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國外核工業領域3D打印技術應用
[ 發布時間:2021-04-08 ]   [ 信息來源: 中國核網 ]  [ 字號: ]

  導讀3D打印又稱增材制造(Additive Manufacturing,AM),是一種以數字模型文件為基礎,運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料,通過逐層打印的方式來構造物體的技術,適合復雜構件的生產,在核能領域有著廣泛的應用。國外的橡樹嶺實驗室、西屋電氣公司、法馬通公司等核電巨頭都在積極研發3D打印技術。

  1.美國橡樹嶺國家實驗室

  美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)正在牽頭實施“轉型挑戰反應堆”(The Transformational Challenge Reactor Demonstration Program,TCR)建設計劃。TCR計劃于2019年啟動,目標是集成3D打印等先進制造技術、新材料、計算科學等領域的最新研發成果,將于2023年建成一座微型反應堆。該計劃將充分利用橡樹嶺在設備制造、材料、核科學、核工程、數據分析及相關領域的創新能力。

  

  TCR的3D打印

  橡樹嶺表示,TCR將使用新型先進材料,并采用一體化的傳感器和控制部件,建設一座先進反應堆,目標是依靠科技進步降低反應堆造價,并為反應堆的設計、制造、取證和運行開辟一條新的道路。TCR計劃已完成多項基礎實驗,包括堆芯設計的選擇以及為期三個月的“沖刺”。后者的主要目的是證明將3D打印技術用于快速制造原型堆芯的敏捷性。研究人員未來將進一步優化已選定的設計和流程。

  

  TCR打印的模型

  TCR堆芯位于使用傳統技術制造的不銹鋼壓力容器中。堆芯由氮化鈾三元結構各向同性(TRISO)燃料和堆芯結構件組成。堆芯結構件使用3D打印技術制造,材料為碳化硅。燃料塊布置在不銹鋼結構中,并與氫化釔慢化劑混合在一起。氫化釔慢化劑能夠最大限度地減少實現臨界所需的高豐度低濃鈾數量。TCR將成為橡樹嶺建設的第14座核反應堆。

  

  TCR團隊對堆芯進行神經網絡分析

  2020年5月11日,美國能源部橡樹嶺國家實驗室(ORNL)宣布:核電反應堆核心3D打印技術取得了階段性突破。據介紹:TCR六邊形反應堆組件的3D打印花費了將近40個小時,在3D模型周圍的溫度達到1400℃以上,激光加熱和熔化模型的同時也為其增加了新的疊層。目前實驗室的研究人員正在改進他們的設計,優化3D制造工藝,并論證打印部件的一致性和可靠性。

  ORNL實驗室主任托馬斯·扎卡里亞(Thomas Zacharia)表示:挑戰3D打印反應堆組件是以前從未有過的方式,是制造學、材料學、核科學、核工程、高性能計算、數據分析與其他相關領域共同合作的成果。

  

  這張照片顯示了具有雙壁包層和冷卻通道的燃料元件,其中包含高表面積和螺旋形導向裝置

  TCR技術總監庫爾特·特拉尼(Kurt Terrani)表示:在過去的幾個月里,我們一直在積極開發這個項目,我們的努力已經證明,這項技術已經準備好演示3D打印核反應堆核心。目前的核形勢非常嚴峻,此類3D打印技術可以為核領域的快速創新提供幫助。3D打印核反應堆作為TCR部署計劃的一部分,將為先進核能系統的加速部署提供一個新的模式。除此之外我們還將創建一個數字平臺,幫助將技術移交給其他工業,方便用此類技術快速制造零件。

  BWXT核運營集團有限公司已獲得美國能源部橡樹嶺國家實驗室的合同,生產TRISO核燃料,以支持“轉化挑戰反應堆”(TCR)的持續開發。

  

  TCR增材制造的槽形通道緊固件

  2020年12月,TCR項目制造的3D打印槽形通道緊固件首次裝入位于華盛頓州Richland的法馬通核燃料制造工廠的Atrium 10XM沸水反應堆上,用于將燃料通道固定到組件格柵。它們使用3D打印技術,在ORNL進行印刷。

  2.西屋電氣公司

  除了橡樹嶺國家實驗室外,美國西屋電氣公司(Westing house)2020年5月4日宣布,在2020年春季停堆換料期間,拜倫1號機組已成功安裝使用3D打印技術制造的頂針堵漏裝置。這是全球首次在反應堆堆芯安裝3D打印構件。

  

  

  拜倫1號機組中的頂針堵漏裝置

  此外,市場上已經出現了用于燃料棒的SiC覆層,它可以承受比鋯高得多的溫度。由于SiC燃料棒通常具有非常粗糙的表面,對于水平凹坑設計,尤其是在大多數壓水反應堆網格中通常使用的水平凹坑設計,存在潛在的損壞隱患。西屋電氣設計了一種新的燃料組件隔離柵設計,并通過3D打印一次性將結構作為一體化組件制造出來。

