如果说发动机是飞机的“心脏”，那么核反应堆堪称为核电站的“心脏”了。与航空工业发生的3D打印正在创造下一代飞机的“心脏”类似，3D打印正在永久性地改变核能技术中的核电站反应堆的核心组件。循环经济专注于通过尽可能长时间地解决生产和使用周期中的材料使用问题，引领真正的可持续发展之路。ACAM亚琛增材制造中心指出3D打印-增材制造技术为可重复使用、有效利用资源、按需生产和增加材料价值提供了巨大的机会。而清洁发电这条万亿元赛道上，3D打印将崛起新的蓝海创新机遇。
西屋电气公司最近实现了一个重要的里程碑，为 VVER-440 反应堆燃料制造了第 1,000 个 3D打印燃料流量板。这一特殊部件代表了核能行业的一项重大成就，因为它是核能领域第一个进入批量生产的安全相关的3D打印部件。
▲ 3D打印核反应堆组件
© 西屋电气
在反应堆应用中部署 3D 打印组件是一个重要的里程碑，这表明通过增材制造在高度监管的环境中制造合格的组件是可能的。这将基础科学和应用科学与技术联系起来，提供有形的解决方案，展示先进制造如何改变反应堆技术和组件。
市场观察
▲ 核能领域3D打印应用
© 白皮书
里程碑
核电行业的一些专业设备结构比较复杂、使用环境相对苛刻，同时对零部件的机械性能要求很高。3D打印技术在小批量产品快速制造、复杂零部件制造领域颇具优势，国际和国内目前在将3D打印技术应用到核电组件的探索方面获得了不断的突破。
西屋公司的AM-增材制造的流量板安装在 VVER-440 燃料组件中，可以重新设计组件的底部，从而获得更强大的性能。VVER反应堆是水-水高能反应堆，核反应堆的一个典型设计特点是分层安全屏障，防止放射性物质逸出。
VVER 反应堆具有三层，VVER反应堆的燃料是二氧化铀（UO2），被压制成高约9毫米、直径约7.6毫米的圆柱形颗粒。燃料芯块与包壳一起构成燃料棒，反应堆堆芯由312个燃料组件、37个控制棒和冷却剂组成，冷却剂是轻水，也充当慢化剂。
2015年，西屋公司进行了首次AM-增材制造核部件的材料辐照研究。2020 年，西屋公司在正在运行的商业反应堆中安装了第一个安全相关的增材制造组件，即顶针堵塞装置。2022年，西屋与工厂运营商 Teollisuuden Voima Oyj (TVO) 和 OKG 密切合作，在 StrongHold AM 过滤器的3D打印制造中增强了部件的捕获功能，以防止碎片进入燃料组件，防止可能损坏包壳。如果没有这种保护和使用这种技术，很容易发生计划外和代价高昂的核能发电中断。发展至今，目前所取得的第1000 个3D 打印 VVER 燃料部件具有里程碑意义，通过在核工业中部署增材制造以实现低成本和降低交货时间，从而实现尖端能源发电解决方案方面领导地位的延续。
反应堆堆芯由大量细长的燃料组件组成，每个燃料组件包括多个包含易裂变材料的燃料棒，其反应以产生热量。每个燃料组件的燃料棒由多个栅格保持成有组织的，间隔开的阵列，这些栅格沿着燃料组件的长度轴向间隔开，并附接到燃料组件的多个细长的控制杆导向套管。
更安全
根据 《利用3D打印和人工智能改进核反应堆技术》一文，通过引入增材制造技术-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隔离栅，西屋电气设计的间隔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，每个壁的内部支撑垂直弹簧。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。
在核能行业，增材制造在复杂部件和原型的生产中发挥着至关重要的作用。能够快速制造复杂的设计，减少与传统制造方法相关的交货时间和成本。该技术可以制造具有更高耐用性和精度的专用零件，这对于确保核电站的安全性和可靠性至关重要。此外，3D打印还可用于生产抗辐射材料和工具，用于放射性环境中的维护和维修。
根据 的市场观察，3D 打印使的开发人员能够使用一些高性能材料实现高度复杂的设计，例如用于冷却通道的设计，这在以前是不可能的。还可以使用新的材料，例如，使用碳化硅等材料，这样可以显着提高核芯的性能和安全性。
此外，3D 打印有助于小体积和“混合”结构的构建。这意味着，研究人员可以将其他组件嵌入并结合到材料中，特别是传感器。
通过将传感和传感器整合并嵌入结构中，开发人员可以从系统中提取更多信息，例如设备运行监测。这使开发人员能够从整个系统中获取更多数据，这对于降低运营成本很重要，因为这创建了一个更可靠的系统，具有更好的监控信息，这意味着更多的流程可以实现自动化。
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