美國(guó)能源部向愛荷華州撥款100萬(wàn)美元，研究3D打印核反應(yīng)堆鎢部件

2024年10月7日，南極熊獲悉，美國(guó)能源部 (DOE)向愛荷華州立大學(xué)撥款 100 萬(wàn)美元，項(xiàng)目為期四年，用于研發(fā)使用定向能量沉積 (DED) 增材制造 (AM) 技術(shù)制造可用于核反應(yīng)堆的鎢基防護(hù)罩和部件的可能性。該資金來自刺激競(jìng)爭(zhēng)性研究的既定計(jì)劃 (EPSCoR)計(jì)劃，這是一項(xiàng)橫跨五個(gè)不同美國(guó)聯(lián)邦機(jī)構(gòu)的研發(fā)工作。

愛荷華州立大學(xué)機(jī)械工程系助理教授索加塔·羅伊（Sougata Roy）博士是該項(xiàng)目的首席研究員，北達(dá)科他大學(xué)機(jī)械工程系助理教授 Yachao Wang 博士以及來自三個(gè)能源部實(shí)驗(yàn)室的研究人員也參與了該項(xiàng)目。這項(xiàng)資助將使羅伊作為首席研究員組建所謂的“夢(mèng)之隊(duì)”項(xiàng)目：“為極端應(yīng)用和管理的鎢增材制造開發(fā)強(qiáng)大的生態(tài)系統(tǒng)”。

羅伊說：“這個(gè)項(xiàng)目讓我興奮的一大原因是它利用了核能。核能是美國(guó)最大的清潔能源（美國(guó)能源信息署報(bào)告稱，美國(guó)大約 19% 的電力來自核能，大約 10% 來自風(fēng)力發(fā)電），這種零排放電力對(duì)未來至關(guān)重要。”

與其他難熔金屬一樣，鎢由于其高熔點(diǎn)和抗腐蝕性而在核能方面顯示出巨大的潛力。鎢是聚變反應(yīng)堆內(nèi)壁的最佳候選材料，因?yàn)樗�在高溫下能保持�?qiáng)度，熔化溫度高，在高能中子輻照下能抵抗侵蝕，并且放射性氚的含量低。

然而，使用傳統(tǒng)制造方法加工鎢也相當(dāng)困難。但羅伊表示，對(duì)于傳統(tǒng)制造商來說，使用鎢的成本很高，因?yàn)樗?strong>又硬又脆。這促使相關(guān)學(xué)術(shù)界將增材制造視為加工該材料的潛在候選者。他們將嘗試使用定向能量沉積（DED）技術(shù)來 3D 打印鎢基合金。該技術(shù)涉及在氧氣控制條件下使用激光處理鎢粉，然后逐層打印金屬。

羅伊具有為核能應(yīng)用進(jìn)行其他鋼基合金 3D 打印的經(jīng)驗(yàn)，他表示該項(xiàng)目將使他能夠購(gòu)買一臺(tái)新儀器來表征打印樣品的機(jī)械性能（包括儀器壓痕特性和斷裂韌性）。羅伊還表示該項(xiàng)目最獨(dú)特的部分不是實(shí)際的打印，而是基于物理的建模和打印過程的計(jì)算模擬，這將補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)工作。

建模和模擬將使用機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能工具，幫助研究人員建立實(shí)驗(yàn)結(jié)果背后的理論。模擬還將幫助他們開發(fā)出能夠承受核反應(yīng)堆內(nèi)極端條件的鎢合金配方。羅伊說：“我們將從純鎢開始，最終我們將開發(fā)新的合金來解決這一開裂難題。”

△ORNL 研究人員利用基于電子束的粉末床熔合 (EB-PBF) 技術(shù) 3D 打印出首批具有復(fù)雜幾何形狀的無缺陷鎢部件。圖片來源：Michaela Bluedorn/ORNL，美國(guó)能源部。

與此同時(shí)，這一軌跡與新核能技術(shù)研發(fā)的資金機(jī)會(huì)不斷增加相交叉。Sougata Roy 博士在一份新聞稿中表示：“這項(xiàng)先進(jìn)制造工作，尤其是使用增材制造的工作，是為了有所作為。這個(gè)項(xiàng)目讓我興奮的一大原因是與核能的合作。它是美國(guó)最大的清潔能源。這種無排放電力對(duì)未來很重要。我們將從純鎢開始。最終我們將開發(fā)新的合金來解決這個(gè)開裂難題。”

人們對(duì)核能的興趣再度高漲，不僅是因?yàn)樾枰獪p少碳排放。同樣，為人工智能數(shù)據(jù)中心建設(shè)新發(fā)電能力的緊迫性也促使科技公司爭(zhēng)相鎖定最便宜的可用電力來源。例如，微軟最近與 Constellation Energy達(dá)成協(xié)議，將在 2028 年前將自 2019 年以來一直處于停用狀態(tài)的三哩島核電站重新投入使用。

與賓夕法尼亞州立大學(xué)最近由國(guó)防部資助的3D 打印陶瓷項(xiàng)目類似，ISU 項(xiàng)目將涉及將機(jī)器學(xué)習(xí)和模擬與現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)驗(yàn)相結(jié)合。事實(shí)上，羅伊博士告訴 ISU，他認(rèn)為機(jī)器學(xué)習(xí)方面是計(jì)劃研發(fā)中“最獨(dú)特的部分”。

正因如此，當(dāng) AI 熱潮的觀察者開始質(zhì)疑投資回報(bào)從何而來時(shí)，值得注意的是，為增材制造開發(fā)新材料是 AI 用例日益增長(zhǎng)的來源。雖然 AI 通常被視為增材制造的潛在賦能技術(shù)，但很明顯，展望未來，牢記相反的可能性可能同樣重要。