3D打印技術(shù)在先進(jìn)核能中的應(yīng)用前景
時(shí)間：2023-03-28 14:06 來(lái)源：四川省增材制造技術(shù)協(xié)會(huì) 作者：admin 閱讀：次
近年來(lái)，增材制造在能源領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，現(xiàn)在它也被廣泛應(yīng)用于核領(lǐng)域；在當(dāng)前核電行業(yè)日益受到重視的情況下，世界核工業(yè)協(xié)會(huì)相關(guān)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2019
年，核電行業(yè)在 33 個(gè)國(guó)家擁有 438
個(gè)可運(yùn)行反應(yīng)堆，是世界第二大低碳電力來(lái)源。現(xiàn)在，核電領(lǐng)域積極探索包括增材制造在內(nèi)的新技術(shù)。核能領(lǐng)域?qū)π虏牧稀⑿鹿に囈蟾摺⒏鼮橹?jǐn)慎。隨著增材制造技術(shù)的日益成熟，近年來(lái)增材制造技術(shù)在先進(jìn)核能領(lǐng)域的研究和應(yīng)用越來(lái)越廣泛。
60年來(lái)，幾代核工業(yè)人艱苦創(chuàng)業(yè)、開(kāi)拓創(chuàng)新，推動(dòng)我國(guó)核工業(yè)從無(wú)到有、從小到大，取得了世人矚目的成就，為國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)建設(shè)作出了突出貢獻(xiàn)。核工業(yè)是高科技戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，是國(guó)家安全的基石。要堅(jiān)持安全發(fā)展、創(chuàng)新發(fā)展，堅(jiān)持 和平利用核能，全面提升核工業(yè)的核心竟?fàn)幜Γm(xù)寫(xiě)我國(guó)核工業(yè)新的輝煌篇章；并在二十大提出，要大力發(fā)展先進(jìn)核能技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，并確保安全、自主、可控。
本期訪(fǎng)談的專(zhuān)家是來(lái)自四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所的唐軍教授。
專(zhuān)家介紹
唐軍教授
四川省增材制造技術(shù)協(xié)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)
博士，博士生導(dǎo)師，四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所、物理學(xué)院教授，教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才，四川省學(xué)術(shù)與技術(shù)帶頭人，四川省增材制造技術(shù)協(xié)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)。先后負(fù)責(zé)科技部國(guó)際熱核聚變堆（ITER）人才課題、國(guó)家自然科學(xué)基金、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才、四川省重點(diǎn)研發(fā)等各類(lèi)基金項(xiàng)目，主要從事核材料、熱電材料與器件的增材制造研究工作。
訪(fǎng)談時(shí)間：2023年3月10日
訪(fǎng)談主題：3D打印技術(shù)在先進(jìn)核能中的應(yīng)用前景
訪(fǎng)談地點(diǎn)：四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所
訪(fǎng)談內(nèi)容
唐軍教授你好，本期增材訪(fǎng)談想請(qǐng)你就增材制造技術(shù)圍繞我國(guó)核工業(yè)相關(guān)領(lǐng)域，談?wù)勀愕目捶ǎ⒔o出建議，謝謝！
唐軍教授：好的，增材制造技術(shù)在航天、航空、生物醫(yī)療及高端制造等領(lǐng)域的應(yīng)用經(jīng)歷了較長(zhǎng)的時(shí)間的積累，已經(jīng)有較好較成熟的技術(shù)示范；相較國(guó)外的情況來(lái)看，增材制造技術(shù)在核工業(yè)應(yīng)用這塊大家的起步時(shí)間都差不多，這也給我們國(guó)家在核學(xué)科建設(shè)發(fā)展和基礎(chǔ)應(yīng)用方面研究贏(yíng)得了寶貴的時(shí)間，我們先看看國(guó)外以下幾個(gè)方面的應(yīng)用及我們所開(kāi)展的部分，就能知道我們現(xiàn)在處在什么樣一個(gè)發(fā)展階段。
ORNL開(kāi)發(fā)微型反應(yīng)堆：美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL) 2019年?duì)款^啟動(dòng)“轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)反應(yīng)堆”(The Transformational Challenge Reactor Demonstration Program，TCR)建設(shè)計(jì)劃。TCR通過(guò)3D打印制造具有雙壁包層和冷卻通道的燃料元件，其中包含高表面積和螺旋形導(dǎo)向裝置。
法國(guó)核公司 Framatome 的 3D 打印：法國(guó)跨國(guó)公司Framatome宣布已開(kāi)發(fā)出一種 3D激光打印不銹鋼燃料組件。該部件是一個(gè)頂端網(wǎng)格，用于固定燃料棒，金屬管中堆放著圓柱形燒結(jié)二氧化鈾顆粒。它還用于防止大塊碎片進(jìn)入燃料組件。
