國(guó)際上USNC通過(guò)粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)制造核能領(lǐng)域的包覆燃料的基體和(或)包覆層的燃料元件。USNC的商用放射性同位素加熱器可以集成到著陸器和漫游車(chē)等太空探索設(shè)備中，使它們能夠在傳統(tǒng)熱源失效的寒冷條件下生存。此功能對(duì)于防止設(shè)備和組件在 14 天的陰歷夜、月球永久陰影區(qū)域以及太陽(yáng)能和化學(xué)電源效率低下或無(wú)法使用的其他地方凍結(jié)至關(guān)重要。

粘結(jié)劑噴射技術(shù)用于3D打印陶瓷材料的核反應(yīng)材料存儲(chǔ)器© USNC

成就下一代核能反應(yīng)堆

根據(jù)ACAM亞琛增材制造中心，3D打印-增材制造的發(fā)展趨勢(shì)朝向多維度的深化層面，面向量產(chǎn)應(yīng)用，3D打印突破當(dāng)前應(yīng)用對(duì)經(jīng)濟(jì)性要求的限制，向應(yīng)用端深度延伸走向產(chǎn)業(yè)化的一條發(fā)展路徑是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的產(chǎn)品。

根據(jù)清華大學(xué)劉榮正副教授課題組在《科學(xué)通報(bào)》發(fā)表的評(píng)述文章“碳化物陶瓷材料在核反應(yīng)堆領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀”，新一代核能系統(tǒng)要求所用的材料具備更好的力學(xué)性能、熱物理性能、抗輻照性能、耐蝕和抗熱震性等，碳化物陶瓷材料是重點(diǎn)研究對(duì)象。

陶瓷包括不同成分的組合，其中SiC-碳化硅陶瓷不僅具有優(yōu)良的常溫力學(xué)性能，如高的抗彎強(qiáng)度、優(yōu)良的抗氧化性、良好的耐腐蝕性、高的抗磨損以及低的摩擦系數(shù)，而且高溫力學(xué)性能(強(qiáng)度、抗蠕變性等)是已知陶瓷材料中最佳的。熱壓燒結(jié)、無(wú)壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)的材料，其高溫強(qiáng)度可一直維持到1600℃，是陶瓷材料中高溫強(qiáng)度最好的材料。抗氧化性也是所有非氧化物陶瓷中最好的。別名金剛砂。

討論了七種3D打印技術(shù)制造致密、結(jié)構(gòu)先進(jìn)的陶瓷部件，并揭示了七種技術(shù)中的一種技術(shù)：粘結(jié)劑噴射3D打印在陶瓷方面的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景。這一技術(shù)正在獲得商業(yè)化突破，其落腳點(diǎn)之一正是發(fā)揮了陶瓷耐高溫特性的核能反應(yīng)堆陶瓷組件的3D打印。

 科研與商業(yè)化結(jié)合的核能組件研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化

總部位于西雅圖的 Ultra Safe Nuclear Corporation (USNC) 已授權(quán)使用碳化硅等耐火材料為核反應(yīng)堆 3D 打印組件的新方法。該方法由橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)，將粘結(jié)劑噴射 3D 打印技術(shù)與化學(xué)蒸汽滲透工藝相結(jié)合，能夠更有效地制造反應(yīng)堆組件，并且更加復(fù)雜。通過(guò)許可該方法，USNC 希望推動(dòng)其開(kāi)發(fā)和部署核能發(fā)電設(shè)備的使命，這種設(shè)備不僅安全、使用簡(jiǎn)單，而且具有商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。

USNC 已授權(quán) ORNL 的新型粘結(jié)劑噴射3D打印增材制造方法生產(chǎn)復(fù)雜的核反應(yīng)堆組件© ORNL

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)。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，ORNL 正在領(lǐng)導(dǎo)轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)反應(yīng)堆 (TCR)，并得到美國(guó)能源部 (DoE) 計(jì)劃的支持，以探索在美國(guó)更快、更便宜的核能分配，以降低制造成本和交貨時(shí)間并改進(jìn)安全。作為該計(jì)劃的一部分，ORNL 正在使用直接能量沉積 (DED) 3D 打印等技術(shù)建造核反應(yīng)堆堆芯。2020 年，普渡大學(xué)在收到美國(guó)能源部 80萬(wàn)美元的資助后，成為 TCR 計(jì)劃的主要貢獻(xiàn)者。因此，普渡大學(xué)正在開(kāi)發(fā)一種人工智能 (AI) 模型，以確保反應(yīng)堆堆芯 3D 打印組件的核級(jí)質(zhì)量。

TCR 計(jì)劃還見(jiàn)證了 ORNL 開(kāi)發(fā)了自己的新型 3D 打印技術(shù)，專門(mén)用于生產(chǎn)核反應(yīng)堆部件。該工藝結(jié)合了粘結(jié)劑噴射和陶瓷生產(chǎn)工藝，以更有效地制造復(fù)雜形狀的組件。該方法還可以打印高溫合金和難熔金屬，這些合金和難熔金屬由于耐高溫和耐降解，對(duì)核反應(yīng)堆部件的安全運(yùn)行至關(guān)重要。自啟動(dòng) TCR 計(jì)劃以來(lái)，ORNL 的 3D 打印核反應(yīng)堆組件已安裝在阿拉巴馬州田納西河谷管理局 (TVA) 的布朗斯費(fèi)里核電站。與核燃料供應(yīng)商法馬通合作開(kāi)發(fā)的四個(gè) 3D 打印燃料組件支架目前在工廠處于常規(guī)運(yùn)行條件下。

