3D打印技术在核能相关领域的应用调查研究_赵麒霖.pdf

技术与创新 2023 年 第 1 期 总第 214 期 造纸装备及材料1383D 打印技术在核能相关领域的应用调查研究赵麒霖成都理工大学工程技术学院，四川 乐山 641000摘要：随着全世界能源的持续消耗，如何合理利用能源、如何利用清洁能源，成为世界各国考虑的一个问题。而核能作为清洁能源，成为各个国家大力发展的能源。经过几十年的发展，核能行业技术已经几近成熟。新型 3D 打印技术具有很多传统技术不具备的特点，能够实现任意复杂形状零件的制造，且比传统工艺更加快速，质量更高，全柔性化，具有极好的发展前景及意义。目前 3D 打印技术在核能行业的应用已经初具规模，在许多核能材料上已经通过测试，正式使用到核能行业里。文章梳理了 3D 打印技术的原理和优缺点，然后分析了其在核能领域的应用。关键词：3D 打印；核能；核能材料；压力容器；聚变堆分类号：TL24；TP391.73随着近年来科学与物理的高速发展，3D 打印技术已然成为一项高精尖技术。不可否认的是，在未来，这将成为核心生产技术并具有广泛应用前景，尤其在核能行业。然而，就目前情况而言，我国核能行业的材料制造标准化工作相对于其他国家较为落后，起步也较晚。这在某种程度上已成为影响这一颠覆性创新技术在核能行业广泛应用的限制因素。1 3D 打印技术概述3D 打印与普通打印机工作原理基本相同，只是打印材料有些不同，普通打印机的原料为墨水和纸张，而 3D 打印机内部装有金属、陶瓷、塑料、砂等不同的打印材料，打印机与电脑接通后，通过层层叠加来把设计出来的图纸打印成实物1。1.1 3D 打印原理3D 打印是以 CAD 模型文件为基础、以金属（粉末状）或者塑料等可黏合的物质作为材料，通过叠加法的方式来构造物体的技术，将三维实体制造转变为二维制造的叠加2。其适合生产复杂构件，通常用在模具制造、工业设计等领域，也逐渐用于一些产品的直接制造。主要有 EBM（电子束选区域熔化）、LENS（金属激光近净成型）、SLM（激光选区束化成型）等方式；按照材料可以分为金属打印、砂型打印、蜡膜打印、陶瓷打印等3。3D 打印技术相对于传统的制造工艺来说具有制造效率高、柔韧性高以及经济效益低的优点，一个很小的 3D 打印机器就可以制造出大型的原件，满足设计要求。3D 打印技术极大地冲击了传统制造业的工作模式。在理想状态下，3D 打印技术可以加工出更多、更加精细化、成本更低的材料。传统制造业难以创造出的新产品都可以通过 3D 打印来实现，能够生产更加精细化、更加耐高温、更加耐磨损的高精尖元件。作为新兴的智能制造技术，3D 打印技术目前在国内外发展非常迅速。1.2 3D 打印技术优点（1）不浪费材料。理论上材料的利用率达到 100%，可以放弃人工生产线来降低成本。（2）具有实用性。传统工艺制造技术有限，无法制造出极为精准且耐用的材料，而 3D 打印技术可以制造出更精细、更耐磨的零件4。（3）具有快捷性。传统制造业制造链长，周期长，控制难度大，技术要求高。而 3D 打印技术仅需要一台计算机和一个设计好的 CAD 模型便可以直接制造出实物，省时省力。（4）3D 打印技术具有分布式生产的优点。1.3 3D 打印技术缺点（1）高质量的 3D 打印设备材料成本较高，维护和使用的成本也相对较高，同时由于 3D 打印的生产原材料研发难度相对较大，但适用范围又不广，因此 3D打印的制造成本相对来说较高。（2）3D 打印技术之所以有局限性，是因为材料的限制。目前，3D 打印材料主要是橡胶、软塑料、树脂作者简介：赵麒霖，男，本科，研究方向为核技术。文章编号：2096-3092（2023）01-0138-03造纸装备及材料 第 52 卷 总第 214 期 2023 年 1 月 技术与创新139等材料，因此 3D 打印产品的表面粗糙度相对较高，需要进行打磨和表面处理，增加了附加成本。由于 3D 打印技术目前并不成熟，因此在实际作业过程中，制造出的零件的尺寸、精度、强度等还无法达到传统制造加工的水平，不能直接当作原厂零件来使用，也不能当作精密元件来使用，只能作为功能性零件使用5。2 3D 打印技术在核能领域的应用近些年来，3D 打印技术在航空航天、医用卫生材料等领域已经实现了成体系、全方位的应用。在核能行业里，由于核能行业要求极高的安全性和可靠性，对于工业元件的设计、生产、制造以及性能等方面都有非常高的要求，不同于普通民用的工业元件。