  西屋電氣設計的間格柵具有沿著細長燃料組件的豎直軸線的軸向尺寸,核燃料組件格柵包括多個管狀燃料棒支撐單元,具有四個橫截面通常為正方形的壁。在相鄰的燃料棒支撐室或控制棒支撐室中,每個壁有內部支撐垂直彈簧。西屋電氣還考慮了一種混合葉片,該混合葉片在燃料桿支撐單元之間的區域中,連接至燃料桿支撐單元的外部。

  

  西屋公司3D打印制造的燃料格柵

  通過引入3D打印技術,可以在不進行進一步組裝或焊接過程的情況下打印西屋電氣開發的格柵。與現有的格柵設計相比,新的設計允許SiC型燃料棒的平滑插入,同時還帶來低壓降。增材制造技術使得格柵設計允許:

  1)實施高度精細但完全集成的混合功能,從而增強熱和水力性能;

  2)最小化總壓降;

  3)提高整體網格強度以應對震動。

  GE還利用SLM 3D打印技術進行原型設計,設計了GNF2核燃料組件,如下圖所示,該組件改進了雜物濾網,顯著降低碎片接觸燃料棒的概率,提高了可靠性,并降低運營成本。

  

    GNF2核燃料組件及其雜物過濾網

  3.法國法馬通公司

  2015年,法馬通公司(Framatome)在德國埃爾蘭根實驗室啟動增材制造項目,項目重點在于使用增材制造技術制造不銹鋼和鎳基合金燃料組件。來自法國、德國和美國的燃料專家參與了該項目,歐盟及美國能源部也對該項目予以支持。

  法馬通計劃使用增材制造技術為壓水堆、沸水堆和VVER機組生產燃料組件。法馬通強調,該技術還可用于其他核燃料方面的應用,包括快速成型、試驗組件和燃料生產線工具制造、堆內燃料檢查和服務工具修復等。

  2020年11月,法國法馬通公司表示其通過3D打印技術生產的燃料組件已在瑞士戈斯根(Gösgen)核電廠(1010MWe,PWR)完成首個輻照檢測周期。

  

  瑞士戈斯根(Gösgen)核電廠

  據了解,這批實驗性不銹鋼和鎳基合金部件于2019年載入戈斯根核電廠反應堆,為了檢驗其是否合格,共需完成5個輻照檢測周期。后續將對輻照后的燃料組件實施進一步檢查,從而確認其在實際運行工況下的性能。

  4.俄羅斯原子能公司

  俄羅斯國家原子能公司(Rosatom)計劃將先進3D打印技術作為其非核心業務戰略的一部分,根據該公司的計劃,其最新的3D打印業務將首先用于其核電領域,然后再延伸到其它業務部門,而且這一3D打印業務將使用由其自行開發的創新金屬粉末材料和工業級3D打印機,該公司的很多部門都提出了在本部門中可以使用3D打印技術制造的零部件種類。

  截止2020年,3D打印技術已經成為了Rosatom非核業務的領先領域之一。Rosatom擁有提供增材制造服務的所需要的大部分專門知識技能,制訂了關于設備、材料和技術的計劃,來幫助將任何設計思想變成最終的產品。公司還專注于測試3D打印部件以確保其可靠性和安全性,這樣它們才能夠抵御很高中子通量的輻射。

  5.其它機構

  2016年6月份,通用電氣和日立核能(GEH)聯合啟動了用3D打印來制造核電廠所需零部件的項目。這些零部件誕生后會被送到美國愛達荷國家實驗室(IDL)接受核輻射測試,然后與未受輻射的材料進行比照。由于極具前景,這個項目已經獲得了美國能源部200萬美元的資金支持。

  

  GEH發言人Hollyn Phelps表示,在這個項目中,3D打印技術帶來的好處顯而易見,比如能大大簡化零部件制造流程從而將制造時間縮短十倍左右。雖然受限于3d打印機的尺寸,GEH目前能實現的最大構建體積只有400立方毫米左右,但對于一些小尺寸部件,比如碎片過濾器、沸水反應器,以及抗震動噴射泵來說,這已經足夠了。另外,對于新建的核電廠來說,3D打印技術還可用于制造精細運動控制棒驅動器。

  德國西門子公司(Siemens)2017年將3D打印消防泵葉輪安裝在斯洛文尼亞克爾什科核電廠,至今一直持續安全運行,實現3D打印設備在商業核電廠的首次應用。

  

  3D打印核電站消防水泵用葉輪

  2019年早些時候,瑞典兩家3D打印企業Additive Composite公司和Add North 3D公司聯合發布了適于核工業輻射屏蔽應用的新型碳化硼復合絲,可以用來作為核電站的屏蔽材料。

  結語

  3D打印是近幾年興起的一種新型制造技術,在核能領域有著廣闊的發展前景。國外核電巨頭都開始積極布局,并生產了部分3D打印部件用于核反應堆。美國橡樹嶺實驗室的TCR項目還計劃使用 3D打印技術生產反應堆堆芯,以實現核反應堆建設的歷史性變革。

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