3D打印在核电领域的应用发展

2023-03-09 11:21
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近年来,增材制造在能源领域发挥着越来越重要的作用,比如石油和天然气领域,现在它也被用于核领域。近年来,核电行业日益受到重视,世界核协会的数据显示,2019 年,核电行业在 33 个国家拥有 438 个可运行反应堆,是世界第二大低碳电力来源。此外,根据美国能源情报署(EIA)的数据,2020 年世界核电总发电量为 25,910 亿千瓦时,占世界总发电量的 10.1%。现在,核电领域积极探索包括增材制造在内的新技术。为了更好地了解增材制造在核领域的应用发展,整理了3D打印在核电站中的一些主要用途。

ORNL 的 3D 打印反应器

核能和3D打印领域最活跃的参与者之一无疑是美国的橡树岭国家实验室(ORNL),这个团队多年来一直致力于研究增材制造如何影响核电领域。例如,2020 年 5 月,他们展示了第一个反应堆堆芯原型,是通过DED机器3D金属打印的。该项目是“转型挑战反应堆示范”(TCR) 计划的一部分,其目标是在非常短的时间内实现更便宜、更高效的能源系统。这个反应堆堆芯从设计阶段到后期处理只用了三个月时间,打印过程仅仅需要40小时的工作,温度可以达到1,400°C。

Ultra Safe Nuclear Corporation 与 ORNL 合作开发微型反应堆

Ultra Safe Nuclear Corporation 是一家美国核公司,旨在开发和整合安全、清洁和具有商业竞争力的核解决方案。2022 年,它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推进核电,通过使用Binder Jetting技术来制造微型模块化反应堆。选择增材制造技术能够使团队克服与碳化硅相关的挑战,他们将节省资金并设计处比传统方法更复杂的几何形状。

●Czech Energy公司使用 3D 打印优化供应链

ČEZ 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,选择增材制造技术,优化其自身的供应链问题并减少停机时间。仅一年,他们就使用这项技术生产了 4159 个塑料和金属零件。在新冠病毒和乌克兰战争期间、该公司使用增材制造技术极大的降低了供应链中出现的风险。大型打印机可以生产重达 600 公斤的金属零件,在短时间内更换有缺陷的零件。ČEZ 董事会成员兼核能部门主管 Bohdan Zronek 解释说,几何形状更简单的零件是使用传统方法生产的,复杂的零件可以有3D打印轻松制出。

△金属 3D 打印一直是核电企业的首选方法(图片来源:Markforged)

●Alabaman Reactor中的安全关键部件

根据 EIA 的数据,美国目前有 93 座运行中的核电站。其中之一是位于阿拉巴马州雅典市的Browns Ferry核电站,这是该国的第二大核电站。在 Plant Unit 2 中,TVA、Framatome 和 DOE 核能办公室资助了位于橡树岭国家实验室 (ORNL) 的转型挑战反应堆 (TCR) 计划,在 2021 年就安装了四个用于核反应堆的 3D 打印燃料组件支架。该项目很有趣,因为它在美国尚属首例,表明可以在高度监管的环境中部署合格的 3D 打印组件,比如核反应堆。安全紧固件是安全关键部件,采用激光粉末床熔合和 TruForm 316 (Fe-271) 制成,TruForm 316 (Fe-271) 是一种由铁、镍、铬和钼组成的金属粉末合金。

●Slovenia的siemens(西门子):Krško 工厂

核电站中的第一个 3D 打印和运行部件是西门子生产的。它是Slovenia(斯洛文尼亚) Krško 核电站持续运行的消防泵的直径 108 毫米的金属叶轮,由西门子设计和增材制造。增材制造的使用是必不可少的,因为自该工厂于 1981 年投产以来,原始叶轮一直在运行,而其原始制造商已停业。斯洛文尼亚的西门子团队随后对零件进行逆向工程并创建了一个“数字孪生”,以使用金属增材制造来重建零件。该项目标志着 AM 行业向前迈出了重要一步,因为 3D 打印部件首次展示了安全运行并通过了核电所需的所有测试,核电是最复杂和要求最高的行业之一。

△图片来源:西门子

●North Dakota(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,开发了带有钢筋的 3D 打印核反应堆。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,这种金属合金用氮强化,将成为建造过程中的主要原材料。目前,研发小组尚未提供有关所用 3D 打印机的信息,主要是看看这些 3D 打印组件是否比以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,组件的测试将侧重于它们的摩擦学特性。

△奥氏体钢将用作主要材料(图片来源:Dr. K. Natesan)

●Westinghouse Electric(西屋电气)公司通过 3D 打印打造行业第一

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 打印制作的顶针封堵装置。在当时,这在业内尚属首次。此后,它继续专注于增材制造,两年后再次开辟了新天地,分别在芬兰和瑞典的两个沸水反应堆 (BWR) 装置中安装了 3D 打印的碎片过滤器 ,增强的过滤捕获功能,标志着公司在采用增材制造方面向前迈进了一步。

△照片来源:西屋电气

●法国核公司 Framatome 的 3D 打印

法国跨国公司Framatome宣布已开发出一种 3D 打印不锈钢燃料组件。该产品是在瑞典 Forsmark 的一家核电站生产的,特别是在 Vattenfall。。该部件是一个顶端网格,用于固定燃料棒,金属管中堆放着圆柱形烧结二氧化铀颗粒。它还用于防止大块碎片进入燃料组件。为了生产它,Framatome使用了 3D 激光打印技术,但 Framatome 没有具体说明是哪一种。

△照片来源:Framatome

●Purdue(普渡)大学的 3D 打印微反应器

印第安纳州普渡大学(美国)已获得美国能源部80 万美元的资助,用于参与 3D 打印微反应器的创建。Purdue 团队的任务是开发人工智能技术,以确保增材制造的核反应堆部件的质量。增材制造和人工智能技术的结合可以实现数据更丰富、成本效益更高的核部件鉴定过程。具体来说,普渡大学的解决方案将应用强化学习,它使用先进的机器学习策略来微调最佳 AM 工艺参数的选择,例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、更快速。

△核反应堆的 3D 打印部件。(图片来源:ORNL)

●BWX Technologies 与 ORNL 合作

BWX Technologies 和橡树岭国家实验室 (ORNL) 正在研究用于制造核组件的金属 3D 打印技术。为了为核反应堆提供动力,它们的目标是使用基于镍和难熔金属的高温合金生产零件。BWX Technologies 会使用电子束熔化系统来 3D 打印零件。据该公司称,这些材料的选择使研究人员能够将组件的耐温能力提高到高达 1,482°C,并使整个工厂的效率提高约 50%。增材制造还可以降低成本,特别是在零件维护和维修方面,而且还可以加快组件原型制作阶段。

△照片来源:橡树岭国家实验室


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