3D打印技術在先進核能中的應用前景

來源： 四川省增材制造技術協(xié)會

近年來,，增材制造在能源領域發(fā)揮著越來越重要的作用，現(xiàn)在它也被廣泛應用于核領域,；在當前核電行業(yè)日益受到重視的情況下,，世界核工業(yè)協(xié)會相關的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2019 年,，核電行業(yè)在 33 個國家擁有 438 個可運行反應堆,，是世界第二大低碳電力來源。現(xiàn)在,，核電領域積極探索包括增材制造在內的新技術,。核能領域對新材料、新工藝要求更高,、更為謹慎,。隨著增材制造技術的日益成熟，近年來增材制造技術在先進核能領域的研究和應用越來越廣泛,。
60年來,，幾代核工業(yè)人艱苦創(chuàng)業(yè)、開拓創(chuàng)新,，推動我國核工業(yè)從無到有,、從小到大，取得了世人矚目的成就,，為國家安全和經(jīng)濟建設作出了突出貢獻,。核工業(yè)是高科技戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，是國家安全的基石,。要堅持安全發(fā)展,、創(chuàng)新發(fā)展，堅持 和平利用核能,，全面提升核工業(yè)的核心竟爭力,，續(xù)寫我國核工業(yè)新的輝煌篇章；并在二十大提出,，要大力發(fā)展先進核能技術開發(fā)和應用,，并確保安全、自主,、可控,。

本期訪談的專家是來自四川大學原子核科學技術研究所的唐軍教授,。

專家介紹

唐軍教授
四川省增材制造技術協(xié)會副會長

博士，博士生導師,，四川大學原子核科學技術研究所,、物理學院教授，教育部新世紀優(yōu)秀人才,，四川省學術與技術帶頭人,，四川省增材制造技術協(xié)會副會長。先后負責科技部國際熱核聚變堆（ITER）人才課題,、國家自然科學基金,、教育部新世紀優(yōu)秀人才、四川省重點研發(fā)等各類基金項目,，主要從事核材料,、熱電材料與器件的增材制造研究工作。

訪談時間：2023年3月10日
訪談主題：3D打印技術在先進核能中的應用前景
訪談地點：四川大學原子核科學技術研究所

訪談內容
唐軍教授你好,，本期增材訪談想請你就增材制造技術圍繞我國核工業(yè)相關領域,，談談你的看法，并給出建議,，謝謝,！

唐軍教授：好的，增材制造技術在航天,、航空,、生物醫(yī)療及高端制造等領域的應用經(jīng)歷了較長的時間的積累，已經(jīng)有較好較成熟的技術示范,；相較國外的情況來看,，增材制造技術在核工業(yè)應用這塊大家的起步時間都差不多，這也給我們國家在核學科建設發(fā)展和基礎應用方面研究贏得了寶貴的時間,，我們先看看國外以下幾個方面的應用及我們所開展的部分,，就能知道我們現(xiàn)在處在什么樣一個發(fā)展階段。

ORNL開發(fā)微型反應堆：美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL) 2019年牽頭啟動“轉型挑戰(zhàn)反應堆”(The Transformational Challenge Reactor Demonstration Program,，TCR)建設計劃,。TCR通過3D打印制造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,。

法國核公司 Framatome 的 3D 打�,。�法國跨國公司Framatome宣布已開發(fā)出一種 3D激光打印不銹鋼燃料組件。該部件是一個頂端網(wǎng)格,，用于固定燃料棒,，金屬管中堆放著圓柱形燒結二氧化鈾顆粒。它還用于防止大塊碎片進入燃料組件,。

Purdue（普渡）大學的 3D 打印微反應器：印第安納州普渡大學（美國）已獲得美國能源部80 萬美元的資助,，用于參與 3D 打印微反應器的創(chuàng)建,。Purdue 團隊的任務是開發(fā)人工智能技術,，以確保增材制造的核反應堆部件的質量,。增材制造和人工智能技術的結合可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)更豐富、成本效益更高的核部件鑒定過程,。

