增材制造正在迈向核能领域，成为二氧化碳减排的潜在解决方案

导读：在过去五年中，增加制造技术的采用率显著增加，已经在能源行业的不同领域找到了应用，包括建立原型和主流生产，从而简化了流程并提高了运营效率。更重要的是，核能领域未来有望从增材制造技术的发展中获益，这其中包括核裂变能源，甚至更高端的核聚变能源。

在核能行业，增材制造在复杂部件和原型的生产中发挥着至关重要的作用。它能够快速制造复杂的设计，减少与传统制造方法相关的交货时间和成本。该技术可以制造具有更高耐用性和精度的专用零件，这对于确保核电站的安全性和可靠性至关重要。此外，3D打印还可用于生产抗辐射材料和工具，用于放射性环境中的维护和维修。

当前裂变反应堆的增材制造

民用核工业是增材制造能源相关应用最热门的领域之一。自从西门子在斯洛文尼亚的克尔什科核电站成功安装 3D 打印部件（用于消防泵的直径 108 毫米的金属叶轮）以来，新的增材制造在核电站的应用一直在开发中。有了适当的材料，包括陶瓷和难熔金属，增材制造可用于不再可用的过时零件，使旧发电厂能够继续运营。同时，新的增材制造材料正在通过粘结剂喷射和挤压技术以及金属粉床烧结技术进行辐射屏蔽的资质认证。

△这张照片显示了原始状态下什么到期的水叶轮、西门子的 3D 打印原型以及在斯洛文尼亚 Krško 核电站安装和运行的 3D 打印替代品。该增材制造项目的代号为“Perun”，以神话中与冶金密切相关的斯拉夫雷电之神命名

使用 3D 打印核反应堆替换件和备件的前沿研究始于 2016 年，当时美国能源部 (DOE) 选择 GE 日立核能 (GEH) 来领导一项价值 200 万美元的增材制造研究项目。该项目是先进核技术投资超过 8000 万美元的一部分。GEH 通过为核电站生产替换零件样品来领导该项目。这些样品在南卡罗来纳州格林维尔的 GEPower 先进制造厂工厂用金属 3D 打印，然后运往爱达荷国家实验室 (INL)。一旦在 INL 的高级测试反应堆中进行辐照，就会对样品进行测试，并与 GEH 对未辐照材料进行的分析进行比较。GEH 使用这些结果来支持燃料、服务和新工厂应用的 3D 打印零件的部署。

△3D 打印燃料组件支架和实验室已在田纳西河谷管理局位于阿拉巴马州雅典的布朗斯费里核电站2 号机组中安装完毕，并处于常规运行状态。

最近的功能部件示例包括 4 个首创的3D 打印燃料组件支架，这些支架于 2021 年在能源部橡树岭国家实验室的制造示范设施中生产。这些设备已在田纳西河谷管理局位于阿拉巴马州雅典市的布朗斯费里核电站 2 号机组中安装完毕，目前处于常规运行状态。

这些组件是与 TVA、Framatome和美国能源部核能资助的转型挑战反应堆 (TCR) 办公室（位于橡树岭国家实验室的一个项目）合作开发的。核反应堆通道紧固件虽然不对称，但其简单的几何形状非常适合增材制造技术的首次应用验证。TCR 计划当前的重点是进一步完善相关技术，包括先进制造、人工智能、集成传感以及用于组件质量认证的数字平台的部署。

现在增材制造业务开始规模化。2022 年，西屋电气公司在 Exelon 拜伦 1 号核电站春季加油停运期间将 3D 打印组件安装到商用核反应堆中。西屋电气公司拥有粉末床熔融金属增材制造以及热丝激光焊接 (HWLW)技术，作为其先进制造产品的一部分。全球有 430 座运行的核反应堆中采用了西屋公司的增材技术。

△西屋电气公司在商用核反应堆中安装了 3D 打印组件。图片：西屋电气公司。

同样在 2022 年，西屋电气在两个北欧沸水反应堆 (BWR) 机组（芬兰的 Olkiluoto 2 号机组和瑞典的 Oskarshamn 3 号机组）中安装了 StrongHold AM 3D 打印核燃料碎片过滤器，以进一步提高工厂的运行可靠性。西屋电气与工厂运营商 Teollisuuden Voima Oyj (TVO) 和 OKG 密切合作，创建了 StrongHold AM 过滤器。StrongHold AM 过滤器完全通过 3D 打印技术制造，并提供增强的捕获功能，以防止碎片进入燃料组件并可能损坏包壳，从而导致意外且昂贵的停机。

