3D打印技术在先进核能中的应用前景

来源： 四川省增材制造技术协会

近年来，增材制造在能源领域发挥着越来越重要的作用，现在它也被广泛应用于核领域；在当前核电行业日益受到重视的情况下，世界核工业协会相关的统计数据显示，2019 年，核电行业在 33 个国家拥有 438 个可运行反应堆，是世界第二大低碳电力来源。现在，核电领域积极探索包括增材制造在内的新技术。核能领域对新材料、新工艺要求更高、更为谨慎。随着增材制造技术的日益成熟，近年来增材制造技术在先进核能领域的研究和应用越来越广泛。
60年来，几代核工业人艰苦创业、开拓创新，推动我国核工业从无到有、从小到大，取得了世人瞩目的成就，为国家安全和经济建设作出了突出贡献。核工业是高科技战略产业，是国家安全的基石。要坚持安全发展、创新发展，坚持 和平利用核能，全面提升核工业的核心竟争力，续写我国核工业新的辉煌篇章；并在二十大提出，要大力发展先进核能技术开发和应用，并确保安全、自主、可控。

本期访谈的专家是来自四川大学原子核科学技术研究所的唐军教授。

专家介绍

唐军教授
四川省增材制造技术协会副会长

博士，博士生导师，四川大学原子核科学技术研究所、物理学院教授，教育部新世纪优秀人才，四川省学术与技术带头人，四川省增材制造技术协会副会长。先后负责科技部国际热核聚变堆（ITER）人才课题、国家自然科学基金、教育部新世纪优秀人才、四川省重点研发等各类基金项目，主要从事核材料、热电材料与器件的增材制造研究工作。

访谈时间：2023年3月10日
访谈主题：3D打印技术在先进核能中的应用前景
访谈地点：四川大学原子核科学技术研究所

访谈内容
唐军教授你好，本期增材访谈想请你就增材制造技术围绕我国核工业相关领域，谈谈你的看法，并给出建议，谢谢！

唐军教授：好的，增材制造技术在航天、航空、生物医疗及高端制造等领域的应用经历了较长的时间的积累，已经有较好较成熟的技术示范；相较国外的情况来看，增材制造技术在核工业应用这块大家的起步时间都差不多，这也给我们国家在核学科建设发展和基础应用方面研究赢得了宝贵的时间，我们先看看国外以下几个方面的应用及我们所开展的部分，就能知道我们现在处在什么样一个发展阶段。

ORNL开发微型反应堆：美国橡树岭国家实验室(ORNL) 2019年牵头启动“转型挑战反应堆”(The Transformational Challenge Reactor Demonstration Program，TCR)建设计划。TCR通过3D打印制造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。

法国核公司 Framatome 的 3D 打印：法国跨国公司Framatome宣布已开发出一种 3D激光打印不锈钢燃料组件。该部件是一个顶端网格，用于固定燃料棒，金属管中堆放着圆柱形烧结二氧化铀颗粒。它还用于防止大块碎片进入燃料组件。

Purdue（普渡）大学的 3D 打印微反应器：印第安纳州普渡大学（美国）已获得美国能源部80 万美元的资助，用于参与 3D 打印微反应器的创建。Purdue 团队的任务是开发人工智能技术，以确保增材制造的核反应堆部件的质量。增材制造和人工智能技术的结合可以实现数据更丰富、成本效益更高的核部件鉴定过程。

BWX Technologies 与 ORNL 合作：BWX Technologies 和橡树岭国家实验室 (ORNL) 正在研究用于制造核组件的金属 3D 打印技术。为了为核反应堆提供动力，它们的目标是使用基于镍和难熔金属的高温合金生产零件。BWX Technologies 会使用电子束熔化系统来 3D 打印零件，可将组件的耐温能力提高到高达 1,482°C，并使整个工厂的效率提高约 50%，而且还可以加快组件原型制作阶段。

2018年初，3D打印技术首次用于大亚湾核电站，实现大型铸锻件的进口替代：以制冷机端盖制造过程为例，传统的铸造工艺开发周期长，开模费用高，且产品机械强度、冲击韧性较差，且制造周期长，材料利用率较低。电熔增材制造技术可以实现各种复杂结构一体化净成形、制造周期仅需一周，材料利用率高，产品完整度高，各方面性能与锻件相当且综合性能远优于铸件。

2023年3月，由核动力院牵头，联合四川大学、东方电气研究院共同设立核能增材制造四川省级重点实验室，并由核动力院牵头申请设立中国增材制造产业联盟核能工作组，积极推动增材制造在核能领域的发展及应用。

由于3D打印技术可以实现复杂的产品形状，制造更特殊的材料，研究和开发不同类型的3D打印技术在核能领域的应用对下一代核能的发展越来越重要。国内外针对核燃料组件、乏燃料存储架、反应堆陶瓷组件、反应堆组件、顶针堵漏装置等已经开展了大量的3D打印技术应用研究。为推动增材制造技术在先进核能领域的发展和应用，需要打印设备、软件控制、三维仿真、结构优化、材料开发、工艺调控、应用评价等各要素通力协作。

建议四川省增材制造技术协会发挥好桥梁纽带作用，充分利用四川“核大省”的先发优势，推动核能领域增材制造技术产学研联动，为促进四川向“核强省”迈进做出更大的贡献。

四川大学原子核科学技术研究所四川大学原子核科学技术研究所
四川大学原子核科学技术研究所四川大学原子核科学技术研究所(也称成都720所)的前身为国家计委1972年立项的"七二0工程"，并于1980年经教育部和原二机部共同批准成立的主要从事核科学与技术研究与高层次人才培养的专职研究所。研究所的第一任名誉所长是我国著名科学家王淦昌先生，现任名誉所长是原国家自然科学基金委副主任王乃彦院士。

四川大学原子核科学技术研究所在科学研究、技术开发、学科建设和人才培养等方面取得了显著成绩，形成了具有特色的5个研究方向:1)辐射物理与医学物理，2)团簇及固体中原子碰撞物理，3)材料的辐射改性技术，4)同位素及辐射生物技术，5)核监测与自动控制技术。在这些研究领域中，近年来取得了一批研究成果和应用成果，包括:带电粒子输运理论及其在聚变堆中的粒子表面相互作用等方面的应用、基于加速器的原子碰撞及团簇物理和超短超强激光-团簇相互作用研究、电子原子碰撞内壳层电离截面实验研究、储氢材料中氦原子团簇行为的实验和理论研究、放射治疗中涉及的最优化问题的研究、具有自主知识产权的三维调强放射治疗计划系统及多叶光栅的研制、加速器放射性同位素的研制及生产、核素的靶向治疗与显像研究、核材料/热电转换器件增材制造研究等。