BWX Technologies 與 ORNL 合作：BWX Technologies 和橡樹嶺國家實驗室 (ORNL) 正在研究用于制造核組件的金屬 3D 打印技術,。為了為核反應堆提供動力，它們的目標是使用基于鎳和難熔金屬的高溫合金生產(chǎn)零件,。BWX Technologies 會使用電子束熔化系統(tǒng)來 3D 打印零件,，可將組件的耐溫能力提高到高達 1,482°C，并使整個工廠的效率提高約 50%,，而且還可以加快組件原型制作階段,。

2018年初，3D打印技術首次用于大亞灣核電站,，實現(xiàn)大型鑄鍛件的進口替代：以制冷機端蓋制造過程為例,，傳統(tǒng)的鑄造工藝開發(fā)周期長，開模費用高,，且產(chǎn)品機械強度,、沖擊韌性較差，且制造周期長,，材料利用率較低,。電熔增材制造技術可以實現(xiàn)各種復雜結構一體化凈成形、制造周期僅需一周,，材料利用率高,，產(chǎn)品完整度高，各方面性能與鍛件相當且綜合性能遠優(yōu)于鑄件,。

2023年3月,，由核動力院牽頭，聯(lián)合四川大學,、東方電氣研究院共同設立核能增材制造四川省級重點實驗室,，并由核動力院牽頭申請設立中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟核能工作組，積極推動增材制造在核能領域的發(fā)展及應用,。

由于3D打印技術可以實現(xiàn)復雜的產(chǎn)品形狀,，制造更特殊的材料，研究和開發(fā)不同類型的3D打印技術在核能領域的應用對下一代核能的發(fā)展越來越重要,。國內外針對核燃料組件,、乏燃料存儲架、反應堆陶瓷組件,、反應堆組件,、頂針堵漏裝置等已經(jīng)開展了大量的3D打印技術應用研究,。為推動增材制造技術在先進核能領域的發(fā)展和應用，需要打印設備,、軟件控制,、三維仿真、結構優(yōu)化,、材料開發(fā),、工藝調控、應用評價等各要素通力協(xié)作,。

建議四川省增材制造技術協(xié)會發(fā)揮好橋梁紐帶作用,，充分利用四川“核大省”的先發(fā)優(yōu)勢，推動核能領域增材制造技術產(chǎn)學研聯(lián)動,，為促進四川向“核強省”邁進做出更大的貢獻,。

四川大學原子核科學技術研究所四川大學原子核科學技術研究所
四川大學原子核科學技術研究所四川大學原子核科學技術研究所(也稱成都720所)的前身為國家計委1972年立項的"七二0工程"，并于1980年經(jīng)教育部和原二機部共同批準成立的主要從事核科學與技術研究與高層次人才培養(yǎng)的專職研究所,。研究所的第一任名譽所長是我國著名科學家王淦昌先生,，現(xiàn)任名譽所長是原國家自然科學基金委副主任王乃彥院士。

四川大學原子核科學技術研究所在科學研究,、技術開發(fā),、學科建設和人才培養(yǎng)等方面取得了顯著成績，形成了具有特色的5個研究方向:1)輻射物理與醫(yī)學物理,，2)團簇及固體中原子碰撞物理,，3)材料的輻射改性技術，4)同位素及輻射生物技術,，5)核監(jiān)測與自動控制技術,。在這些研究領域中，近年來取得了一批研究成果和應用成果,，包括:帶電粒子輸運理論及其在聚變堆中的粒子表面相互作用等方面的應用,、基于加速器的原子碰撞及團簇物理和超短超強激光-團簇相互作用研究、電子原子碰撞內殼層電離截面實驗研究,、儲氫材料中氦原子團簇行為的實驗和理論研究,、放射治療中涉及的最優(yōu)化問題的研究、具有自主知識產(chǎn)權的三維調強放射治療計劃系統(tǒng)及多葉光柵的研制,、加速器放射性同位素的研制及生產(chǎn),、核素的靶向治療與顯像研究、核材料/熱電轉換器件增材制造研究等,。