如果說(shuō)發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的“心臟”，那么核反應(yīng)堆堪稱為核電站的“心臟”了。與航空工業(yè)發(fā)生的3D打印產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展類似，3D打印正在開(kāi)發(fā)中永久性地改變核能技術(shù)的過(guò)程中，3D打印和先進(jìn)的制造技術(shù)可能徹底改變核能工業(yè)，以小型堆推動(dòng)能源系統(tǒng)的低碳轉(zhuǎn)型。

3D打印技術(shù)在核能領(lǐng)域的應(yīng)用具有顯著的優(yōu)勢(shì)，包括能夠快速生產(chǎn)復(fù)雜的部件，提高耐用性和精度，這些都是維持核電站安全和可靠性標(biāo)準(zhǔn)的重要因素。隨著全球?qū)Ω鍧崱⒏沙掷m(xù)的能源解決方案的興趣與日俱增，3D打印技術(shù)在核領(lǐng)域的應(yīng)用也獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展。西屋電氣的增材制造技術(shù)提高了核反應(yīng)堆運(yùn)行的安全性，近日，西屋電氣宣布該公司通過(guò)使用增材制造燃料組件底部噴嘴，將底部噴嘴抗碎片能力從65%提高到96%。

西屋電氣3D打印將底部噴嘴抗碎片能力從65%提高到96%

3D打印在核能發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用

1、更安全

據(jù)觀察，核能發(fā)電燃料組件的制造是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，涉及到多個(gè)方面的技術(shù)挑戰(zhàn)：

材料選擇：核燃料組件的材料需要具有極高的耐腐蝕性和耐高溫性能，以承受反應(yīng)堆中的惡劣環(huán)境。選擇合適的材料并確保其性能滿足要求是一個(gè)挑戰(zhàn)。

精密加工：燃料組件的制造需要精密的加工技術(shù)，以確保組件的尺寸和形狀符合設(shè)計(jì)要求。底部噴嘴作為組件的一部分，其精度直接影響到整個(gè)燃料組件的性能和安全性。

質(zhì)量控制：在制造過(guò)程中，必須進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制，以確保每個(gè)部件都符合核安全標(biāo)準(zhǔn)。這包括對(duì)噴嘴等關(guān)鍵部件的檢測(cè)和驗(yàn)證。

由于3D打印技術(shù)可以成就復(fù)雜的產(chǎn)品形狀并制造更加特殊的材料，研究和開(kāi)發(fā)不同類型3D打印技術(shù)在核能領(lǐng)域的應(yīng)用對(duì)下一代核能的發(fā)展變得越發(fā)重要。

西屋電氣有限責(zé)任公司已使用增材制造技術(shù)制造底部噴嘴，以提高核燃料組件內(nèi)的碎片捕獲能力和燃料耐久性。據(jù)報(bào)道，這些噴嘴是核工業(yè)的首創(chuàng)，它們被集成到四個(gè)鉛測(cè)試組件中，這些組件于 2024 年第一季度交付給阿拉巴馬電力公司的 Joseph M Farley 核電站，該核電站由南方核電公司運(yùn)營(yíng)。

燃料棒包層上的碎片磨損作用（稱為碎片微動(dòng)）是壓水反應(yīng)堆 (PWR) 燃料組件泄漏的主要來(lái)源。增材制造技術(shù)通過(guò)增強(qiáng)的設(shè)計(jì)自由度顯著改善了碎片過(guò)濾，從而減少了可進(jìn)入反應(yīng)堆的碎片直徑。

西屋電氣通過(guò)增材制造實(shí)現(xiàn)的這項(xiàng)針對(duì)壓水反應(yīng)堆重大技術(shù)創(chuàng)新減輕了燃料棒因碎片堆積而泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)了客戶運(yùn)營(yíng)的安全性和效率。

2、更可持續(xù)

據(jù)了解，核能發(fā)電是用鈾制成的核燃料在“反應(yīng)堆”的設(shè)備內(nèi)發(fā)生裂變而產(chǎn)生大量熱能，再用處于高壓力下的水把熱能帶出，在蒸汽發(fā)生器內(nèi)產(chǎn)生蒸汽，蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)一起旋轉(zhuǎn)而發(fā)電，并通過(guò)電網(wǎng)輸送給消費(fèi)者。核能發(fā)電是解決2050年全球達(dá)到二氧化碳排放為零的重要支柱，然而，在未來(lái) 30 年內(nèi)，許多現(xiàn)有的核反應(yīng)堆可能會(huì)退役，因?yàn)樗鼈兓?70 年歷史的輕水技術(shù)。

西屋電氣正在獲得一系列的技術(shù)突破。通過(guò)引入增材制造技術(shù)-3D打印技術(shù)，可以在不進(jìn)行進(jìn)一步組裝或焊接過(guò)程的情況下打印西屋電氣開(kāi)發(fā)的隔離柵。西屋電氣設(shè)計(jì)的間隔柵具有沿著細(xì)長(zhǎng)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(gè)管狀燃料棒支撐單元，具有四個(gè)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(gè)壁的內(nèi)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(qū)域中，連接至燃料桿支撐單元的外部。

2015 年，西屋電氣進(jìn)行了首次增材制造核部件的材料輻照研究之一。2020 年，西屋公司在一個(gè)正在運(yùn)行的商業(yè)反應(yīng)堆中安裝了其首個(gè)安全相關(guān)的 AM 組件——頂針?lè)舛卵b置，這一成就突顯了3D打印技術(shù)在核工業(yè)等嚴(yán)格監(jiān)管環(huán)境中部署經(jīng)過(guò)認(rèn)證的組件的可行性。2024 年，西屋電氣成功生產(chǎn)了第1000塊用于VVER-440燃料組件的3D打印燃料流板，這標(biāo)志著該公司在增材制造技術(shù)方面取得了又一重大進(jìn)展。這些3D打印的燃料流板對(duì)VVER-440反應(yīng)堆的運(yùn)行至關(guān)重要，并且已經(jīng)成功集成到組件中，顯著提高了整體性能。

總之，通過(guò)西屋電氣的案例可以看出由于3D打印技術(shù)可以成就復(fù)雜的產(chǎn)品形狀并制造更加特殊的材料，研究和開(kāi)發(fā)不同類型3D打印技術(shù)在核能領(lǐng)域的應(yīng)用對(duì)下一代核能的發(fā)展變得越發(fā)重要。