3D打印在核電行業(yè)的發(fā)展情況

3D打印在核電行業(yè)的發(fā)展情況

人們討論核電的時(shí)候，首先會(huì)想到的是這是一種拜托氣候變化困境的能源解決方案，或是在擔(dān)心核電行業(yè)潛在的危險(xiǎn)性。福島和切爾諾貝利等核事故的發(fā)生，讓人們意識(shí)到，核電總是與風(fēng)險(xiǎn)共存。因此核電建設(shè)項(xiàng)目也是人類史上技術(shù)最先進(jìn)，最復(fù)雜，最昂貴，最受重視的建筑項(xiàng)目之一。目前有53座核電站正在建設(shè)中。每個(gè)成本約為50億至90億美元。由于核電站建造的難度和過(guò)程中的不確定性，實(shí)際的制造成本可能會(huì)比預(yù)算翻一番。然而，核能總體上是一種非常有效的發(fā)電技術(shù)，它使各國(guó)的能源獨(dú)立性不依賴于天氣。目前有大約440個(gè)正在運(yùn)行的核反應(yīng)堆，對(duì)它們的維護(hù)也是一項(xiàng)實(shí)質(zhì)性的業(yè)務(wù)。核電行業(yè)的運(yùn)營(yíng)存在不確定性，TerraPower等公司通過(guò)提供新型的核技術(shù)獲得了很大的市場(chǎng)份額。但與此同時(shí)，行業(yè)巨頭東芝卻由于收購(gòu)了Westinghouse的核業(yè)務(wù)，財(cái)務(wù)一直處于混亂的狀態(tài)之中。

核能的未來(lái)遠(yuǎn)未得到保證。但是，它仍然將是一種經(jīng)過(guò)深思熟慮的技術(shù)，如果它可以安全，將解決我們所有的能源問(wèn)題。我們已經(jīng)看到3D打印核工業(yè)中做了很多的嘗試。

匹茲堡大學(xué)致力于提高增材制造的效率，專門(mén)針對(duì)核能行業(yè)。GE和日立在一個(gè)類似的項(xiàng)目上進(jìn)行了合作，以降低AM的成本。在普渡大學(xué)，研究人員正試圖3D打印微反應(yīng)器。此外，Desktop Metal的打印機(jī)正被用于為超安全核公司（USNC）打印碳化硅零件。

從左到右，傳統(tǒng)現(xiàn)已淘汰的葉輪；3D打印原型；以及由此產(chǎn)生的3D打印替換部件

（圖片來(lái)源：西門(mén)子）

西門(mén)子已經(jīng)在一座正在運(yùn)行的核電站上安裝了至少一個(gè)3D打印部件。這些部件于2017年首次宣布用于斯洛文尼亞的克爾什科核電站（NEK），有助于降低維護(hù)成本。西門(mén)子的第一個(gè)部件是用于消防泵的直徑為108 mm的金屬葉輪。葉輪的制造商現(xiàn)在已經(jīng)倒閉，這使得這成為3D打印零件替代傳統(tǒng)加工零件的絕佳案例。

另一方面，Westinghouse還為反應(yīng)堆提供了3D打印組件。該公司展示了零件集成和整合，我們知道，當(dāng)質(zhì)量昂貴且至關(guān)重要時(shí)，通過(guò)3D打印減少裝配步驟可以顯著降低成本。

愛(ài)達(dá)荷州國(guó)家實(shí)驗(yàn)室還研究了3D打印安全測(cè)試和認(rèn)證設(shè)備，以使其更快，更便宜地為核工業(yè)創(chuàng)建新零件。

32783D，CFCT化學(xué)家組：Andrew Breshears，Peter Kozak，Alex Brown

阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家使用3D打印來(lái)提高核燃料回收效率。科學(xué)家們認(rèn)為，他們可以通過(guò)連續(xù)的ALSEP工藝回收核反應(yīng)堆產(chǎn)生的97%的乏燃料。他們?cè)谠O(shè)計(jì)中使用了許多3D打印部件，其中一些甚至在Formlabs桌面3D打印機(jī)上制造。3D打印可以提高流體運(yùn)動(dòng)的效率，并且還可以集成更多組件。

