美国能源部向爱荷华州拨款100万美元，研究3D打印核反应堆钨部件

2024年10月7日，南极熊获悉，美国能源部 (DOE)向爱荷华州立大学拨款 100 万美元，项目为期四年，用于研发使用定向能量沉积 (DED) 增材制造 (AM) 技术制造可用于核反应堆的钨基防护罩和部件的可能性。该资金来自刺激竞争性研究的既定计划 (EPSCoR)计划，这是一项横跨五个不同美国联邦机构的研发工作。

爱荷华州立大学机械工程系助理教授索加塔·罗伊（Sougata Roy）博士是该项目的首席研究员，北达科他大学机械工程系助理教授 Yachao Wang 博士以及来自三个能源部实验室的研究人员也参与了该项目。这项资助将使罗伊作为首席研究员组建所谓的“梦之队”项目：“为极端应用和管理的钨增材制造开发强大的生态系统”。

罗伊说：“这个项目让我兴奋的一大原因是它利用了核能。核能是美国最大的清洁能源（美国能源信息署报告称，美国大约 19% 的电力来自核能，大约 10% 来自风力发电），这种零排放电力对未来至关重要。”

与其他难熔金属一样，钨由于其高熔点和抗腐蚀性而在核能方面显示出巨大的潜力。钨是聚变反应堆内壁的最佳候选材料，因为它在高温下能保持强度，熔化温度高，在高能中子辐照下能抵抗侵蚀，并且放射性氚的含量低。

然而，使用传统制造方法加工钨也相当困难。但罗伊表示，对于传统制造商来说，使用钨的成本很高，因为它又硬又脆。这促使相关学术界将增材制造视为加工该材料的潜在候选者。他们将尝试使用定向能量沉积（DED）技术来 3D 打印钨基合金。该技术涉及在氧气控制条件下使用激光处理钨粉，然后逐层打印金属。

罗伊具有为核能应用进行其他钢基合金 3D 打印的经验，他表示该项目将使他能够购买一台新仪器来表征打印样品的机械性能（包括仪器压痕特性和断裂韧性）。罗伊还表示该项目最独特的部分不是实际的打印，而是基于物理的建模和打印过程的计算模拟，这将补充实验工作。

建模和模拟将使用机器学习和人工智能工具，帮助研究人员建立实验结果背后的理论。模拟还将帮助他们开发出能够承受核反应堆内极端条件的钨合金配方。罗伊说：“我们将从纯钨开始，最终我们将开发新的合金来解决这一开裂难题。”

△ORNL 研究人员利用基于电子束的粉末床熔合 (EB-PBF) 技术 3D 打印出首批具有复杂几何形状的无缺陷钨部件。图片来源：Michaela Bluedorn/ORNL，美国能源部。

与此同时，这一轨迹与新核能技术研发的资金机会不断增加相交叉。Sougata Roy 博士在一份新闻稿中表示：“这项先进制造工作，尤其是使用增材制造的工作，是为了有所作为。这个项目让我兴奋的一大原因是与核能的合作。它是美国最大的清洁能源。这种无排放电力对未来很重要。我们将从纯钨开始。最终我们将开发新的合金来解决这个开裂难题。”

人们对核能的兴趣再度高涨，不仅是因为需要减少碳排放。同样，为人工智能数据中心建设新发电能力的紧迫性也促使科技公司争相锁定最便宜的可用电力来源。例如，微软最近与 Constellation Energy达成协议，将在 2028 年前将自 2019 年以来一直处于停用状态的三哩岛核电站重新投入使用。

与宾夕法尼亚州立大学最近由国防部资助的3D 打印陶瓷项目类似，ISU 项目将涉及将机器学习和模拟与现实世界的实验相结合。事实上，罗伊博士告诉 ISU，他认为机器学习方面是计划研发中“最独特的部分”。

正因如此，当 AI 热潮的观察者开始质疑投资回报从何而来时，值得注意的是，为增材制造开发新材料是 AI 用例日益增长的来源。虽然 AI 通常被视为增材制造的潜在赋能技术，但很明显，展望未来，牢记相反的可能性可能同样重要。