D 打印零件的部署。

△3D 打印燃料組件支架和實驗室已在田納西河谷管理局位于阿拉巴馬州雅典的布朗斯費里核電站2 號機組中安裝完畢，并處于常規(guī)運行狀態(tài)。

最近的功能部件示例包括 4 個首創(chuàng)的3D 打印燃料組件支架，這些支架于 2021 年在能源部橡樹嶺國家實驗室的制造示范設施中生產(chǎn)。這些設備已在田納西河谷管理局位于阿拉巴馬州雅典市的布朗斯費里核電站 2 號機組中安裝完畢，目前處于常規(guī)運行狀態(tài)。

這些組件是與 TVA、Framatome和美國能源部核能資助的轉型挑戰(zhàn)反應堆 (TCR) 辦公室（位于橡樹嶺國家實驗室的一個項目）合作開發(fā)的。核反應堆通道緊固件雖然不對稱，但其簡單的幾何形狀非常適合增材制造技術的首次應用驗證。TCR 計劃當前的重點是進一步完善相關技術，包括先進制造、人工智能、集成傳感以及用于組件質量認證的數(shù)字平臺的部署。

現(xiàn)在增材制造業(yè)務開始規(guī)�；�。2022 年，西屋電氣公司在 Exelon 拜倫 1 號核電站春季加油停運期間將 3D 打印組件安裝到商用核反應堆中。西屋電氣公司擁有粉末床熔融金屬增材制造以及熱絲激光焊接 (HWLW)技術，作為其先進制造產(chǎn)品的一部分。全球有 430 座運行的核反應堆中采用了西屋公司的增材技術。

△西屋電氣公司在商用核反應堆中安裝了 3D 打印組件。圖片：西屋電氣公司。

同樣在 2022 年，西屋電氣在兩個北歐沸水反應堆 (BWR) 機組（芬蘭的 Olkiluoto 2 號機組和瑞典的 Oskarshamn 3 號機組）中安裝了 StrongHold AM 3D 打印核燃料碎片過濾器，以進一步提高工廠的運行可靠性。西屋電氣與工廠運營商 Teollisuuden Voima Oyj (TVO) 和 OKG 密切合作，創(chuàng)建了 StrongHold AM 過濾器。StrongHold AM 過濾器完全通過 3D 打印技術制造，并提供增強的捕獲功能，以防止碎片進入燃料組件并可能損壞包殼，從而導致意外且昂貴的停機。

研發(fā)工作也在持續(xù)進行，以確定 3D 打印在核工業(yè)中的更多應用。其中一項由能源部核能辦公室支持的項目是前面提到的轉型挑戰(zhàn)堆（TCR）示范項目。作為部署 3D 打印核反應堆的一部分，該計劃將創(chuàng)建一個數(shù)字平臺，幫助將技術移交給工業(yè)界，以快速采用增材制造核能技術。通過 TCR 計劃，橡樹嶺國家實驗室正在尋求解決一個令人不安的趨勢：盡管核電站提供了美國近20% 的電力，但根據(jù)目前的許可證到期日期，超過一半的美國反應堆將在 20 年內(nèi)退役。

△StrongHold AM 為核電站創(chuàng)建了首個 3D 打印燃料碎片過濾器，由西屋電氣安裝。

類似的情況也發(fā)生在法國，截至2022年8月中旬，法國56座核反應堆中有一半以上處于離線狀態(tài)。造成這種情況的原因是安全注射系統(tǒng)中與安全相關的損壞以及計劃的停機。2021年發(fā)現(xiàn)不銹鋼安全系統(tǒng)管道出現(xiàn)嚴重應力腐蝕開裂，需要停產(chǎn)檢查和維修。所有這些零件都需要更換，增材制造必須發(fā)揮作用，特別是在原始模具不再可用的情況下。

考慮到這一點，法國核能服務和零部件供應商法馬通在瑞典 Vattenfall 運營的 Forsmark 核電站完成了首個 3D 打印不銹鋼燃料組件的安裝。與 KSB SE & Co. KgaA 合作，設計、制造了 ATRIUM 11 上連接板網(wǎng)格，并將其安裝在 Forsmark 3 號機組中，用于多年輻照計劃。