虽然针对反应堆压力容器、燃料组件、阀体等部件，已经有3D 打印技术的研究尝试，但总的来说，该技术在核能行业的研究仍处于起步阶段。国家工业和信息化部于2017 年发布的增材制造产业发展行动计划（20172020 年）和 2019 年发布的关于组织开展 2019 年工业强基工程重点展品、工艺“一条龙”应用计划工作的通知等文件明确了核电领域的应用示范产品及企业。可以预期，未来 3D 打印技术在核能行业将有更广泛的应用前景。目前，国内核燃料制造厂家已经开始利用 3D 打印技术开始制造核电站中的设备零件，并且开始测试 3D 打印技术的设备是否符合核电站的要求，这无疑是核电站设备革新的一个开始。截至目前，中国的核工业原件制造商已经将 3D打印技术运用到实践之中，CAP1400（底座零件名称）的底座样品就是中核北方通过该技术制造而来，CF3型核燃料组件的搁架和下方管座样品也是利用该技术制造而成。3D 打印在国内核能领域的具体实验如下。2.1 制造压力容器压力容器起到保护作用，保护反应堆的主管道免受各类事故产生的影响，防止反应堆本体放射物泄漏，是核电站的安全壳。2016 年末中国核动力设计研究院与南方增材科技有限公司合作，通过 3D 打印技术成功制造出了ACP100（中核集团自主研发的多用途模块化小型反应堆）反应堆压力容器。2016 年 12 月 3 日，举办了科研成果鉴定会，通过多次会议的研讨和对 ACP100 进行的多次物理鉴定，成功通过了国际核电规范 RCC-M和 ASME 的要求。它以金属材料为基础材料，在电容冶金的环境下，利用高能热源熔化原材料，根据成型构件进行分析，利用电脑控制实现原材料逐层快速冷却堆积，最终获得超低碳、超细晶、组织均匀的金属构件6。这款利用 3D 打印制造出来的产品要比部分产品质量更高，这也意味着有更安全的压力容器来保护核电站的安全，为核电站安全的探索又迈出了一大步。2.2 制造聚变堆第一壁聚变堆第一壁是核聚变中面对等离子体的一层固体结构，也就是真空室壁，它的作用是封闭等离子体，离子释放能量后，聚变堆第一壁可以吸收 20%左右的能量，防止溢出的氢离子腐蚀材料。2018 年，在物质科学研究院（合肥）的专家操作下，以中国抗中子辐照钢（CLAM 钢）为原材料，利用 3D打印技术的逐层融化和定向凝固的特点，对聚变堆第一壁的材料进行制造及测试，并对其组成和优劣性进行了探讨和分析，确认其精度达到 99.7%，明确了此技术在聚变反应堆等先进系统制造上的可能性，能够以此来促进系统精细构件快速研制和优化。同时，研究还发现，在操作过程中产生的每一层级的差异可以通过扫描和融池形核优化等方式有效减小甚至消除。2.3 制造复杂流道仪表阀阀体在 2016 年的 9 月，中广核公司成功研发一款全新的 genuine3D 打印技术，该技术能够制造出与核电站复杂流道相配合的仪表阀本体。使用 SLM 技术进行打印，以激光为微能量源，按照 CAD 模型逐层切割扫描，最终将材料融化并凝固，成功地打印出成品。这种打印出的仪表阀满足了核电站的 RCC-M 要求，并是首次成功应用于复杂流道之中。这一技术的成功研发进一步证明了 3D 打印技术可以打印出复杂流道的仪表阀阀体，并且结实稳定。相比于传统制造业制造的阀体，3D 打印技术打印出的阀体表现更加优异。2.4 制造空气压缩机制冷机端盖制冷机端盖位于核电站压缩空气生产系统中制冷剂蒸汽发生器入口侧。工作时，核电站压缩空气产生的高温介质通过端盖的入料孔流入制冷机进行冷却，换热前后的冷却介质通过端盖密封并被端盖壳侧的肋板隔离。2018 年初，中广核公司与合作伙伴联合研制出一款通过 3D 打印技术制造的制冷机端盖，并在设备运行多次鉴定后确定符合使用标准，最终安装在广东大亚湾核电站的压缩空气系统中。这个端盖采用了 WAM技术，该技术将电弧作为热源，利用机器人自动化控制原材料的形成，最后通过抛光打磨完善产品。该技 技术与创新 2023 年 第 1 期 总第 214 期 造纸装备及材料140术的成功应用，是国内首个改造 3D 打印零件的实验案例，可发挥实际作用。该实验的成功标志着我国已经具备了自主研发和生产制冷机端盖的技术，不再依赖国外进口。3 国外核能领域应用 3D 打印技术的相关研究（1）美国橡树岭实验室。