研发工作也在持续进行，以确定 3D 打印在核工业中的更多应用。其中一项由能源部核能办公室支持的项目是前面提到的转型挑战堆（TCR）示范项目。作为部署 3D 打印核反应堆的一部分，该计划将创建一个数字平台，帮助将技术移交给工业界，以快速采用增材制造核能技术。通过 TCR 计划，橡树岭国家实验室正在寻求解决一个令人不安的趋势：尽管核电站提供了美国近20% 的电力，但根据目前的许可证到期日期，超过一半的美国反应堆将在 20 年内退役。

△StrongHold AM 为核电站创建了首个 3D 打印燃料碎片过滤器，由西屋电气安装。

类似的情况也发生在法国，截至2022年8月中旬，法国56座核反应堆中有一半以上处于离线状态。造成这种情况的原因是安全注射系统中与安全相关的损坏以及计划的停机。2021年发现不锈钢安全系统管道出现严重应力腐蚀开裂，需要停产检查和维修。所有这些零件都需要更换，增材制造必须发挥作用，特别是在原始模具不再可用的情况下。

考虑到这一点，法国核能服务和零部件供应商法马通在瑞典 Vattenfall 运营的 Forsmark 核电站完成了首个 3D 打印不锈钢燃料组件的安装。与 KSB SE & Co. KgaA 合作，设计、制造了 ATRIUM 11 上连接板网格，并将其安装在 Forsmark 3 号机组中，用于多年辐照计划。

栅位于 ATRIUM 11 燃料组件的顶部的联接板格是一个非结构性承重组件，可固定燃料棒并阻止较大的碎片从顶部进入燃料组件。上部连接板网格易于检查，并且可根据需要获取样品来验证这种新制造工艺是否适合在反应器内使用。在传统的制造过程中，上垫板网格是使用冲压的梳状板材进行激光焊接的，这需要额外的制造步骤和操作员的监督。增材制造简化了制造流程并增加了设计选项，以增强功能和提高性能。

△Framatome 的 3D 打印ATRIUM 11 顶部的连接板网格

法拉美通(Framatome)于2015 年开始将增材制造引入核燃料，重点关注不锈钢和镍基合金燃料组件。2021年，Framatome与橡树岭国家实验室（ORNL）合作制造的第一个3D打印不锈钢燃料组件通道紧固件装载在美国商业沸水堆核电站中。法国、德国和美国的法马通燃料专家与全球客户密切合作开发了这项技术。

用于下一代核裂变的增材制造

目前，核能行业的发展速度正在加快，这与过去形成了明显的变化，特别是在小型模块反应堆（SMR）方面。SMR是核反应堆的缩小版本，包括目前和第四代（快中子）技术。

美国正在开发一些微反应器设计，它们可能会在十年内准备好推出。这些紧凑型反应堆足够小，可以通过卡车运输，可以帮助解决从偏远商业或住宅地点到军事基地等多个领域的能源挑战。

微反应器并不由其燃料形式或冷却剂来定义。相反，它们具有三个主要特征。首先，也是增材制造能够发挥重要作用的原因是它们是工厂制造的：微反应器的所有组件都将在工厂完全组装并运送到现场。这消除了与大规模建设相关的困难，降低了资本成本，并有助于反应堆快速启动和运行。

另一个特点是它们可以运输。这将使供应商可以轻松地通过卡车、船舶、飞机或火车运输整个反应堆。它们也是自我调节的，这意味着简单且响应式的设计概念将允许微反应器进行自我调节。它们不需要大量的专业操作员，并且将利用被动安全系统来防止任何过热或反应堆熔毁的可能性。

△微反应器甚至可以轻松运输到偏远地区。

微反应器的设计各不相同，SMR 被定义为产生高达 300 兆瓦 (MW) 的电力，而超小型模块化反应堆 (vSMR) 或微反应器每个模块产生高达 20 MW 的电力。它们可用于产生清洁可靠的电力，用于商业用途或非电力应用，例如区域供暖、海水淡化和氢燃料生产。

除了与微电网内的可再生能源无缝集成外，微反应器还可以用于紧急响应，帮助恢复遭受自然灾害的地区的电力。它们的核心寿命也更长，无需加油即可运行长达 10 年。大多数设计都需要铀 235 浓度较高的燃料，而当今的反应堆目前尚未使用这种燃料。然而，一些系统可能会受益于高温减速材料的使用，这将降低燃料浓缩要求，同时保持较小的系统尺寸。

美国能源部支持各种先进的反应堆设计，包括气体、液态金属、熔盐和热管冷却概念。美国制造的微反应器开发商目前专注于气体和热管冷却设计，这些设计最早可能在 2020 年代中期推出。

