根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察航空工業(yè)在上個(gè)世紀(jì)80年代就開始使用增材制造技術(shù)，之前增材制造在航空制造業(yè)只扮演了做快速原型的小角色曼舟。最近的發(fā)展趨勢是扒哩，這一技術(shù)將在整個(gè)航空航天產(chǎn)業(yè)鏈占據(jù)戰(zhàn)略性的地位。由于增材制造所具有的極大靈活性嗤积，未來的飛機(jī)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)極大的優(yōu)化虱怖，更加仿生力學(xué)的結(jié)構(gòu)。

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

▲?ORNL

觸及核能“心臟”

ORNL發(fā)力3D打印核反應(yīng)堆堆芯

據(jù)美國核能研究所（NEI）網(wǎng)站報(bào)道， 3D打印-增材制造也將惠及核工業(yè)斤蔓。目前植酥，美國核工業(yè)企業(yè)正在開發(fā)小于10兆瓦的微型反應(yīng)堆，美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）開發(fā)了一個(gè)3D打印的核反應(yīng)堆堆芯原型弦牡，并計(jì)劃在2023年投入生產(chǎn)友驮。

▲?ORNL

橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室結(jié)合先進(jìn)的材料和21世紀(jì)的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，通過3D打印技術(shù)在大幅降低成本的同時(shí)加快反應(yīng)堆開發(fā)進(jìn)程驾锰，用更少的零部件制造先進(jìn)的卸留、全尺寸的3D打印反應(yīng)堆堆芯，并集成傳感器和控制裝置到反應(yīng)堆椭豫。

隨著地球人口的增長耻瑟，能源需求無可避免地增加，美國能源部希望通過3D打印宛殉，再加上美國已在其研發(fā)中部署的尖端監(jiān)控系統(tǒng)溃墨，有助于消除核電中最大的挑戰(zhàn)，從而為消費(fèi)者提供低排放和可靠的化石燃料發(fā)電廠替代品-核能發(fā)電希镶。

西屋電氣開發(fā)3D打印核燃料組件隔離柵

不僅僅是橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室擂益，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，西屋電氣充分發(fā)揮了3D打印實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)一體化的優(yōu)勢欲返，開發(fā)了3D打印的核動(dòng)力燃料組件隔離柵翻妆。

反應(yīng)堆堆芯由大量細(xì)長的燃料組件組成，每個(gè)燃料組件包括多個(gè)包含易裂變材料的燃料棒宽考，其反應(yīng)以產(chǎn)生熱量马榆。每個(gè)燃料組件的燃料棒由多個(gè)柵格保持成有組織的，間隔開的陣列啃碗，這些柵格沿著燃料組件的長度軸向間隔開庞吆，并附接到燃料組件的多個(gè)細(xì)長的控制桿導(dǎo)向套管。

通過引入增材制造技術(shù)-3D打印技術(shù)荞看，可以在不進(jìn)行進(jìn)一步組裝或焊接過程的情況下打印西屋電氣開發(fā)的隔離柵弄察。西屋電氣設(shè)計(jì)的間隔柵具有沿著細(xì)長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需纳，具有四個(gè)橫截面通常為正方形的壁芦倒。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)部支撐垂直彈簧不翩。西屋電氣還考慮了一種混合葉片兵扬，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口蝠。

與現(xiàn)有的柵格設(shè)計(jì)相比器钟，新的設(shè)計(jì)允許SiC型燃料棒的平滑插入津坑，同時(shí)還帶來低壓降。增材制造技術(shù)使得間隔柵設(shè)計(jì)允許1）實(shí)施高度精細(xì)但完全集成的混合功能傲霸，從而增強(qiáng)熱和水力性能疆瑰；2）最小化總壓降；3）提高整體網(wǎng)格強(qiáng)度以應(yīng)對震動(dòng)昙啄。

而根據(jù)中關(guān)村在線穆役，2020年西屋電氣在Exelon Byron 1號核電站中安裝了3D打印組件——一個(gè)頂針堵漏裝置，這是全球首次商業(yè)核反應(yīng)堆使用3D打印部件梳凛。

▲?西屋電氣

深圳大學(xué)與中核集團(tuán)開發(fā)全新結(jié)構(gòu)的產(chǎn)氚單元

根據(jù)科技日報(bào)聘楞，在國內(nèi)，深圳大學(xué)增材制造研究所陳張偉和勞長石教授團(tuán)隊(duì)旷吱，與中核集團(tuán)核工業(yè)西南物理研究院合作撕第，首次提出并實(shí)現(xiàn)了基于3D打印一體化自由設(shè)計(jì)和成形復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)正硅酸鋰陶瓷件，有望替代傳統(tǒng)的微球床結(jié)構(gòu)取蓝，成為新一代產(chǎn)氚器件，展現(xiàn)出重要應(yīng)用前景掀尊。

