盘点3D打印技术在国内核工业中的应用

在核工业中，核电站反应堆压力容器、蒸发反应器、锻造主管道等设备以及一些零部件的技术要求高、生产难度大，传统制造工艺存在生产周期长、投入大、产品一次合格率较低等问题。

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，将3D打印技术应用在核工业中是否有助于解决这些问题？ 本期，3D科学谷整理了中国核工业企业在核电厂阀门或管道中的辐射屏蔽材料、核反应堆压力容器以及核燃料元件这三个领域的3D打印应用，通过这些应用我们共同来了解一下3D打印技术在核工业零部件制造中有哪些值得探索的领域。南极熊说一句，将复杂的任务交给3D打印吧。


核辐射屏蔽材料的设计与3D打印
在核能源系统中会产生各种辐射射线，该辐射射线不仅会污染环境，还会对人体造成伤害。因此，在核电厂的部分阀门处或管道处需要通过屏蔽材料对辐射射线进行屏蔽，以减少环境污染和人体伤害。

屏蔽材料的制造主要采用模压-挤出工艺或直接挤出工艺。但是存在屏蔽材料均匀性、成材性和密实度较差，易产生气孔等问题。在屏蔽材料的设计方面，由于没能结合需屏蔽的物体的形状进行定制化设计，存在屏蔽材料不能贴合需屏蔽的物体，屏蔽效果差的问题。在进行制造之前的屏蔽设计中，需要现场考察，而核电厂分布范围广、每一核电厂内所需屏蔽的地方多，给屏蔽设计带来了极大的困难。中广核研究院通过三维扫描、3D打印技术以及云服务器在此类屏蔽材料的设计与制造中寻求突破的解决方案。

首先通过三维扫描装置对需屏蔽的位置进行三维扫描，以获取扫描数据，随后将扫描数据发送至云平台服务器。云平台服务器通过GeomagicStudio、CopyCAD、Imageware等逆向软件对扫描数据进行预处理，以生成CAD模型文件。核电用户通过具有权限的用户终端访问云平台服务器并下载CAD模型文件，根据尺寸精度、粗糙度、打印材料及切片方式将CAD模型文件与设计图纸进行校核、改进。接下来将3D图纸发送至与云平台相连接的3D打印机进行打印。

使用三维扫描及云平台进行设计，并通过3D打印机进行屏蔽材料小批量定制化生产，提高了核电屏蔽设计的可靠性、灵活性、安全性和经济性，大大缩短了研发进程，降低成本。由于是根据需要屏蔽材料的位置定制化设计的，设计出的屏蔽材料可与需求部位实现更好的贴合，使屏蔽材料发挥出良好的核辐射屏蔽功能。

这种核辐射屏蔽材料的设计与制造模式可应用于所有已投入运行的核电站和在建的核电站中，满足不同地域核电站的需求。

3D打印一体成型核反应堆压力容器
2015年10月中国核动力研究设计院与南方增材科技有限公司，联合发起ACP100反应堆压力容器增材制造（3D打印）项目。2016年12月，这个项目的研究成果3D打印反应堆压力容器试件已经通过国家能源领域相关专家的技术鉴定。

中国核动力研究设计院是中国唯一集核反应堆工程研究、设计、试验、运行和小批量生产为一体的大型综合性科研基地，核动力院积极致力于核电研发，培育了具有自主知识产权的国产化核电站品牌CP600/CP1000/CPR1000，承担着新一代压水堆核电站ACP100/ACP600/ACP1000及CF系列燃料元件研究开发、超临界水冷堆技术预先研究等科研项目。

南方增材科技有限公司拥有自主研发的大型电熔3D打印设备，能打印直径达5.6米，长度达9米，重达300吨的厚壁重型金属构件。该设备以金属丝材与辅料为打印材料，在电熔冶金的环境下，利用高能热源熔化原料丝材，根据成形构件的分层切片数据，采用计算机控制，实现原材料逐层快速激冷凝固堆积，最终获得超低碳、超细晶、组织均匀、综合力学性能达到传统锻造工艺成形的金属构件，包括反应堆压力容器在内的核电大型金属构件。

图片来源：南方增材

在3D打印过程中，项目双方经过四轮材料试验和两轮工艺试验，对材料成分、性能和成型结构方式给出了精准的技术要求，使初期材料试验过程中力学性能强度过高的问题得到解决，为有效避免核辐照后材料出现脆化等问题奠定了基础，并最终顺利打印出了ACP100压力容器3D打印试件。

采用传统制造工艺制造反应堆压力容器需要通过万吨级重型锻压设备分段制造，然后再焊接在一起。中国核动力研究设计院与南方增材使用大型电熔3D打印技术，可精确地实现结构复杂的大型金属构件一体成型，为核电装备的高质量、高效率、低成本制造开辟了一条新的道路。经过技术鉴定，这个3D打印试件的产品性能可达到甚至部分优于锻件产品。

中国中核北方核燃料元件的3D打印
核燃料元件制造是集设计与加工于一体的高端精密制造，结构复杂，需多种工序交叉作业加工才能完成 。

中核北方核燃料元件有限公司（二〇二厂）使用选择性激光熔化3D打印技术制造了CAP1400自主化燃料原型组件下管座。

图片来源：二〇二厂

由西安铂力特BLT-S300打印

BLT-S300采用选择性激光熔化（SLM）技术，通过逐层熔化金属粉末的制造方式，完成传统机械加工无法制造的复杂金属结构零件，制备的成形产品拥有致密性好、尺寸精度高的特点。同时金属3D打印快速制造的技术特点，能够缩减产品开发周期，降低设计与制造成本，快速、高性能的实现核燃料元件开发与制备。

参考专利：
基于三维扫描和3D打印的屏蔽材料制造方法及其系统
Pressure Vessels, Design and Method of Manufacturing Using Additive Printing


来源：3d科学谷
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解读——3D打印进军核行业
我国首个核反应堆压力容器3D打印试件面世