近年来，增材制造业发挥越来越大作用的行业之一是能源。我们已经告诉过你3D打印在石油和天然气领域的许多应用，但你知道它也被用于核应用吗？近年来，核电站行业越来越引人注目，世界核协会的数据显示，2019年，该行业是世界第二大低碳能源，在33个国家拥有438个可运行反应堆。此外，根据美国能源信息署（EIA）的数据，2020年，世界核能发电总量为2591亿千瓦时，占世界总发电量的10.1%。鉴于受欢迎程度的上升，该行业也在转向新技术，包括增材制造，这也是有道理的。为了更好地了解它是如何被使用的，我们仔细研究了3D打印在核电站中的一些主要用途，并没有按特定顺序排列。
ORNL的3D打印反应堆
毫无疑问，美国橡树岭国家实验室是核能和3D打印领域最活跃的参与者之一。几年来，其团队一直在研究增材制造如何影响我们对核能的看法。例如，2020年5月，他们展示了第一个反应堆堆芯原型，通过DED机器用3D金属打印。该项目是“转型挑战反应堆演示”（TCR）计划的一部分，该计划的目标是在很短的时间内想象出更便宜、更高效的能源系统。事实上，从设计阶段到后期处理，这个堆芯只用了三个月的时间就完成了；印刷过程需要在1400°C的温度下工作40小时。
超安全核公司与ORNL合作开发微型反应堆
超安全核公司是一家美国核公司，旨在开发和垂直整合安全、清洁和具有商业竞争力的核解决方案。2022年，该公司宣布计划与橡树岭国家实验室合作，利用后者的增材制造能力，通过使用Binder Jetting来制造微型模块化反应堆，从而推进核能发展。增材制造的选择使团队能够克服与碳化硅（一种技术陶瓷）相关的困难；与传统方法相比，它们将节省资金并能够设计更复杂的几何形状。
ČEZ是一家公用事业公司，也是中欧和东欧最大的公共企业。该公司的核部门与捷克核公司Škoda JS合作，已转向增材制造，以优化自己的供应链并减少停机时间。仅今年一年，他们就使用这项技术生产了4159个塑料和金属零件。在冠状病毒疫情和乌克兰战争加剧了地缘政治局势，引发了严重的供应链问题后，该公司转向了增材制造。大型打印机可以生产重达600公斤的金属零件，使有缺陷的零件能够在短时间内更换。ČEZ董事会成员兼核能部门主管Bohdan Zronek解释说，几何结构更简单的零件是使用传统方法生产的，而3D打印特别适合齿轮等复杂零件。
阿拉巴马反应堆中的安全关键部件
根据EIA的数据，美国目前有93座核电站在运行。其中之一是田纳西河谷管理局位于阿拉巴马州雅典的Browns Ferry核电站，这是美国第二大核电站。我们特别感兴趣的是，TVA、法马通和DOE核能办公室资助的位于橡树岭国家实验室（ORNL）的Transformational Challenge Reactor（TCR）项目在第二单元核电站安装了四个3D打印燃料组件支架，以供2021核反应堆使用。该项目很有趣，因为它是该国第一个此类项目，并表明有可能在核反应堆等高度监管的环境中部署合格的3D打印组件。安全紧固件是安全关键部件，使用激光粉末床熔接和TruForm 316（Fe-271）制成，TruForm 316是一种由铁、镍、铬和钼组成的金属粉末合金。选择3D打印作为一种方法来帮助制作紧固件的非对称几何形状。
西门子在斯洛文尼亚：Krško工厂
西门子完成了核电站的第一个3D打印和运行部件。这是一个直径108毫米的消防泵金属叶轮，由西门子设计和额外制造，在斯洛文尼亚的Krško核电站持续运行。增材制造的使用至关重要，因为自1981年工厂投产以来，原始叶轮一直在运行，其原始制造商已不再营业。西门子在斯洛文尼亚的团队随后对该零件进行了逆向工程，并创建了一个“数字孪生”零件，使用金属增材制造来重新创建该零件。
该项目标志着AM行业向前迈出了重要一步，因为3D打印部件首次证明了安全运行，并通过了核电所需的所有测试，核电是最复杂、要求最高的行业之一。
北达科他大学开发核反应堆
北达科他大学的一组研究人员创建了一个项目，开发3D打印的钢筋核反应堆。为了制造这些部件，Roy Sougata（机械工程教授）和他的团队将使用奥氏体钢：这种金属合金用氮气加固，将成为施工过程中的主要原材料。目前，还没有提供关于所使用的3D打印机的信息，主要想法是看看这些3D打印组件是否比传统方式设计的组件更高效。零件的设计将在北达科他大学进行，而进一步的分析将在橡树岭国家实验室（ORNL）进行。此外，对部件的测试将侧重于其在高温下的摩擦学财产（磨损、摩擦和润滑科学）。
西屋电气公司用3D打印创造行业第一
3D打印在功能部件的制造中发挥着重要作用。2020年，西屋公司在其一个核反应堆中安装了一个使用3D打印技术制造的顶针堵塞装置。当时，这在业内尚属首次。它继续专注于增材制造，两年后，在芬兰和瑞典的两个沸水堆机组中分别安装了3D打印的碎片过滤器StrongHold AM，再次开创了新局面。这些过滤器提供了增强的捕获功能，代表着该公司在采用增材制造方面向前迈出了一步
法国核公司法马通的3D打印
法国跨国公司法马通公司宣布已开发出3D打印不锈钢燃料组件。该产品是在瑞典福斯马克的一家核电站制造的，特别是在瓦滕福尔。这是这家法国公司首次成功安装该组件。该部分是一个顶端格栅，用于固定燃料棒，金属管中堆叠着烧结二氧化铀的圆柱形颗粒。它的制造也是为了防止体积庞大的碎片进入燃料组件。为了制作它，使用了3D激光打印技术，但法马通没有具体提到是哪一种。
普渡大学3D打印微型反应堆
印第安纳州普渡大学（美国）获得了美国能源部80万美元的拨款，用于参与3D打印微型反应堆的创建。该大学将参加转型挑战反应堆示范项目，在该项目中，能源部橡树岭国家实验室正在努力在2023年前创建第一个3D打印微型反应堆。
普渡大学团队的任务将是开发人工智能技术，以确保额外制造的核反应堆部件的质量。事实上，增材制造和人工智能技术的结合允许更丰富的数据和更具成本效益的核部件鉴定过程。具体而言，普渡大学的解决方案将应用强化学习，这是一种人工智能，使用先进的机器学习策略来微调最佳AM工艺参数的选择，如打印速度和熔化温度，以训练人工智能模型并指导决策过程，使其更高效、更快。
BWX Technologies与ORNL合作
BWX技术公司和橡树岭国家实验室（ORNL）正在研究一种用于制造核部件的金属3D打印技术。为了为核反应堆提供动力，这两个合作伙伴的目标是用基于镍和难熔金属的高温合金生产零件。BWX技术公司将使用电子束熔化系统对零件进行3D打印。根据该公司的说法，这些材料的选择使研究人员能够将组件的耐温性提高到1482°C，并使工厂的整体效率达到约50%。增材制造还降低了成本，特别是在零件维护和维修方面，但也加快了零部件原型制作阶段。
