高端装备产业研究中心:国内外核工业领域3D打印技术应用情况 - 3D打印技术参考

高端装备产业研究中心:国内外核工业领域3D打印技术应用情况

                   

核工业与航空航天工业都需要高质量、高强度的零部件。在航空航天业,3D打印技术已经被证明从防燃的塑料件打印,到飞机隔离舱的金属结构件打印,再到喷油嘴这样的功能部件的打印是可靠、而且可行的。同样,3D打印技术在核工业领域具有不容忽视的潜力。

国外橡树岭实验室、西屋电气公司、法马通公司等核电巨头都在积极研发3D打印技术,中国中核北方核燃料元件有限公司、中国核动力研究设计院等也在致力于该技术的核工业应用。本期,3D打印技术参考介绍增材制造技术在核工业领域的研究与应用情况。

1. 美国橡树岭国家实验室

美国橡树岭国家实验室(ORNL)正在牵头实施“转型挑战反应堆”(TCR)建设计划。TCR计划于2019年启动,目标是集成3D打印等先进制造技术、新材料、计算科学等领域的最新研发成果,将于2023年建成一座微型反应堆。该计划将充分利用橡树岭在设备制造、材料、核科学、核工程、数据分析及相关领域的创新能力。

高端装备产业研究中心:国内外核工业领域3D打印技术应用情况TCR的3D打印

橡树岭表示,TCR将使用新型先进材料,并采用一体化的传感器和控制部件,建设一座先进反应堆,目标是依靠科技进步降低反应堆造价,并为反应堆的设计、制造、取证和运行开辟一条新的道路。TCR计划完成多项基础实验,包括堆芯设计的选择以及为期三个月的“冲刺”。后者的主要目的是证明将3D打印技术用于快速制造原型堆芯的敏捷性。研究人员未来将进一步优化已选定的设计和流程。

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TCR打印的模型

TCR堆芯位于使用传统技术制造的不锈钢压力容器中。堆芯由氮化铀三元结构各向同性燃料和堆芯结构件组成,堆芯结构件使用3D打印技术制造,材料为碳化硅。燃料块布置在不锈钢结构中,并与氢化钇慢化剂混合在一起。氢化钇慢化剂能够最大限度地减少实现临界所需的高丰度低浓铀数量。TCR将成为橡树岭建设的第14座核反应堆。

高端装备产业研究中心:国内外核工业领域3D打印技术应用情况TCR团队对堆芯进行神经网络分析

 
2020年5月,橡树岭国家实验室宣布:核电反应堆核心3D打印技术取得了阶段性突破,后期,实验室的研究人员不断改进设计,优化工艺,并论证打印部件的一致性和可靠性。ORNL实验室主任表示:挑战3D打印反应堆组件是以前从未有过的方式,是制造学、材料学、核科学、核工程、高性能计算、数据分析与其他相关领域共同合作的成果。

高端装备产业研究中心:国内外核工业领域3D打印技术应用情况这张照片显示了具有双壁包层和冷却通道的燃料元件,其中包含高表面积和螺旋形导向装置

TCR技术总监表示:目前的核形势非常严峻,此类3D打印技术可以为核领域的快速创新提供帮助。3D打印核反应堆作为TCR部署计划的一部分,将为先进核能系统的加速部署提供一个新的模式。除此之外我们还将创建一个数字平台,帮助将技术移交给其他工业,方便用此类技术快速制造零件。BWXT核运营集团有限公司已获得美国能源部橡树岭国家实验室的合同,生产TRISO核燃料,以支持“转化挑战反应堆”(TCR)的持续开发。

高端装备产业研究中心:国内外核工业领域3D打印技术应用情况用于法马通沸水反应堆燃料组件的3D打印通道紧固件由ORNL制造

2020年12月,TCR项目制造的3D打印槽形通道紧固件首次装入位于华盛顿州Richland的法马通核燃料制造工厂的Atrium 10XM沸水反应堆上,用于将燃料通道固定到组件格栅。除此之外,美国阿拉巴马州田纳西河谷管理局 (TVA) 布朗斯费里核电站 2 号机组也已经安装了四个3D 打印燃料组件通道紧固件。这些组件都是在橡树岭国家实验室的制造示范设施中生产的。
2. 西屋电气公司
除了橡树岭国家实验室外,美国西屋电气公司(Westing house)2020年5月4日宣布,在2020年春季停堆换料期间,拜伦1号机组已成功安装使用3D打印技术制造的顶针堵漏装置。这是全球首次在反应堆堆芯安装3D打印构件。

