在核工業(yè)中，核電站反應(yīng)堆壓力容器、蒸發(fā)反應(yīng)器、鍛造主管道等設(shè)備以及一些零部件的技術(shù)要求高、生產(chǎn)難度大，傳統(tǒng)制造工藝存在生產(chǎn)周期長、投入大、產(chǎn)品一次合格率較低等問題。
3D打印技術(shù)在小批量產(chǎn)品快速制造、復(fù)雜零部件制造領(lǐng)域頗具優(yōu)勢，將3D打印技術(shù)應(yīng)用在核工業(yè)中是否有助于解決這些問題？ 3D虎此次為您整理了中國核工業(yè)企業(yè)在核電廠閥門或管道中的輻射屏蔽材料、核反應(yīng)堆壓力容器以及核燃料元件這三個領(lǐng)域的3D打印應(yīng)用，通過這些應(yīng)用我們共同來了解一下3D打印技術(shù)在核工業(yè)零部件制造中有哪些值得探索的領(lǐng)域。
將復(fù)雜的任務(wù)交給3D打印
核輻射屏蔽材料的設(shè)計與3D打印
在核能源系統(tǒng)中會產(chǎn)生各種輻射射線，該輻射射線不僅會污染環(huán)境，還會對人體造成傷害。因此，在核電廠的部分閥門處或管道處需要通過屏蔽材料對輻射射線進行屏蔽，以減少環(huán)境污染和人體傷害。
屏蔽材料的制造主要采用模壓-擠出工藝或直接擠出工藝。但是存在屏蔽材料均勻性、成材性和密實度較差，易產(chǎn)生氣孔等問題。在屏蔽材料的設(shè)計方面，由于沒能結(jié)合需屏蔽的物體的形狀進行定制化設(shè)計，存在屏蔽材料不能貼合需屏蔽的物體，屏蔽效果差的問題。在進行制造之前的屏蔽設(shè)計中，需要現(xiàn)場考察，而核電廠分布范圍廣、每一核電廠內(nèi)所需屏蔽的地方多，給屏蔽設(shè)計帶來了極大的困難。中廣核研究院通過三維掃描、3D打印技術(shù)以及云服務(wù)器在此類屏蔽材料的設(shè)計與制造中尋求突破的解決方案。
首先通過三維掃描裝置對需屏蔽的位置進行三維掃描，以獲取掃描數(shù)據(jù)，隨后將掃描數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺服務(wù)器。云平臺服務(wù)器通過GeomagicStudio、CopyCAD、Imageware等逆向軟件對掃描數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，以生成CAD模型文件。核電用戶通過具有權(quán)限的用戶終端訪問云平臺服務(wù)器并下載CAD模型文件，根據(jù)尺寸精度、粗糙度、打印材料及切片方式將CAD模型文件與設(shè)計圖紙進行校核、改進。接下來將3D圖紙發(fā)送至與云平臺相連接的3D打印機進行打印。
使用三維掃描及云平臺進行設(shè)計，并通過3D打印機進行屏蔽材料小批量定制化生產(chǎn)，提高了核電屏蔽設(shè)計的可靠性、靈活性、安全性和經(jīng)濟性，大大縮短了研發(fā)進程，降低成本。由于是根據(jù)需要屏蔽材料的位置定制化設(shè)計的，設(shè)計出的屏蔽材料可與需求部位實現(xiàn)更好的貼合，使屏蔽材料發(fā)揮出良好的核輻射屏蔽功能。
這種核輻射屏蔽材料的設(shè)計與制造模式可應(yīng)用于所有已投入運行的核電站和在建的核電站中，滿足不同地域核電站的需求。
3D打印一體成型核反應(yīng)堆壓力容器
2015年10月中國核動力研究設(shè)計院與南方增材科技有限公司，聯(lián)合發(fā)起ACP100反應(yīng)堆壓力容器增材制造（3D打?。╉椖俊?016年12月，這個項目的研究成果3D打印反應(yīng)堆壓力容器試件已經(jīng)通過國家能源領(lǐng)域相關(guān)專家的技術(shù)鑒定。
中國核動力研究設(shè)計院是中國唯一集核反應(yīng)堆工程研究、設(shè)計、試驗、運行和小批量生產(chǎn)為一體的大型綜合性科研基地，核動力院積極致力于核電研發(fā)，培育了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)化核電站品牌CP600/CP1000/CPR1000，承擔(dān)著新一代壓水堆核電站ACP100/ACP600/ACP1000及CF系列燃料元件研究開發(fā)、超臨界水冷堆技術(shù)預(yù)先研究等科研項目。
南方增材科技有限公司擁有自主研發(fā)的大型電熔3D打印設(shè)備，能打印直徑達5.6米，長度達9米，重達300噸的厚壁重型金屬構(gòu)件。該設(shè)備以金屬絲材與輔料為打印材料，在電熔冶金的環(huán)境下，利用高能熱源熔化原料絲材，根據(jù)成形構(gòu)件的分層切片數(shù)據(jù)，采用計算機控制，實現(xiàn)原材料逐層快速激冷凝固堆積，最終獲得超低碳、超細晶、組織均勻、綜合力學(xué)性能達到傳統(tǒng)鍛造工藝成形的金屬構(gòu)件，包括反應(yīng)堆壓力容器在內(nèi)的核電大型金屬構(gòu)件。
圖片來源：南方增材
在3D打印過程中，項目雙方經(jīng)過四輪材料試驗和兩輪工藝試驗，對材料成分、性能和成型結(jié)構(gòu)方式給出了精準的技術(shù)要求，使初期材料試驗過程中力學(xué)性能強度過高的問題得到解決，為有效避免核輻照后材料出現(xiàn)脆化等問題奠定了基礎(chǔ)，并最終順利打印出了ACP100壓力容器3D打印試件。
采用傳統(tǒng)制造工藝制造反應(yīng)堆壓力容器需要通過萬噸級重型鍛壓設(shè)備分段制造，然后再焊接在一起。中國核動力研究設(shè)計院與南方增材使用大型電熔3D打印技術(shù)，可精確地實現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型金屬構(gòu)件一體成型，為核電裝備的高質(zhì)量、高效率、低成本制造開辟了一條新的道路。經(jīng)過技術(shù)鑒定，這個3D打印試件的產(chǎn)品性能可達到甚至部分優(yōu)于鍛件產(chǎn)品。
中國中核北方核燃料元件的3D打印
核燃料元件制造是集設(shè)計與加工于一體的高端精密制造，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需多種工序交叉作業(yè)加工才能完成 。
中核北方核燃料元件有限公司（二〇二廠）使用選擇性激光熔化3D打印技術(shù)制造了CAP1400自主化燃料原型組件下管座。
圖片來源：二〇二廠
由西安鉑力特BLT-S300打印
BLT-S300采用選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)，通過逐層熔化金屬粉末的制造方式，完成傳統(tǒng)機械加工無法制造的復(fù)雜金屬結(jié)構(gòu)零件，制備的成形產(chǎn)品擁有致密性好、尺寸精度高的特點。同時金屬3D打印快速制造的技術(shù)特點，能夠縮減產(chǎn)品開發(fā)周期，降低設(shè)計與制造成本，快速、高性能的實現(xiàn)核燃料元件開發(fā)與制備。
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