核能领域3D打印应用：谁在突破、示范与国际引领？

3D打印技术在核领域的应用具有显著的优势和潜力，可以为核能工业的发展提供有力支持。3D打印技术参考于近日注意到，核能领域出现又一新的应用——碎片过滤底部喷嘴（燃料管座）。这引发笔者查询到一些资料，比较出国内外核能技术领域3D打印技术部分应用情况。国外方面较为知名的是西屋电气，国内则是中国核动力研究设计院，两家机构在核能3D打印技术应用领域，均在突破和起到引领的作用。

西屋电气公司凭借其前瞻性的技术视野，已成为业内知名的运用增材制造技术生产核能组件的领军企业。2024年3月，3D打印技术参考报道了该公司为反应堆燃料制造了第1000个3D打印流量板。这一特殊部件代表了核能行业的一项重大成就，因为它是第一个进入批量生产核安全3D打印部件。

该公司于近日公开了一款采用创新设计的底部喷嘴（燃料管座），新设计显著提升了燃料组件中的碎片清除效率和燃料耐久性，为核电站的安全运行和长期稳定性提供了有力保障。据悉，这些经过精心制造的喷嘴已成功集成至四个燃料组件中，预计将于2024年第一季度正式交付核电站。

西屋电气开发的3D打印核能燃料管座

在压水反应堆（PWR）中，燃料棒包层上积累的污垢颗粒磨损（业内称之为污垢磨损）是导致燃料组件泄漏的主要原因之一。而西屋电气公司采用增材制造技术，通过提高设计自由度，显著优化了碎片过滤效果，有效减少了进入反应堆的碎片颗粒直径。在严格的测试中，这些增材制造的组件展现出了卓越的抗污性能，相较于传统组件，其抗污性提高了30%。

3D打印的VVER-1000间隔栅

2024年，ORNL 3D打印出“世界首创”的新型复杂无缺陷钨部件

这一重要里程碑进一步巩固了西屋公司在核工业中利用增材制造技术开发先进解决方案的领导地位。早在2015年，西屋公司便对增材制造的核部件进行了开创性的材料辐照研究。到2020年，公司更是在商用反应堆中成功安装了首个与安全相关的增材制造部件——套管封堵装置。而在2024年，西屋公司为VVER-440燃料生产了第1000个增材制造部件，这一里程碑再次彰显了该公司在增材制造领域的深厚实力。西屋核燃料总裁Tarik Choho表示：“我们的增材制造技术不仅实现了突破性的性能提升，更为我们的客户带来了立竿见影的积极影响。这项针对压水反应堆的重大技术创新有效降低了燃料棒因碎片堆积而泄漏的风险，从而增强了客户运营的安全性和效率。”

根据中国核动力研究设计院发布的消息，2021年该院在TCT亚洲展现场展示了与汉邦激光等联合研发的3D打印模块化高效换热器、龙焱350核能定制3D打印机以及睿眸智能监测系统；2023年，该院牵头成立了核能领域两个重要增材制造研究推进机构——核能增材制造四川省级重点实验室以及中国增材制造产业联盟核能工作组；同年，工业和信息化部公布了2023年度增材制造典型应用场景名单，该院申报的“核能装备全过程监控成形制造”成功入选。

根据公开资料显示，该院是国内核能领域最早一批开展并持续推进增材技术研究的单位，2021年被工信部确定为“增材制造一条龙”在核能领域的龙头单位。核动力院表示下一步将着力推进增材产品在核能领域的广泛应用，为核动力事业高质量贡献力量。

ORNL使用3D打印制造反应堆堆芯

而3D打印的组件在核安全领域的应用必须全面考虑材料的选择与性能，确保耐高温、抗辐射和耐腐蚀；设计与制造的精准度，以保障组件的准确性和可靠性；安全性和可靠性评估，涵盖设备、数据和材料安全；生产成本与效率，实现成本效益的最优化；以及环境与健康影响，确保符合环保要求且不危害公众健康。只有在这些因素都得到充分满足和评估后，3D打印技术才能安全、有效地应用于核安全领域。

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总的来说，3D打印技术凭借其独特的成型原理，使得制造复杂形状和内部结构的核能部件成为可能。从核反应堆的燃料组件到热交换器、喷嘴等高精度部件，3D打印技术都展现出了其高效、精确、灵活的特点。这种技术能够优化材料使用，减少浪费，降低生产成本，并提升部件的性能和可靠性。

国际范围内核能领域对3D打印技术的应用形式也呈现多样化，并在制造、维修、燃料生产、废料处理等方面展现出巨大的潜力和价值。随着技术的不断进步和市场的不断扩大，3D打印技术将在核能领域发挥更加重要的作用，为全球清洁能源的发展做出更大的贡献。