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高端装备产业研究中心:国内外核工业领域3D打印技术应用情况拜伦1号机组中的顶针堵漏装置

 
SiC燃料棒通常具有非常粗糙的表面,对于水平凹坑设计,尤其是在大多数压水反应堆网格中通常使用的水平凹坑设计,存在潜在的损坏隐患。西屋电气设计了一种新的燃料组件隔离栅设计,并通过3D打印一次性将结构作为一体化组件制造出来。
西屋电气设计的间格栅具有沿着细长燃料组件的竖直轴线的轴向尺寸,核燃料组件格栅包括多个管状燃料棒支撑单元,具有四个横截面通常为正方形的壁。在相邻的燃料棒支撑室或控制棒支撑室中,每个壁有内部支撑垂直弹簧。西屋电气还考虑了一种混合叶片,该混合叶片在燃料杆支撑单元之间的区域中,连接至燃料杆支撑单元的外部。

高端装备产业研究中心:国内外核工业领域3D打印技术应用情况西屋公司3D打印制造的燃料格栅

 
通过引入3D打印技术,可以在不进行进一步组装或焊接过程的情况下打印西屋电气开发的格栅。与现有的格栅设计相比,新的设计允许SiC型燃料棒的平滑插入,同时还带来低压降。增材制造技术使得格栅设计允许:
1)实施高度精细但完全集成的混合功能,从而增强热和水力性能;
2)最小化总压降;
3)提高整体网格强度以应对震动。
 
3. 中国核动力研究设计院
 
中国核动力研究设计院是国家战略高科技研究设计院,被喻为中国核动力的工程摇篮。该院于2015年已经对ACP 100反应堆压力容器实现了3D打印制造,然而中国核动力研究院的何戈宁主任指出,到目前为止,核级的3D打印部件在中国国内鲜有应用。经过多年实践,该院总结出3D打印技术应用的三个痛点:
1)DFAM缺乏:基于3D打印设计的缺乏。之前的尝试是快速原型,有什么打什么。

2)系统性规划的缺失:对于整个3D打印应用的价值规划产业规划都是缺失的,做了一些零敲碎打的工作,很难实现批量化的应用。

3)标准规划的缺位:核能领域是个特殊的领域,核安全和传统的工业安全相比,对于国家、国民经济的重要性是不一样的。怎样能够建立一套标准规范体系,在这个标准规范体系下来推进3D打印的应用,是需要重点关注的内容。

高端装备产业研究中心:国内外核工业领域3D打印技术应用情况3D打印的工艺样件试验件

在以往工作的基础上,核动力研究设计院选择了换热设备作为代表,系统性的开展了DFAM的设计,并希望能够以这个点来个撬动整个3D打印在核能领域的应用。该项目拿到了工信部一条龙的应用示范。基于3D打印思维完成了模块化、高效换热设备的设计,与传统的换热设备相比,重量、体积、零部件数量、制造周期均减小90%,制造成本降低了50%。

根据核动力研究设计院的梳理,3D打印在核能领域的应用前景非常的广阔,包括用3D打印来做减隔振、高效泵阀部件。对于一些结构件的一体化设计、减重设计,燃料组件等一些关键功能部件也可以用3D打印来实现性能提升。未来,核动力研究设计院希望能够与增材制造产业链上的各个优秀企业深入合作,推进3D打印在核能领域的应用。
 
除核动力院之外,2020年上海航天设备制造总厂激光增材制造团队完成了核电站堆内关键构件增材制造。据悉,此为世界上最大尺寸的增材制造核电站堆内关键构件,突破了大尺寸构件增材制造应力变形控制核心技术,形成了一套成熟的工艺规范,实现高效率高质量成形,展现了增材制造技术的应用潜力和团队技术实力。
4. 法国法马通公司
2015年,法马通公司(Framatome)在德国埃尔兰根实验室启动增材制造项目,项目重点在于使用3D打印技术制造不锈钢和镍基合金燃料组件。来自法国、德国和美国的燃料专家参与了该项目,欧盟及美国能源部也对该项目予以支持。
法马通计划使用增材制造技术为压水堆、沸水堆和VVER机组生产燃料组件。法马通强调,该技术还可用于其他核燃料方面的应用,包括快速成型、试验组件和燃料生产线工具制造、堆内燃料检查和服务工具修复等。

