擁抱增材制造給先進核反應堆帶來的前景

想象一下3D打印核反應堆堆芯或核燃料芯塊的情景。3D打印技術能夠制造出足以承受核反應堆極端環境的堅固材料，這聽起來似乎有些牽強，但許多專家認為，為了加快先進反應堆的部署和最大限度地利用核能應對氣候變化，3D打印是非常必要的。

3D打印已經在一些行業中使用，它是一種增材制造技術，涉及一個通過逐層構建材料來打印物體的過程。這與減材制造相反，后者是切掉或燒掉多余的材料。3D打印直接使用數字圖紙工作，由計算機控制，可以生成以前難以生成或不可能生成的復雜形狀。這種制造方法速度更快，產生的廢物更少，減少了出錯的可能性，并且通常還能讓設計師減輕物體的重量——所有這些特性都能顯著降低制造成本。

“未來，核工業可能會廣泛使用 3D打印和其他先進制造技術，就像航空業和汽車業已經在做的那樣。”原子能機構從事先進制造工作的核工程師Aninda Dutta Ray說，“潛力是肯定存在的。現正在順利推進起始步驟，對照現有的核設計規范和標準進行深入的研究和審查，而一些監管機構甚至已經開始為其許可證持有者起草導則。”

引入和測試3D打印

與大多數新的制造工藝一樣，起始步驟微小、緩慢而謹慎。核工業已經出現了一些首次使用的案例，例如，2017年在斯洛文尼亞的一座反應堆上安裝了一個3D打印的泵葉輪。這個類似風扇或渦輪的部件驅動水通過水泵。由于沒有該部件的原始圖紙，因此采用了3D打印技術。

在美國，橡樹嶺國家實驗室正在為核領域和其他行業開發3D打印技術。在一次史無前例的測試中，橡樹嶺國家實驗室打印出了稱為通道緊固件的支架。這些部件于2021年被安裝在一座核動力堆中，將一直使用到2027年，之后將被取出和進行檢查，以評價它們在反應堆條件下的性能。2022年，法國跨國公司法馬通公司在瑞典福斯馬克核電站安裝了首個 3D打印的不銹鋼燃料部件。此外，俄羅斯聯邦最近建造了一臺能夠打印直徑達2.2米、高1米的物體的3D打印機，而在韓國，3D打印正在被用于制造控制閥部件等物項。

由于3D打印在發明之初并沒有考慮到核工業，因此現正在根據核工業的需求調整制造技術。雖然工業標準組織正在創立其他行業的3D打印標準，但關于核工業的標準仍在開發之中。

Dutta Ray認為，找出最佳測試方法、在全球范圍內將它們標準化并獲得監管機構的批準，可以說比制造技術本身的實際創新和完善更具挑戰性。在歐洲，匯集了歐洲六個國家的 13個組織的 NUCOBAM（“基于增材制造的核部件”）項目正在開展研究，以制定準許3D打印用于核電廠的認證和評價過程。

美國電力研究所也在與美國能源部和制造商合作開展研究，以簡化3D打印等新技術的監管驗收。該研究的重點是調查先進制造技術的適用性，制定規范和標準，并利用獨立的抗環境退化材料性能測試結果支持監管審查。“隨著能源行業繼續向先進能源系統（如先進反應堆）過渡，對替代供應鏈和加速部署的需求正在顯著增加，”美國電力研究所先進制造項目首席團隊負責人Marc Albert說，“增材制造和其他先進制造方法是加快清潔技術部署的推動因素。”

原子能機構的作用

原子能機構的作用之一是促進國際合作和知識共享。2023年4月，原子能機構發起了“創新支持在運核電廠國際網絡”。該網絡是一個包容性網絡，是各國就一系列創新主題包括3D打印等先進制造技術開展合作的平臺。

2022年6月，原子能機構還發起了“核協調和標準化倡議”，其重點是促進安全可靠的先進核反應堆和小型模塊堆的部署。該倡議旨在統一監管方案，并制定更加標準化的工業方案，包括關于適用于小型模塊堆增材制造的核規范和標準的共同方案。

“合作創新是讓下一代核技術盡快安全地走出實驗室和進入世界以便我們能夠幫助實現零凈目標的關鍵，”原子能機構核電廠運行和工程支持團隊負責人Ed Bradley說。“共享研究結果、技術和知識可節省時間和資源，因為每個核國家不必都去完成同樣的試驗或投入資金解決同樣的難點。我們將以此取得成功。”

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