燃燒組件支架© ORNL/DoE

在通過(guò)粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)制造核能反應(yīng)堆陶瓷組件方面，根據(jù)新協(xié)議，USNC獲得ORNL 的 3D 打印方法的授權(quán)，并為其先進(jìn)的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和部署組件。該公司還計(jì)劃將其業(yè)務(wù)擴(kuò)展到東田納西州，以更接近 ORNL 的專業(yè)知識(shí)，同時(shí)擴(kuò)大用于核能和工業(yè)應(yīng)用的特種組件的生產(chǎn)。

USNC 使用碳化硅制造其核反應(yīng)堆核心部件，碳化硅是一種據(jù)報(bào)道已被證明可以耐受輻射的耐高溫陶瓷。然而，用碳化硅加工反應(yīng)器部件非常耗時(shí)且昂貴。ORNL 的增材制造方法將使 USNC 能夠更有效地使用碳化硅制造組件，同時(shí)實(shí)現(xiàn)所需的復(fù)雜形狀。USNC 的新試點(diǎn)燃料制造工廠將位于位于橡樹(shù)嶺的田納西科技園，距離 ORNL 的主園區(qū)只有幾分鐘的路程。通過(guò)此舉，該公司旨在繼續(xù)與 ORNL 合作并支持 TCR 計(jì)劃。

靠近實(shí)驗(yàn)室及其世界一流的科學(xué)家和設(shè)施，使得USNC能夠輕松獲得反應(yīng)堆核心技術(shù)和增材制造方面的專業(yè)知識(shí)，以及最新的輻射、燃料和材料研究，所有這些都有益于 USNC帶來(lái)安全、 可靠的核能組件。

理想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)的粘結(jié)劑噴射3D打印復(fù)雜陶瓷結(jié)構(gòu)

核電是我國(guó)能源供應(yīng)體系的重要分支，也是新能源的重要組成部分。根據(jù)BP2021年報(bào)告，到2020年中國(guó)核能發(fā)電量達(dá)到366.2 TWh，占全球總量的13.6%。2020年中國(guó)居世界第二位，僅次于美國(guó)30.8%。但是中國(guó)運(yùn)行、在建和擬建反應(yīng)堆數(shù)將超過(guò)美國(guó)。目前，我國(guó)核電行業(yè)-核電站運(yùn)營(yíng)企業(yè)的數(shù)量不多，因存在嚴(yán)格的行政準(zhǔn)入門(mén)檻、資金門(mén)檻和技術(shù)門(mén)檻等，主要公司包括：中國(guó)廣核、中國(guó)核電、國(guó)家電投大唐發(fā)電等，中國(guó)已有自己的核能反應(yīng)堆研發(fā)能力。

根據(jù)清華大學(xué)劉榮正副教授課題組在《科學(xué)通報(bào)》發(fā)表的評(píng)述文章“碳化物陶瓷材料在核反應(yīng)堆領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀”，SiC-碳化硅材料的共價(jià)鍵極強(qiáng)，在高溫下仍能保持較高的鍵合強(qiáng)度，化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好，高溫變形小，熱膨脹系數(shù)低，非常適合用于高溫環(huán)境中。SiC在核能系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛，主要有四方面的應(yīng)用：一是作為包覆燃料顆粒的包覆層。二是發(fā)展SiCf/SiC復(fù)合包殼，代替鋯合金包殼使用。三是在氣冷快堆中用作基體材料。四是在熔鹽堆中作為結(jié)構(gòu)材料使用。目前對(duì)SiC抗氧化性能提升的研究也在積極開(kāi)展。

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(lèi)型3D打印技術(shù)在核能領(lǐng)域的應(yīng)用對(duì)中國(guó)核能的發(fā)展將變得越發(fā)重要。

粘結(jié)劑噴射技術(shù)的3D打印過(guò)程是通過(guò)噴射液體粘結(jié)劑將粉末選擇性地粘合在薄層中，一層一層的重復(fù)粘合過(guò)程。分辨率受粉末尺寸或粘結(jié)劑液滴尺寸的限制，具體取決于哪個(gè)較大。通過(guò)使用小于 50 μm 的噴嘴孔口，可以實(shí)現(xiàn)粘結(jié)劑噴射技術(shù)的出色尺寸精度。粘結(jié)劑流變學(xué)和噴嘴幾何形狀在控制液滴大小方面起著重要作用。

粘結(jié)劑噴射技術(shù)制造碳化硅陶瓷的最近發(fā)展是使用具有單峰和雙峰粒度分布的 SiC 原料粉末3D打印預(yù)制件。在惰性氣氛中，在高于 1410°C 的溫度下用熔融硅滲透打印的預(yù)制件，以形成 SiC-Si 復(fù)合材料。所有打印和試樣的密度、彈性模量、彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性都隨著 SiC 的體積分?jǐn)?shù)而增加。使用雙峰原料粉末制造的試樣在所有測(cè)試的體積分?jǐn)?shù) SiC 下都具有更高的密度、彈性模量、彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性。與傳統(tǒng)成型相比，通過(guò)粘結(jié)劑噴射然后后處理形成的樣品具有相當(dāng)?shù)拿芏取椥阅Ａ亢蛷澢鷱?qiáng)度，但較低斷裂韌性。

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