傳統(tǒng)的鋰陶瓷產(chǎn)氚單元一般是把正硅酸鋰做成直徑1毫米左右的微球芥斋，并將它們堆積起來，做成球床結(jié)構(gòu)玩猿，微球之間的空隙可以注入氦氣趋沧。但是，這種產(chǎn)氚單元的填充率有限魄恭，而且無法自由調(diào)控妻诚。此外，微球堆積產(chǎn)生的應(yīng)力集中揣褂，容易造成產(chǎn)氚單元結(jié)構(gòu)形變開裂等破壞愤厦，成為球床結(jié)構(gòu)和性能均勻穩(wěn)定性的掣肘。一旦產(chǎn)氚單元發(fā)生故障嘴纺，將直接導(dǎo)致聚變反應(yīng)堆無法平穩(wěn)運(yùn)行败晴。因此，科學(xué)家一直在嘗試優(yōu)化產(chǎn)氚單元的結(jié)構(gòu)栽渴。

針對上述問題尖坤，2018年，陳張偉和勞長石等人與西南物理研究院另辟蹊徑闲擦，提出用3D打印正硅酸鋰陶瓷單元方法慢味，研制一種全新結(jié)構(gòu)的產(chǎn)氚單元，研發(fā)出一種光固化3D打印專用高相純度正硅酸鋰粉體漿料墅冷。3D打印出來的結(jié)構(gòu)件纯路，再進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)或油，在1050攝氏度的環(huán)境中燒制8—10小時(shí)實(shí)現(xiàn)瓷化，就能去除固化結(jié)構(gòu)中的各種添加劑感昼，且不再跟環(huán)境中的水和二氧化碳發(fā)生反應(yīng)装哆。采用這種方法打印出來的產(chǎn)氚單元是一體化無缺陷結(jié)構(gòu)，經(jīng)過測試定嗓，克服了球床填充率有限和應(yīng)力集中引發(fā)的可靠性問題昆秩，其穩(wěn)定性、力學(xué)性能比傳統(tǒng)微球結(jié)構(gòu)提升2倍长恒。

國際同行給予高度評價(jià)聂帜，認(rèn)為提出的3D打印技術(shù)在核聚變核心陶瓷部件的制造與應(yīng)用極具創(chuàng)新性。該研究在核聚變堆應(yīng)用方面極具前景北取，將為替代傳統(tǒng)球床陶瓷產(chǎn)氚結(jié)構(gòu)和推動(dòng)托卡馬克核聚變反應(yīng)技術(shù)商業(yè)化提供更多可能涡趟。

 深圳大學(xué)與西南物理研究所開發(fā)核聚變堆第一壁鋼構(gòu)件

此外，深圳大學(xué)增材制造研究所已與西南物理研究院合作涯翠，圍繞核聚變堆第一壁CLF-1鋼構(gòu)件的選區(qū)激光熔化工藝（LPBF）及其組織性能調(diào)控開展了系統(tǒng)研究工作呼泪，首次將非均質(zhì)雙/多模組織設(shè)計(jì)思路引入到SLM成形高強(qiáng)韌低活化馬氏體鋼（RAFM，為未來核聚變堆研發(fā)的鋼種）的開發(fā)憔吉，基于SLM工藝參數(shù)和掃描策略的優(yōu)化宗窗，SLM成形CLF-1鋼兼具高強(qiáng)度與高塑性，其綜合強(qiáng)韌性顯著優(yōu)于目前文獻(xiàn)報(bào)道的RAFM鋼肿讽。這項(xiàng)研究為3D打印高強(qiáng)韌RAFM鋼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供重要理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)蛮埋，促進(jìn)核聚變堆關(guān)鍵部件組織性能可控的一體化成型。

▲德國Fraunhofer ILT 弗勞恩霍夫激光研究所所長Poprawe院士到訪增材制造所

?深圳大學(xué)增材制造研究所

中科院物質(zhì)科學(xué)研究院開發(fā)CLAM鋼

另據(jù)媒體報(bào)道找田，2018年歌憨，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院已經(jīng)利用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)核聚變堆關(guān)鍵部件——包層第一壁樣件的試制。

研究人員以中國低活化馬氏體鋼（CLAM）為原材料墩衙，打印出來的部件樣品尺寸精度符合設(shè)計(jì)要求务嫡，材料的致密度達(dá)到99.7%，與傳統(tǒng)方法制備的CLAM鋼強(qiáng)度相當(dāng)底桂。同時(shí)植袍，研究還發(fā)現(xiàn)3D打印的逐層熔化和定向凝固特性導(dǎo)致了不同方向上CLAM鋼組織和性能的差異，這種差異未來可以通過掃描方案優(yōu)化和熔池形核優(yōu)化等方式有效降低甚至消除籽懦。該研究表明于个，3D打印技術(shù)在核聚變堆等先進(jìn)核能系統(tǒng)復(fù)雜構(gòu)件制造上具有良好的應(yīng)用前景。

（3D科學(xué)谷）

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