核反应堆的3D打印以娱乐和浓缩

在最近的几十年中，增材制造（也称为3D打印）在制造中变得越来越普遍。首先，它们非常适合于对新产品进行原型制作-在开发和测试之间花费很少的时间。但是，它们越来越多地用于生产各种产品，从小批量的商品到定制的机壳，甚至是火箭发动机组件。



添加剂技术的明显优势在于，它们使用非特定设备和常规材料作为资源，不需要像注塑成型那样昂贵的形式，也不需要在铣床和类似机器上进行漫长而浪费的加工过程。减少了所有生产工作，只需将3D模型和一种或多种输入材料输入打印设备的输入端-该设备就可以将3D模型转变为几乎没有浪费的物理对象。



核工业并未忽视这些优势。结果，在3D打印机上制造了各种组件-从支持现有反应堆运行的组件到帮助处理乏燃料甚至整个核反应堆的工具。

这不是您通常的熔融沉积建模

任何使用与PLA，ABS或对紫外线敏感的SLA树脂一起使用的3D打印机的人都可以证明，用这种方法生产产品的成本难以匹敌。从制造发动机的损坏齿轮到用于新印刷电路板的特殊情况的所有内容的制造过程，将比传统的制造过程更快，更便宜-当涉及到少量复制时。





相对论空间印制了Aeon Engine



因此，从NASA到该领域的初创企业，航空航天行业对使用增材制造技术进行原型制作和生产本身抱有热情的态度。理想情况下，火箭发动机及其无数的组件（包括涡轮泵和气门）都是3D打印的。每个原型引擎都不同于以前的原型引擎，并且它们的总生产能力为数百年-就像SpaceX Falcon 9火箭的Merlin 1D引擎一样。初创企业，尤其是相对论空间（Relativity Space），表明使用加成技术将完全改变航天工业。



自然，在这里我们不是在谈论使用FDM技术制造的价值不超过2000美元的打印机（熔融沉积建模）PLA或ABS零件。甚至不是时尚的SLA打印机（激光立体平版印刷机），它要花费汽车。要打印铝甚至钛零件，您需要一台SLM打印机（选择性激光熔化），它也是直接激光金属熔化打印机。这是SLS（选择性激光烧结）打印机之后的又一个步骤，该打印机将材料（尼龙，金属，陶瓷或玻璃）粘合在一起，但不会熔化它们。



SLM就像SLA，只是打印原理相反。将新鲜的金属粉末添加到印刷零件的顶部，激光将其熔化并添加新的一层。一切都在装有惰性气体的密闭容器中进行，以防止氧化。您可以猜测，用于SLM的汽车已经像整个房子一样。



为了进行比较，All3DP网站上有一个标牌，上面列出了用各种金属打印时制造标准Benchy船形模型的成本。

核反应堆

添加剂技术的下一个自然步骤将是从火箭发动机的高温转向更安静的（尽管可能更具放射性）核反应堆环境。大规模生产核反应堆是有利可图的，然后可以实现规模经济。但是，例如在过去的几十年中，尽管在美国市场非常广阔之前，它实际上已经消失了。



当核工业的前巨人想重回赛场时-美国的AP1000反应堆和法国的EPR反应堆-事实证明，中国（拥有强大的核工业）建造了完全相同的核电站。在开发它们的国家计划建造和连接它们之前，有4座AP1000反应堆和2座EPR反应堆已经并网了很多年。具有讽刺意味的是，美国制造的AP1000中的冷却泵经常发生故障。



任何重大基础设施项目的问题都在于拥有正确的知识和供应链。当一个国家定期建造和维护核电站时，它将保留供应链和与之合作所需的专家。一个国家几十年来停止建造新的核电站时，供应链消失了，知识也流失了。当然，您可以重建整个生产并吸引人，但是考虑采用更有效的方法来生产此类设备是有意义的。



为了试图赶上加拿大等国家，俄罗斯[ 排名世界第一[根据在建核电厂的数量]和韩国，美国能源部指定了橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）的任务，即领导“转化挑战反应堆（TCR）”计划。该计划应“展示一种革命性的方法来部署新的核能系统。” 实际上，该项目的目标是3D打印尽可能多的微型反应器，以展示添加剂技术提供的可能性。

处理细节

ORNL与Argonne国家实验室（ANL）和爱达荷州国家实验室（INL）合作，致力于制造方面的这一根本性变化，以解决对核反应堆所用材料日益增长的需求所涉及的许多细节。与以常规方式制造的部件相比，存在关于材料的热变形和疲劳的问题。这些研究的一些结果在新工作中有所描述，可以提供对研究这种方法可行性的工作量的想法。



ANL已经发布了使用高速X射线成像在SLM打印过程中发现的发现，这使我们能够详细检查该过程。他们发现的主要问题之一涉及强制气流，该气流将较冷的材料吸入熔融物料中。结果，这些冷材料碎片导致成品中的缺陷。



在TCR项目事实清单上描述了微型反应器将必须使用TRISO（氮化铀）燃料颗粒，氢化钇中子减速剂以及3D打印的碳化硅和不锈钢芯。反应堆将用氦冷却，这是非常独特的，因为大多数现代反应堆都使用水，重水或钠进行冷却。



由于TCR计划还很年轻（于 2019年首次发布），因此很难评估其进度或了解对它的期望。为此，我们可以评估将添加技术集成到核工业过程中已经发生的情况。

核工业中添加剂技术的集成

到目前为止，相对简单的组件已打印在用于核反应堆的3D打印机上。 2017年，西门子用 3D打印副本替换了斯洛文尼亚Krško核电站消防泵中的108毫米叶轮。自从1980年某个时候安装了泵以来，最初的泵制造商已经关闭。



西屋公司也在朝这个方向努力，最近在第一个拜伦核电模块上安装了3D打印离合器。该装置固定燃油杆当它们沉入反应堆时 安装它的主要动机之一是希望了解核反应堆的环境将如何影响3D打印机上打印的材料，以及与通常方式制成的组件是否会有差异。

总结一下

显然，3D打印在制造方面有前途。就核工业而言，它不仅为生产超过60年历史的反应堆提供了一种很好的方式，而超过一半的供应商已经关闭或改变了生产。与许多其他新的制造技术一起，它还为生产下一代核反应堆（无论是聚变反应堆还是衰变反应堆）提供了显着的新机会。



它具有许多明显的优势-加快新反应堆和概念原型的开发，确保反应堆在偏远地区和月球和火星上未来的殖民地中运行，而不必依赖复杂的供应链。成本问题不是最后的问题-用这种方法生产反应堆应该便宜得多，并且有可能使就地生产和组装反应堆成为可能。



对于无法使用SLM打印机的人们来说，所有这些显然都不是一件有趣的事-但谁知道，也许十年后，我们将在家中打印自己的火箭发动机和热核反应堆的组件。