柵位于 ATRIUM 11 燃料組件的頂部的聯(lián)接板格是一個非結構性承重組件，可固定燃料棒并阻止較大的碎片從頂部進入燃料組件。上部連接板網(wǎng)格易于檢查，并且可根據(jù)需要獲取樣品來驗證這種新制造工藝是否適合在反應器內(nèi)使用。在傳統(tǒng)的制造過程中，上墊板網(wǎng)格是使用沖壓的梳狀板材進行激光焊接的，這需要額外的制造步驟和操作員的監(jiān)督。增材制造簡化了制造流程并增加了設計選項，以增強功能和提高性能。

△Framatome 的 3D 打印ATRIUM 11 頂部的連接板網(wǎng)格

法拉美通(Framatome)于2015 年開始將增材制造引入核燃料，重點關注不銹鋼和鎳基合金燃料組件。2021年，F(xiàn)ramatome與橡樹嶺國家實驗室（ORNL）合作制造的第一個3D打印不銹鋼燃料組件通道緊固件裝載在美國商業(yè)沸水堆核電站中。法國、德國和美國的法馬通燃料專家與全球客戶密切合作開發(fā)了這項技術。

用于下一代核裂變的增材制造

目前，核能行業(yè)的發(fā)展速度正在加快，這與過去形成了明顯的變化，特別是在小型模塊反應堆（SMR）方面。SMR是核反應堆的縮小版本，包括目前和第四代（快中子）技術。

美國正在開發(fā)一些微反應器設計，它們可能會在十年內(nèi)準備好推出。這些緊湊型反應堆足夠小，可以通過卡車運輸，可以幫助解決從偏遠商業(yè)或住宅地點到軍事基地等多個領域的能源挑戰(zhàn)。

微反應器并不由其燃料形式或冷卻劑來定義。相反，它們具有三個主要特征。首先，也是增材制造能夠發(fā)揮重要作用的原因是它們是工廠制造的：微反應器的所有組件都將在工廠完全組裝并運送到現(xiàn)場。這消除了與大規(guī)模建設相關的困難，降低了資本成本，并有助于反應堆快速啟動和運行。

另一個特點是它們可以運輸。這將使供應商可以輕松地通過卡車、船舶、飛機或火車運輸整個反應堆。它們也是自我調節(jié)的，這意味著簡單且響應式的設計概念將允許微反應器進行自我調節(jié)。它們不需要大量的專業(yè)操作員，并且將利用被動安全系統(tǒng)來防止任何過熱或反應堆熔毀的可能性。

△微反應器甚至可以輕松運輸?shù)狡�遠地區(qū)。

微反應器的設計各不相同，SMR 被定義為產(chǎn)生高達 300 兆瓦 (MW) 的電力，而超小型模塊化反應堆 (vSMR) 或微反應器每個模塊產(chǎn)生高達 20 MW 的電力。它們可用于產(chǎn)生清潔可靠的電力，用于商業(yè)用途或非電力應用，例如區(qū)域供暖、海水淡化和氫燃料生產(chǎn)。

除了與微電網(wǎng)內(nèi)的可再生能源無縫集成外，微反應器還可以用于緊急響應，幫助恢復遭受自然災害的地區(qū)的電力。它們的核心壽命也更長，無需加油即可運行長達 10 年。大多數(shù)設計都需要鈾 235 濃度較高的燃料，而當今的反應堆目前尚未使用這種燃料。然而，一些系統(tǒng)可能會受益于高溫減速材料的使用，這將降低燃料濃縮要求，同時保持較小的系統(tǒng)尺寸。

美國能源部支持各種先進的反應堆設計，包括氣體、液態(tài)金屬、熔鹽和熱管冷卻概念。美國制造的微反應器開發(fā)商目前專注于氣體和熱管冷卻設計，這些設計最早可能在 2020 年代中期推出。

超安全核公司（USNC）是一家美國全資控股公司，總部位于西雅圖，是微型反應堆部署領域的全球領導者，也是核電技術的垂直整合商。該公司致力于為全球電力市場帶來安全、具有商業(yè)競爭力、清潔可靠的核能。

USNC 正在加拿大核實驗室與安大略發(fā)電公司和伊利諾伊大學合作展示 MMR 能源系統(tǒng)，并已啟動新項目，以在美國、加拿大和歐洲進一步部署其技術。該公司通過燃料、材料和設計方面的技術創(chuàng)新，堅持嚴格的固有和本質安全原則。

