应用聚焦：3D 打印如何支持核电行业的创新

3D 打印是一项激动人心的技术，可为当前运营和未来的核电站带来重大创新。

虽然核工业以极其保守而著称，但它正在逐渐采用 3D 打印来探索其备件和先进核电站部件的机会。

本文深入探讨了核工业采用 3D 打印背后的驱动因素，并探讨了该领域正在发生的最激动人心的发展。

看看本系列中涵盖的其他应用程序：

热交换器的 3D 打印

轴承3D打印

用于自行车制造的 3D 打印

用于数字牙科和透明矫正器制造的 3D 打印

用于医疗植入物的 3D 打印

3D 打印火箭和航天器制造的未来

用于鞋类制造的 3D 打印

电子元件的 3D 打印

铁路行业的 3D 打印

3D 打印眼镜

用于终端零件生产的 3D 打印

支架的 3D 打印

涡轮机零件的 3D 打印

3D 打印如何实现性能更好的液压元件

核电站部件为什么要采用3D打印？

核工业正在经历充满挑战的时期。由于与这些投资相关的成本持续上升，而其他能源的成本下降，新建大型反应堆的市场即将停滞。

此外，大型反应堆还存在一些相关问题其复杂的施工安装、安全法规、维修等高成本风险。

与此同时，核退役潮激增。大量核设施已停止运行，预计未来几年这一数字将大幅增加。

核电的一个前进方向可能在于小型核反应堆，它克服了传统大型反应堆的许多缺点。这些系统被称为小型模块化反应堆 (SMR)，预计将大大缩短建造时间，并使核能的建造和运行成本更低。

SMR 的生产需要采用新方法来设计和生产反应堆部件，例如增强的零件性能、更紧凑的尺寸、更好的热管理和更短的交货时间。

这就是3D打印进入画面的地方。

3D 打印或增材制造 (AM) 以其设计灵活性而闻名，这为核部件制造商提供了许多可能性。

设计灵活性和对工具的消除需要允许零件整合，这是一个可以将多个组件设计和打印为一个的过程。

此外，更复杂的几何形状成为可能借助 3D 打印，可实现更紧凑尺寸的零件及其随后的性能提升。

一个例子是 3D 打印的热交换器，它可以设计成薄至 200 微米的壁和组件内部的小而复杂的流动通道，从而在内部产生更大的传热表面。表面积越大，可以去除的热量越多，从而提高热交换器的性能。

核电行业的 3D 打印技术

有多种增材制造技术适用于核电行业，包括粉末床聚变 (PBF)、金属和砂粘合剂喷射以及直接能量沉积 (DED)。

通过粉末床融合（一种涉及使用强大激光熔化材料的过程），制造商可以制造出性能更高的更复杂的组件。

使用粘合剂喷射，尤其是砂子喷射，可以通过 3D 打印砂模帮助节省成本和时间，因此无需手动创建这些模具。

DED 技术——通过用激光或电子束熔化金属材料，当金属材料通过喷嘴沉积到构建平台上时——可用作大型铸件和锻件的替代品，或作为他们的补充。这个过程可以减少交货时间、加工和材料浪费。

与传统方法相比，某些 DED 工艺还提供了改进的材料特性。例如，它们可用于材料的本地化定制，例如用于耐腐蚀和耐磨的表面硬化。

该技术还适用于高价值部件、工具和轴承表面的修复。

核电行业的关键 3D 打印应用

更换零件

随着核电站的老化，找到替换零件变得越来越困难，尤其是因为它们的设计几乎不可能获得。例如，在美国，许多核电站已有 40 多年的历史，许多制造原始零件的公司已不复存在。

3D 打印可以使用逆向工程生产一些缺失的备件，因此无需从头开始创建模具。

例如，泵工程和服务公司 Hydro Inc. 使用逆向工程为核设施中使用的叶轮设计和 3D 打印砂模。然后将模具送到铸造厂，在那里浇注金属以制造组件。

在另一个例子中，Hydro 使用这种组合来修理核电站的安全相关泵。由于传统的铸造工艺可能需要九个月到一年的时间，因此无法在客户要求的时间范围内从 OEM 采购零件。通过使用 3D 打印和逆向工程，该公司在 12 周内提供了泵。

除了3D打印模具，该技术还可以直接用于生产备件。

2017 年，西门子为斯洛文尼亚的 Krško 核电站成功安装了首个 3D 打印备件，取得了一个重要的里程碑。更换部件是一个直径 108 毫米的金属叶轮，用于持续运行的消防泵，满足核行业严格的安全性和可靠性要求。

