國際上USNC通過粘結(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)域以及太陽能和化學(xué)電源效率低下或無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?？寡趸砸彩撬蟹茄趸锾沾芍凶詈玫摹e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。該方法由橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室開發(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。通過許可該方法，USNC 希望推動(dòng)其開發(fā)和部署核能發(fā)電設(shè)備的使命，這種設(shè)備不僅安全、使用簡單，而且具有商業(yè)競爭力。

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 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)問題，ORNL 正在領(lǐng)導(dǎo)轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)反應(yīng)堆 (TCR)，并得到美國能源部 (DoE) 計(jì)劃的支持，以探索在美國更快、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)在收到美國能源部 80萬美元的資助后，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 打印組件的核級質(zhì)量。

TCR 計(jì)劃還見證了 ORNL 開發(fā)了自己的新型 3D 打印技術(shù)，專門用于生產(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，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年中國核能發(fā)電量達(dá)到366.2 TWh，占全球總量的13.6%。2020年中國居世界第二位，僅次于美國30.8%。但是中國運(yùn)行、在建和擬建反應(yīng)堆數(shù)將超過美國。目前，我國核電行業(yè)-核電站運(yùn)營企業(yè)的數(shù)量不多，因存在嚴(yán)格的行政準(zhǔn)入門檻、資金門檻和技術(shù)門檻等，主要公司包括：中國廣核、中國核電、國家電投大唐發(fā)電等，中國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SiC抗氧化性能提升的研究也在積極開展。

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，研究和開發(fā)不同類型3D打印技術(shù)在核能領(lǐng)域的應(yīng)用對中國核能的發(fā)展將變得越發(fā)重要。

粘結(jié)劑噴射技術(shù)的3D打印過程是通過噴射液體粘結(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，通過粘結(jié)劑噴射然后后處理形成的樣品具有相當(dāng)?shù)拿芏?、彈性模量和彎曲?qiáng)度，但較低斷裂韌性。

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