高端装备产业研究中心:国内外核工业领域3D打印技术应用情况瑞士戈斯根(Gösgen)核电厂

2020年11月,法马通突破性的3D打印核燃料元件完成了反应堆的首个辐照检测周期。这些实验性不锈钢和镍基合金部件于2019年载入瑞士的戈斯根核电站,这些部件一共需要通过五个辐射检测周期,从而确认这些组件在实际操作条件下的性能表现。后续将对辐照后的燃料组件实施进一步检查,从而确认其在实际运行工况下的性能。
5. 俄罗斯原子能公司
俄罗斯国家原子能公司(Rosatom)计划将先进3D打印技术作为其非核心业务战略的一部分,根据该公司的计划,其最新的3D打印业务将首先用于其核电领域,然后再延伸到其它业务部门,而且这一3D打印业务将使用由其自行开发的创新金属粉末材料和工业级3D打印机,该公司的很多部门都提出了在本部门中可以使用3D打印技术制造的零部件种类。
截至2020年,3D打印已经成为了Rosatom非核业务的领先技术之一。Rosatom拥有提供增材制造服务的所需要的大部分专门知识技能,制订了关于设备、材料和技术的计划,来帮助将任何设计思想变成最终的产品。公司还专注于测试3D打印部件以确保其可靠性和安全性,这样它们才能够抵御很高中子通量的辐射。
6. 其它机构
2016年6月份,通用电气和日立核能(GEH)联合启动了用3D打印来制造核电厂所需零部件的项目。这些零部件诞生后会被送到美国爱达荷国家实验室(IDL)接受核辐射测试,然后与未受辐射的材料进行比照。由于极具前景,这个项目已经获得了美国能源部200万美元的资金支持。

高端装备产业研究中心:国内外核工业领域3D打印技术应用情况西屋公司3D打印制造的核电零件

GEH发言人表示,在这个项目中,3D打印技术带来的好处显而易见,比如能大大简化零部件制造流程从而将制造时间缩短十倍左右。虽然受限于3D打印机的尺寸,GEH目前能实现的最大构建体积只有400立方毫米左右,但对于一些小尺寸部件,比如碎片过滤器、沸水反应器,以及抗震动喷射泵来说,这已经足够了。另外,对于新建的核电厂来说,3D打印技术还可用于制造精细运动控制棒驱动器。
通用电气利用3D打印技术进行原型设计,设计了GNF2核燃料组件,如下图所示,该组件改进了杂物滤网,显著降低碎片接触燃料棒的概率,提高了可靠性,并降低运营成本。

高端装备产业研究中心:国内外核工业领域3D打印技术应用情况GNF2 燃料组件

高端装备产业研究中心:国内外核工业领域3D打印技术应用情况GNF2核燃料组件及其杂物过滤网

德国西门子公司(Siemens)2017年将3D打印消防泵叶轮安装在斯洛文尼亚克尔什科核电厂,至今一直持续安全运行,实现3D打印设备在商业核电厂的首次应用。
高端装备产业研究中心:国内外核工业领域3D打印技术应用情况
3D打印核电站消防水泵用叶轮
2019年早些时候,瑞典两家3D打印企业Additive Composite公司和Add North 3D公司联合发布了适于核工业辐射屏蔽应用的新型碳化硼复合丝,可以用来作为核电站的屏蔽材料。
结语
3D打印是近几年兴起的一种新型制造技术,在核能领域有着广阔的发展前景。国外核电巨头都开始积极布局,并生产了部分3D打印部件用于核反应堆。未来,海陆空天都可能对先进核能有应用需求,对于装备的高效、紧凑、小型提出了前所未有的挑战,这些特点却是3D打印技术的优势。
注:本文主要内容来自高端装备产业研究中心,3D打印技术参考补充,转载已获授权。
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