在另一個(gè)項(xiàng)目中，阿貢的研究人員也希望更有效地回收鉬。

這些燃料組件支架由ORNL與Framatome和田納西河流域管理局合作制造，是第一個(gè)插入核電站的3D打印安全相關(guān)組件。圖片由美國(guó)能源部Fred List/ORNL提供

ORNL制造的零件已經(jīng)用于TVA核反應(yīng)堆。這些部件是與Framatome合作制造的，是關(guān)鍵的安全組件?！敖M件將燃料通道固定在沸水反應(yīng)堆燃料組件上，燃料通道纏繞在組件周圍，并通過(guò)燃料棒引導(dǎo)冷卻劑。記錄每個(gè)打印層以確保質(zhì)量。

ORNL還授權(quán)了一種難熔金屬Electron Bean Melting技術(shù)，以及一種具有化學(xué)蒸汽滲透3D打印方法的粘合劑射流，用于反應(yīng)器組件的3D打印。此外，ORNL還使用DED來(lái)制造核反應(yīng)堆堆芯。

用于核聚變?cè)囼?yàn)堆的3D打印部件。[圖片來(lái)源：伯明翰大學(xué)劉磊鋒博士]

在中國(guó)，研究人員正在3D打印鋼制聚變反應(yīng)堆包層組件，使用粉末床熔融。

另一家中國(guó)集團(tuán)正在尋求優(yōu)化核聚變反應(yīng)堆的核心氚生產(chǎn)裝置，包括陶瓷漿料部件，例如可以用Admatec或Lithoz制造的部件。

在新一代聚變反應(yīng)堆的開(kāi)發(fā)中，以及在全球范圍內(nèi)正在進(jìn)行的托卡馬克項(xiàng)目中，3D打印也可以發(fā)揮越來(lái)越大的作用。在安全關(guān)鍵部件中，我們知道零件整合為我們提供了很多優(yōu)勢(shì)。組裝成本較低。此外，更少的裝配工序意味著風(fēng)險(xiǎn)更低。如果我們減少了一些工序，同樣也是在消除人為錯(cuò)誤，即緊固件，焊接，釬焊和膠水等東西發(fā)生不良反應(yīng)的情況也會(huì)跟著減少。從本質(zhì)上講，我們將制造風(fēng)險(xiǎn)集中在3D打印步驟上。我們與零件的人際互動(dòng)減少了，存儲(chǔ)和攜帶的零件也減少了。

我們可以通過(guò)使內(nèi)部通道更加優(yōu)化來(lái)優(yōu)化流體輸送。我們可以更好地引導(dǎo)流體，但也可以減慢它的速度，加速它或更有效地加熱和冷卻它，也可以通過(guò)3D打印來(lái)減少質(zhì)量。這一點(diǎn)尤其重要，因?yàn)槲覀冊(cè)诤朔磻?yīng)堆中節(jié)省的每一立方厘米空間都意味著我們必須使用更少的鋼和混凝土來(lái)包裹它。因此，小額節(jié)省可能對(duì)建筑項(xiàng)目產(chǎn)生巨大影響。在開(kāi)發(fā)新零件和制造新零件時(shí)，我們也有可能節(jié)省資金。稍微更理想的表面紋理或零件特性也可能在植物的使用壽命及其效率期間產(chǎn)生顯著影響。在目前存在的所有440家工廠中，過(guò)時(shí)的零件數(shù)量也很大。核能和其他發(fā)電廠中也有很多葉輪和渦輪機(jī)，我們特別擅長(zhǎng)制造這些部件。核能還使用了很多很難用固化工藝制造的硬質(zhì)材料，以及大量一般難以制造的奇異材料。鑒于核工業(yè)中各部件的覆蓋范圍和重要性，這是目前被忽視的一個(gè)領(lǐng)域，應(yīng)該值得你們給予更多的關(guān)注。