在核电设施中使用 3D 打印替换部件可以使成熟的运行工厂继续运行并实现其完整的预期寿命。

高级组件

人们也越来越关注使用 3D 打印为核电系统开发先进组件。

例如，NovaTech 是一家为核工业提供制造和工程服务的公司，它正在使用 3D 打印来开发和生产构成核反应堆堆芯基本元件的核燃料组件的部件。

燃料组件的一些部件，可能通过 3D 打印，包括底部喷嘴、压紧弹簧、顶部喷嘴、沸水反应堆 (BWR) 下连接板。

NovaTech 的研究表明，例如使用 Inconel-718 3D 打印 BWR 燃料组件的下垫板，固定燃料棒底端的位置，可以增强碎片过滤性能。

性能提升得益于设计了只能用3D打印制造的曲折流道。

使用该技术，还可以在下垫板设计中添加通道密封件，从而减少零件数量。

最大限度地减少组件中的组件数量组装特别有益，因为它降低了制造成本并简化了组装过程。

3D 打印的核反应堆堆芯

在另一个例子中，橡树岭国家实验室 (ORNL) 正在使用 3D 打印来开发核反应堆堆芯，作为其转型挑战反应堆 (TCR) 计划的一部分。

ORNL 的目标是到 2023 年建造核反应堆堆芯，并在反应堆设计、制造、许可和运行方面建立新方法，而 3D 打印在实现这一目标方面发挥着关键作用。

尽管反应堆的大部分将由传统部件制成，但负责容纳铀燃料和控制裂变反应的部件的堆芯将完全由碳化硅 3D 打印而成，这是一种耐高温材料。

“通过使用 3D 打印，我们可以使用核社区在过去几十年中无法利用的技术和材料”，TCR 技术总监 Kurt Terrani 说。 “这包括用于近乎自主控制的传感器和数据库以及一种新的加速认证方法，这将使整个核社区受益。”

一种 3D 打印的堵漏装置

虽然 3D 打印的反应堆堆芯仍处于开发阶段，但西屋电气已于上个月成功安装了用于实际发电的 3D 打印部件。安装的部分是一个“套管堵塞装置”，用于将燃料组件降低到反应堆堆芯中。

该部分是核技术供应商西屋电气与美国领先的核能供应商 Exelon Generation 三年合作的结果。

堵漏装置对于核电生产来说是必不可少的，但它被认为是一个低风险的部件，因为如果部件坏了，后果会很小。

用于核废料管理的 3D 打印部件

最终，每一次核对话都转向放射性废物和安全。

寻找长期管理放射性废物的有效解决方案是核电行业的另一项挑战。

3D 打印使工程师能够开发废物回收系统的新设计，从而帮助应对这一挑战。

在美国，美国能源部阿贡国家实验室的科学家拥有 3D 打印部件，这将促进乏核燃料的回收。

3D 打印的使用方式在这个过程中包括创建一组 1.25 厘米的离心接触器——具有内部通道的复杂流体装置。一旦连接，接触器就可以形成一个连续的后处理回路。

目前，核工程师可以从核反应堆中回收 95% 的乏燃料，剩下的 5% 必须作为“长期”储存起来。术语'浪费。上述 3D 打印设备可用于分类和回收部分后者，这意味着可以回收额外 2% 的核废料。

虽然 2% 听起来可能并不特别令人印象深刻进步，它可以显着减少需要储存的用过的燃料量和危险的时间长度。

嵌入式传感器的 3D 打印

核反应堆配备了高度仪器来监测温度和压力等变量。然而，当暴露于极端温度和辐射时，在运行期间监测反应堆组件的结构健康具有挑战性。

一个障碍在于难以将传感器嵌入耐热和耐辐射材料中。但 3D 打印可以提供解决方案。

通过 3D 打印实现的新设计将允许嵌入式传感器直接从核心提供数据。

ORNL，对于例如，正在使用超声波 AM 在结构和组件中嵌入高精度、抗辐射的传感器。

此外，美国能源部 (DoE) 已资助匹兹堡大学斯旺森工程学院开发 AM 技术，以制造用于核芯的电传感器。

该项目于2017年启动，在光纤传感器网络的开发方面已经取得了一定的成功。该团队最近庆祝了在麻省理工学院的一个反应堆内首次成功测试芯内光纤传感器。

核应用新材料

下一代核电站将需要材料创新，以满足其恶劣环境的需求，包括高温腐蚀挑战和高辐射剂量。

AM 可以支持更快的材料创新。例如，它可以使新合金具有使用传统方法无法生产的特性。该工艺还可以使用传统金属弯曲方法无法加工的材料，例如硅。

这方面的一个例子是瑞典 3D 打印材料开发商 Additive Composite Uppsala 和 Add North 3D 之间最近合作开发用于辐射屏蔽应用的聚合物复合材料。

这种名为 Addbor N25 的材料结合了碳化硼和尼龙，以细丝的形式针对 3D 打印进行了优化。碳化硼元素可有效吸收中子，从而实现辐射屏蔽能力。

用 3D 打印改造核工业

虽然我们只是触及了核工业 3D 打印可能性的皮毛，但最近的发展表明该技术必须提供巨大的潜力。

随着制造商接受 3D 打印提供的自由，他们可以提供改进的组件设计、探索新材料并经济高效地生产不再可用的备件。

在未来几年，我们肯定会看到更多令人兴奋的 3D 打印创新，帮助核技术克服当前的挑战并进一步提高其安全性和可持续性。