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，蒸汽推動汽輪機(jī)帶動發(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)堆可能會退役，因為它們基于 70 年歷史的輕水技術(shù)。

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)用對下一代核能的發(fā)展變得越發(fā)重要。本期，大家一起來了解美國橡樹嶺國家實驗室如何利用3D打印和人工智能改進(jìn)核反應(yīng)堆技術(shù)。

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如果說發(fā)動機(jī)是飛機(jī)的“心臟”，那么核反應(yīng)堆堪稱為核電站的“心臟”了。與航空工業(yè)發(fā)生的3D打印產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展類似，3D打印正在開發(fā)中永久性地改變核能技術(shù)的過程中，3D打印和先進(jìn)的制造技術(shù)可能徹底改變核能工業(yè)，以小型堆推動能源系統(tǒng)的低碳轉(zhuǎn)型。

下一代核能設(shè)備制造

20 年來，美國和西歐只建造了一座核電站，各國要么完全淘汰該技術(shù)，要么委托項目正在經(jīng)歷成本上升的挑戰(zhàn)。此外，從大規(guī)?；A(chǔ)電力向間歇性可再生能源的轉(zhuǎn)變正在引發(fā)對未來核電相關(guān)性的質(zhì)疑。

橡樹嶺國家實驗室正在進(jìn)行的一項名為“轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)反應(yīng)堆計劃”的研究項目旨在改變這一令人沮喪的事實。ORNL正在與材料、計算和制造科學(xué)以及 3D 打印、人工智能和大數(shù)據(jù)合作，以推進(jìn)反應(yīng)堆堆芯設(shè)計。

3D打印在核能發(fā)電方面的應(yīng)用

橡樹嶺國家實驗室的轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)反應(yīng)堆計劃希望通過部署 3D 打印和人工智能來設(shè)計和生產(chǎn)反應(yīng)堆核心技術(shù)，將核能帶入 21 世紀(jì)。通過技術(shù)進(jìn)步和最好的新材料來提供更好、更安全的核能系統(tǒng)，并且可以更快地部署。

這其中最令人擔(dān)憂的是核電的成本是如何飆升的，例如，英國的欣克利角 C 核電站預(yù)計耗資 220 億英鎊。

為了解決成本問題，橡樹嶺的研究人員正在改進(jìn)他們的 3D 打印氣體管道到反應(yīng)堆堆芯的設(shè)計，使用計劃中開發(fā)的 3D 打印方法，可以使用碳化硅進(jìn)行打印，碳化硅是一種耐火材料，具有高溫和抗輻射性。

3D 打印使的開發(fā)人員能夠使用一些高性能材料實現(xiàn)高度復(fù)雜的設(shè)計，例如用于冷卻通道的設(shè)計，這在以前是不可能的。還可以使用新的材料，例如，使用碳化硅等材料，這樣可以顯著提高核心的性能和安全性。

數(shù)字制造與人工智能

此外，3D 打印有助于小體積和“混合”結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。這意味著，研究人員可以將其他組件嵌入并結(jié)合到材料中，特別是傳感器。通過將傳感和傳感器整合并嵌入結(jié)構(gòu)中，開發(fā)人員可以從系統(tǒng)中提取更多信息，例如設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測。這使開發(fā)人員能夠從整個系統(tǒng)中獲取更多數(shù)據(jù)，這對于降低運(yùn)營成本很重要，因為這創(chuàng)建了一個更可靠的系統(tǒng)，具有更好的監(jiān)控信息，這意味著更多的流程可以實現(xiàn)自動化。

3D打印是數(shù)字化制造方式，由于能夠?qū)彶椴牧系闹圃旆绞揭约八鼈兪欠穹闲阅軜?biāo)準(zhǔn)，這還可以提高技術(shù)的資格和質(zhì)量保證。認(rèn)證通常需要很長時間，需要很多流程。通過正在小批量進(jìn)行的3D 打印，研究人員可以在進(jìn)行過程中收集信息，使用傳感和其他東西來收集許多不同參數(shù)的信息，研究人員正在收集“幾百 GB”的數(shù)據(jù)集，這些數(shù)據(jù)集與人工智能一起用于搜索關(guān)鍵性能參數(shù)。然后使用此信息來確定零件制造后是否符合必要的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

研究人員還計劃創(chuàng)建一個數(shù)字平臺，幫助更快地采用增材制造核能技術(shù)。研究人員正在嘗試一種適用于多學(xué)科項目的敏捷、迭代和動態(tài)方法。跟以往不同，這不是進(jìn)行數(shù)月或數(shù)年的設(shè)計，而是進(jìn)行數(shù)天或數(shù)周的設(shè)計，然后進(jìn)行 3D 打印。然后，從原型中，開發(fā)人員可以測量屬性和性能參數(shù)，并將其直接反饋到設(shè)計中。

  更快、更便宜

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間并改進(jìn)安全。作為該計劃的一部分，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 TCR 計劃以來，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) 的布朗斯費里核電站。與核燃料供應(yīng)商法馬通合作開發(fā)的四個 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。

發(fā)揮結(jié)構(gòu)一體化優(yōu)勢

不僅僅是橡樹嶺國家實驗室，西屋電氣充分發(fā)揮了3D打印實現(xiàn)結(jié)構(gòu)一體化的優(yōu)勢，開發(fā)了3D打印的核動力燃料組件隔離柵。反應(yīng)堆堆芯由大量細(xì)長的燃料組件組成，每個燃料組件包括多個包含易裂變材料的燃料棒，其反應(yīng)以產(chǎn)生熱量。每個燃料組件的燃料棒由多個柵格保持成有組織的，間隔開的陣列，這些柵格沿著燃料組件的長度軸向間隔開，并附接到燃料組件的多個細(xì)長的控制桿導(dǎo)向套管。

通過引入增材制造技術(shù)-3D打印技術(shù)，可以在不進(jìn)行進(jìn)一步組裝或焊接過程的情況下打印西屋電氣開發(fā)的隔離柵。西屋電氣設(shè)計的間隔柵具有沿著細(xì)長燃料組件的豎直軸線的軸向尺寸，核燃料組件格柵包括多個管狀燃料棒支撐單元，具有四個橫截面通常為正方形的壁。在相鄰的燃料棒支撐室或控制棒支撐室中，每個壁的內(nèi)部支撐垂直彈簧。西屋電氣還考慮了一種混合葉片，該混合葉片在燃料桿支撐單元之間的區(qū)域中，連接至燃料桿支撐單元的外部。

與現(xiàn)有的柵格設(shè)計相比，新的設(shè)計允許SiC型燃料棒的平滑插入，同時還帶來低壓降。增材制造技術(shù)使得間隔柵設(shè)計允許1）實施高度精細(xì)但完全集成的混合功能，從而增強(qiáng)熱和水力性能；2）最小化總壓降；3）提高整體網(wǎng)格強(qiáng)度以應(yīng)對震動。

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