如果說發動機是飛機的“心臟”，那么核反應堆堪稱為核電站的“心臟”了。與航空工業發生的3D打印產業化進展類似，3D打印正在開發中永久性地改變核能技術的過程中，3D打印和先進的制造技術可能徹底改變核能工業，以小型堆推動能源系統的低碳轉型。
3D打印技術在核能領域的應用具有顯著的優勢，包括能夠快速生產復雜的部件，提高耐用性和精度，這些都是維持核電站安全和可靠性標準的重要因素。隨著全球對更清潔、更可持續的能源解決方案的興趣與日俱增，3D打印技術在核領域的應用也獲得了長足的發展。西屋電氣的增材制造技術提高了核反應堆運行的安全性，近日，西屋電氣宣布該公司通過使用增材制造燃料組件底部噴嘴，將底部噴嘴抗碎片能力從65%提高到96%。
西屋電氣3D打印將底部噴嘴抗碎片能力從65%提高到96%
3D打印在核能發電領域的應用
1、更安全
據觀察，核能發電燃料組件的制造是一個復雜的過程，涉及到多個方面的技術挑戰：
材料選擇：核燃料組件的材料需要具有極高的耐腐蝕性和耐高溫性能，以承受反應堆中的惡劣環境。選擇合適的材料并確保其性能滿足要求是一個挑戰。
精密加工：燃料組件的制造需要精密的加工技術，以確保組件的尺寸和形狀符合設計要求。底部噴嘴作為組件的一部分，其精度直接影響到整個燃料組件的性能和安全性。
質量控制：在制造過程中，必須進行嚴格的質量控制，以確保每個部件都符合核安全標準。這包括對噴嘴等關鍵部件的檢測和驗證。
由于3D打印技術可以成就復雜的產品形狀并制造更加特殊的材料，研究和開發不同類型3D打印技術在核能領域的應用對下一代核能的發展變得越發重要。
西屋電氣有限責任公司已使用增材制造技術制造底部噴嘴，以提高核燃料組件內的碎片捕獲能力和燃料耐久性。據報道，這些噴嘴是核工業的首創，它們被集成到四個鉛測試組件中，這些組件于 2024 年第一季度交付給阿拉巴馬電力公司的 Joseph M Farley 核電站，該核電站由南方核電公司運營。
燃料棒包層上的碎片磨損作用（稱為碎片微動）是壓水反應堆 (PWR) 燃料組件泄漏的主要來源。增材制造技術通過增強的設計自由度顯著改善了碎片過濾，從而減少了可進入反應堆的碎片直徑。
西屋電氣通過增材制造實現的這項針對壓水反應堆重大技術創新減輕了燃料棒因碎片堆積而泄漏的風險，增強了客戶運營的安全性和效率。
2、更可持續
據了解，核能發電是用鈾制成的核燃料在“反應堆”的設備內發生裂變而產生大量熱能，再用處于高壓力下的水把熱能帶出，在蒸汽發生器內產生蒸汽，蒸汽推動汽輪機帶動發電機一起旋轉而發電，并通過電網輸送給消費者。核能發電是解決2050年全球達到二氧化碳排放為零的重要支柱，然而，在未來 30 年內，許多現有的核反應堆可能會退役，因為它們基于 70 年歷史的輕水技術。
西屋電氣正在獲得一系列的技術突破。通過引入增材制造技術-3D打印技術，可以在不進行進一步組裝或焊接過程的情況下打印西屋電氣開發的隔離柵。西屋電氣設計的間隔柵具有沿著細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域中，連接至燃料桿支撐單元的外部。
2015 年，西屋電氣進行了首次增材制造核部件的材料輻照研究之一。2020 年，西屋公司在一個正在運行的商業反應堆中安裝了其首個安全相關的 AM 組件——頂針封堵裝置，這一成就突顯了3D打印技術在核工業等嚴格監管環境中部署經過認證的組件的可行性。2024 年，西屋電氣成功生產了第1000塊用于VVER-440燃料組件的3D打印燃料流板，這標志著該公司在增材制造技術方面取得了又一重大進展。這些3D打印的燃料流板對VVER-440反應堆的運行至關重要，并且已經成功集成到組件中，顯著提高了整體性能。
總之，通過西屋電氣的案例可以看出由于3D打印技術可以成就復雜的產品形狀并制造更加特殊的材料，研究和開發不同類型3D打印技術在核能領域的應用對下一代核能的發展變得越發重要。
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