目前，世界上十多個國家正在合作開展第四代核能的全球競賽，這一下一代核能概念被認為對于向電力需求不斷增長的世界提供無碳能源至關重要。

△USNC 的創(chuàng)新型全陶瓷微封裝 (FCM) 燃料通過粘合劑噴射碳化硅基體設計實現(xiàn)，可始終安全地封閉和容納放射性材料。

雖然太陽能和風能等可再生能源持續(xù)增長，但傳統(tǒng)觀點已在能源界扎根，即核能是一種獨立可靠的基本負荷能源，它可以全天候（24/7）持續(xù)運行以滿足最低電力需求，且不會對環(huán)境造成負面影響。在這種環(huán)境下，總部位于西雅圖的 USNC 正在利用新的 3D 打印方法來提供全新的設計，從而在獨特的材料中提供最佳的性能。

USNC 的方法以使用全陶瓷微封裝(FCM) 燃料為中心。為了生產(chǎn)這種燃料，該公司利用Desktop Metal的 X 系列粘合劑噴射 3D 打印機。這些打印機能夠 3D 打印耐熱陶瓷顆粒，并且可以包裹標準類型的核燃料顆粒。

粘合劑噴射的應用是 USNC 燃料制造工藝的重要組成部分，對于該組織的創(chuàng)新至關重要。隨著荷蘭核研究與咨詢集團 (NRG Petten) 目前正在進行 USNC 的 FCM 燃料測試，這種方法正在獲得動力。此外，通過其合資企業(yè) Global FirstPower，USNC 正致力于在 Chalk RiverLaboratories 部署其首個 MMR，該實驗室由加拿大原子能有限公司 (Atomic Energy of Canada Limited) 所有，由加拿大核實驗室 (Canadian Nuclear Laboratories) 管理。目前正在努力從加拿大核安全委員會（CSNC）獲得場地準備許可證。

△USNC 根據(jù) NASA 核推進合同獲得了 500 萬美元，用于開發(fā)和成熟核熱推進 (NTP) 系統(tǒng)，以促進美國的民用科學和地月能力。該合同將使 NTP 從紙質階段轉向硬件階段，證明了 USNC 在先進反應堆設計和制造方面的領先能力。

Ultra Safe Nuclear 以起源于 20 世紀 60 年代的技術為基礎，生產(chǎn)更小尺寸的涂層燃料顆粒，業(yè)內(nèi)稱為 TRISO。TRISO 是一種三結構各向同性顆粒燃料，在第四代核反應堆的發(fā)展中正在復興。這些燃料微球通常放置在軟石墨基質中。然而，這種基質缺乏結構強度，未能有效阻止放射性核素的釋放。

為了解決這個問題，USNC 用一種稱為碳化硅 (SiC) 的耐火陶瓷材料取代了石墨基體。SiC 是一種技術陶瓷材料，以其卓越的環(huán)境穩(wěn)定性而聞名，通常用于航空航天、裝甲、等離子屏蔽和高溫應用。核反應堆內(nèi)部的條件極其惡劣，但碳化硅不會像傳統(tǒng)石墨基體那樣收縮或過度膨脹。它還具有高抗氧化和抗腐蝕能力，使其在核反應堆堆芯的苛刻條件下高度穩(wěn)定。

然而，將 SiC 制造或成型為復雜零件始終面臨著挑戰(zhàn)。多年來，盡管業(yè)界對利用碳化硅很感興趣，但沒有可行或具有成本效益的制造工藝來將高純度、結晶、核級碳化硅轉化為核應用所需的形狀和形式。也就是說，直到3D打印機的出現(xiàn)。

通過采用 3D 打印技術，USNC 可以創(chuàng)建具有復雜幾何形狀的 SiC 燃料形式，作為核燃料顆粒的外殼。碳化硅通常用硅或其他基質滲透以增加其密度，但這在核環(huán)境中是不可行的。為了保持材料的均勻性和同質性，USNC 將粘合劑噴射與化學氣相滲透相結合。該工藝用高純度結晶碳化硅填充多孔 SiC 結構，無需燒結 SiC 材料、施加壓力或引入第二相，即可實現(xiàn)高度復雜的近凈形狀。

除了生產(chǎn)效率之外，USNC 采用粘合劑噴射 3D 打印的制造策略還可以利用 3D 打印提供的設計自由度來優(yōu)化反應器性能。此前，該團隊僅限于使用硬工具大批量生產(chǎn)的單一設計。由于工具的昂貴性和更改的周期長，設計人員的目標是創(chuàng)建通用但高效的設計。然而，憑借使用 3D 打印大量創(chuàng)建獨特設計的能力，USNC 可以增強其提供安全和負責任的核能使命的質量保證。