橡树岭实验室已经成功利用 3D 打印技术打印出了反应堆堆芯原型，即 TCR计划，意在利用 3D 打印技术制造出所有的堆芯原件，从而代替传统工业技术制造的零件，同时提升反应堆的安全性、性能和寿命，使之成为现代化、数字化集一体的反应堆。橡树岭负责人表示，TCR 将要运用新型科技材料，并采用整体化的传感器和控制零件，建设一座高科技核反应堆，目标是利用科技进步从而使反应堆的成本下降，并为反应堆的设计、制造、保持和运行走出一条新的道路。目前，TCR 计划已经通过多次基础测试，并且反应良好。作为开发 3D 打印核反应堆的一部分，该项目还将创建一个数字化平台，来帮助该技术转让到工业界，促使 3D 打印核能技术得到快速应用。TCR 理念成为现实可能归功于 3D 打印技术的重大进步，通过使用 3D 打印，可以扩大核工业技术和材料的使用范围。2020 年 12 月，TCR 项目制造的 3D 打印槽形通道紧固件首次装入位于华盛顿州 Richland 的法马通核燃料制造工厂的 Atrium 10XM 沸水反应堆上，用于将燃料通道固定到组件格栅。（2）西屋电气公司。2020 年 5 月 4 日西屋电气公司发表声明，拜伦一号机组在反应堆停堆进行换料大修时，已经成功将 3D 打印制造出来的顶针堵漏设备成功使用。此外，市场上已经出现了用于燃料棒的 SiC覆层，它可以承受比锆高得多的温度。由于 SiC 燃料棒通常具有非常粗糙的表面，对在大多数压水反应堆网格中通常使用的水平凹坑设计，存在潜在的威胁。为此公司设计了新型燃料组件隔离栅，并运用 3D 打印一次性将结构作为一体化组件制造出来。引入 3D 打印技术后，可以在非常便捷的情况下打印西屋电气开发的格栅。新的格栅设计能够将 SiC 型反应堆燃料棒顺滑插入，进一步降低了压力。此外，3D 打印技术能够让格栅通过高精度的制造增强耐热和耐冷性能、降低总压强、增强抗震性能。（3）西门子公司。西门子公司在 2017 年就成功地应用了 3D 打印技术制造消防水泵的叶轮，并成功地将其用于乌克兰克尔什科核电站，这为西门子公司探索3D 打印技术在核电行业的应用提供了成功的案例。此外，2016 年，日立核能和美国通用电气也联合开展了利用 3D 打印技术来制造核电厂所需零部件的项目。这些 3D 打印制造的零部件将与传统制造的零部件进行比较，并送往美国的爱达荷国家实验室接受一系列的放射性照射测试后进行验证。由于这一项目极具发展前景，美国能源部还提供了高达 200 万美元的资金支持。可以看出，3D 打印技术已经开始在核能行业发挥作用，为核电厂提供了更加高效、精准的制造方式。这也为 3D 打印技术在高端制造领域的应用提供了新的思路和方向。4 结束语世界各个国家都非常认可和大力发展新型制造技术,3D 打印技术在核能行业初露头角。由于技术不够成熟和体系不够严谨，该技术在数字化方面仍有欠缺，仍需一段时间去调试才能利用 3D 打印材料完全替代传统工业的制造材料。此外，在大型设备的制造方面也需要进行研究。然而，对于以安全为核心的核能行业，拥有更加精细的部件可以更加提升安全性能。因此，相信在不久的将来，该技术能够更加成熟，代替传统制造业只是时间问题。参考文献1 赵飞云,贺小明,王煦嘉,等.3D打印技术对核电设计与制造影响的基本思考J.机械设计与研究,2016,32(1):88-91.2 谭磊,赵建光.金属3D打印技术核电领域研究现状及应用前景分析J.电焊机,2019,49(4):339-343.3 彭先和,左华江,唐春怡,等.陶瓷3D打印技术研究进展J.现代化工,2021,41(6):51-54.4 王磊,卢秉恒.我国增材制造技术与产业发展研究J.中国工程科学,2022,24(4):202-211.5 乔雷,孙海燕.激光3D打印GH4169材料性能试验研究J.机械管理开发,2018,33(5):33-35.6 何戈宁,汤华鹏,李毅,等.核能行业增材制造标准体系建设探讨J.中国核电,2020,13(6):821-823,831.7 何汝杰.陶瓷材料3D打印技术:让复杂异形陶瓷材料构件制造成为可能J.硅酸盐通报,2022,41(1):363-364.8 焦磊,王仑,宋萍萍,等.3D打印技术在C08项目异形花墙施工中的应用J.建筑技术,2021,52(S1):38-40.9 王长军,刘雨,周健,等.金属增材技术在钢铁领域的研究进展J.中国冶金,2022,32(5):7-15.10 张新,林小辉,高选乔,等.增材制造难熔金属材料及其应用研究进展J.粉末冶金工业,2022,32(3):18-22.