超安全核公司（USNC）是一家美国全资控股公司，总部位于西雅图，是微型反应堆部署领域的全球领导者，也是核电技术的垂直整合商。该公司致力于为全球电力市场带来安全、具有商业竞争力、清洁可靠的核能。

USNC 正在加拿大核实验室与安大略发电公司和伊利诺伊大学合作展示 MMR 能源系统，并已启动新项目，以在美国、加拿大和欧洲进一步部署其技术。该公司通过燃料、材料和设计方面的技术创新，坚持严格的固有和本质安全原则。

目前，世界上十多个国家正在合作开展第四代核能的全球竞赛，这一下一代核能概念被认为对于向电力需求不断增长的世界提供无碳能源至关重要。

△USNC 的创新型全陶瓷微封装 (FCM) 燃料通过粘合剂喷射碳化硅基体设计实现，可始终安全地封闭和容纳放射性材料。

虽然太阳能和风能等可再生能源持续增长，但传统观点已在能源界扎根，即核能是一种独立可靠的基本负荷能源，它可以全天候（24/7）持续运行以满足最低电力需求，且不会对环境造成负面影响。在这种环境下，总部位于西雅图的 USNC 正在利用新的 3D 打印方法来提供全新的设计，从而在独特的材料中提供最佳的性能。

USNC 的方法以使用全陶瓷微封装(FCM) 燃料为中心。为了生产这种燃料，该公司利用Desktop Metal的 X 系列粘合剂喷射 3D 打印机。这些打印机能够 3D 打印耐热陶瓷颗粒，并且可以包裹标准类型的核燃料颗粒。

粘合剂喷射的应用是 USNC 燃料制造工艺的重要组成部分，对于该组织的创新至关重要。随着荷兰核研究与咨询集团 (NRG Petten) 目前正在进行 USNC 的 FCM 燃料测试，这种方法正在获得动力。此外，通过其合资企业 Global FirstPower，USNC 正致力于在 Chalk RiverLaboratories 部署其首个 MMR，该实验室由加拿大原子能有限公司 (Atomic Energy of Canada Limited) 所有，由加拿大核实验室 (Canadian Nuclear Laboratories) 管理。目前正在努力从加拿大核安全委员会（CSNC）获得场地准备许可证。

△USNC 根据 NASA 核推进合同获得了 500 万美元，用于开发和成熟核热推进 (NTP) 系统，以促进美国的民用科学和地月能力。该合同将使 NTP 从纸质阶段转向硬件阶段，证明了 USNC 在先进反应堆设计和制造方面的领先能力。

Ultra Safe Nuclear 以起源于 20 世纪 60 年代的技术为基础，生产更小尺寸的涂层燃料颗粒，业内称为 TRISO。TRISO 是一种三结构各向同性颗粒燃料，在第四代核反应堆的发展中正在复兴。这些燃料微球通常放置在软石墨基质中。然而，这种基质缺乏结构强度，未能有效阻止放射性核素的释放。

为了解决这个问题，USNC 用一种称为碳化硅 (SiC) 的耐火陶瓷材料取代了石墨基体。SiC 是一种技术陶瓷材料，以其卓越的环境稳定性而闻名，通常用于航空航天、装甲、等离子屏蔽和高温应用。核反应堆内部的条件极其恶劣，但碳化硅不会像传统石墨基体那样收缩或过度膨胀。它还具有高抗氧化和抗腐蚀能力，使其在核反应堆堆芯的苛刻条件下高度稳定。

然而，将 SiC 制造或成型为复杂零件始终面临着挑战。多年来，尽管业界对利用碳化硅很感兴趣，但没有可行或具有成本效益的制造工艺来将高纯度、结晶、核级碳化硅转化为核应用所需的形状和形式。也就是说，直到3D打印机的出现。

通过采用 3D 打印技术，USNC 可以创建具有复杂几何形状的 SiC 燃料形式，作为核燃料颗粒的外壳。碳化硅通常用硅或其他基质渗透以增加其密度，但这在核环境中是不可行的。为了保持材料的均匀性和同质性，USNC 将粘合剂喷射与化学气相渗透相结合。该工艺用高纯度结晶碳化硅填充多孔 SiC 结构，无需烧结 SiC 材料、施加压力或引入第二相，即可实现高度复杂的近净形状。

除了生产效率之外，USNC 采用粘合剂喷射 3D 打印的制造策略还可以利用 3D 打印提供的设计自由度来优化反应器性能。此前，该团队仅限于使用硬工具大批量生产的单一设计。由于工具的昂贵性和更改的周期长，设计人员的目标是创建通用但高效的设计。然而，凭借使用 3D 打印大量创建独特设计的能力，USNC 可以增强其提供安全和负责任的核能使命的质量保证。