Purdue（普渡）大學(xué)的 3D 打印微反應(yīng)器：印第安納州普渡大學(xué)（美國(guó)）已獲得美國(guó)能源部80 萬(wàn)美元的資助，用于參與 3D 打印微反應(yīng)器的創(chuàng)建。Purdue 團(tuán)隊(duì)的任務(wù)是開(kāi)發(fā)人工智能技術(shù)，以確保增材制造的核反應(yīng)堆部件的質(zhì)量。增材制造和人工智能技術(shù)的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)更豐富、成本效益更高的核部件鑒定過(guò)程。
BWX Technologies 與 ORNL 合作：BWX Technologies 和橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (ORNL) 正在研究用于制造核組件的金屬 3D 打印技術(shù)。為了為核反應(yīng)堆提供動(dòng)力，它們的目標(biāo)是使用基于鎳和難熔金屬的高溫合金生產(chǎn)零件。BWX Technologies 會(huì)使用電子束熔化系統(tǒng)來(lái) 3D 打印零件，可將組件的耐溫能力提高到高達(dá) 1,482°C，并使整個(gè)工廠(chǎng)的效率提高約 50%，而且還可以加快組件原型制作階段。
2018年初，3D打印技術(shù)首次用于大亞灣核電站，實(shí)現(xiàn)大型鑄鍛件的進(jìn)口替代：以制冷機(jī)端蓋制造過(guò)程為例，傳統(tǒng)的鑄造工藝開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，開(kāi)模費(fèi)用高，且產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度、沖擊韌性較差，且制造周期長(zhǎng)，材料利用率較低。電熔增材制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)一體化凈成形、制造周期僅需一周，材料利用率高，產(chǎn)品完整度高，各方面性能與鍛件相當(dāng)且綜合性能遠(yuǎn)優(yōu)于鑄件。
2023年3月，由核動(dòng)力院牽頭，聯(lián)合四川大學(xué)、東方電氣研究院共同設(shè)立核能增材制造四川省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，并由核動(dòng)力院牽頭申請(qǐng)?jiān)O(shè)立中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟核能工作組，積極推動(dòng)增材制造在核能領(lǐng)域的發(fā)展及應(yīng)用。
由于3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的產(chǎn)品形狀，制造更特殊的材料，研究和開(kāi)發(fā)不同類(lèi)型的3D打印技術(shù)在核能領(lǐng)域的應(yīng)用對(duì)下一代核能的發(fā)展越來(lái)越重要。國(guó)內(nèi)外針對(duì)核燃料組件、乏燃料存儲(chǔ)架、反應(yīng)堆陶瓷組件、反應(yīng)堆組件、頂針堵漏裝置等已經(jīng)開(kāi)展了大量的3D打印技術(shù)應(yīng)用研究。為推動(dòng)增材制造技術(shù)在先進(jìn)核能領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用，需要打印設(shè)備、軟件控制、三維仿真、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料開(kāi)發(fā)、工藝調(diào)控、應(yīng)用評(píng)價(jià)等各要素通力協(xié)作。
建議四川省增材制造技術(shù)協(xié)會(huì)發(fā)揮好橋梁紐帶作用，充分利用四川“核大省”的先發(fā)優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)核能領(lǐng)域增材制造技術(shù)產(chǎn)學(xué)研聯(lián)動(dòng)，為促進(jìn)四川向“核強(qiáng)省”邁進(jìn)做出更大的貢獻(xiàn)。
四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所
四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所(也稱(chēng)成都720所)的前身為國(guó)家計(jì)委1972年立項(xiàng)的"七二0工程"，并于1980年經(jīng)教育部和原二機(jī)部共同批準(zhǔn)成立的主要從事核科學(xué)與技術(shù)研究與高層次人才培養(yǎng)的專(zhuān)職研究所。研究所的第一任名譽(yù)所長(zhǎng)是我國(guó)著名科學(xué)家王淦昌先生，現(xiàn)任名譽(yù)所長(zhǎng)是原國(guó)家自然科學(xué)基金委副主任王乃彥院士。
四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所在科學(xué)研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)、學(xué)科建設(shè)和人才培養(yǎng)等方面取得了顯著成績(jī)，形成了具有特色的5個(gè)研究方向:1)輻射物理與醫(yī)學(xué)物理，2)團(tuán)簇及固體中原子碰撞物理，3)材料的輻射改性技術(shù)，4)同位素及輻射生物技術(shù)，5)核監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制技術(shù)。在這些研究領(lǐng)域中，近年來(lái)取得了一批研究成果和應(yīng)用成果，包括:帶電粒子輸運(yùn)理論及其在聚變堆中的粒子表面相互作用等方面的應(yīng)用、基于加速器的原子碰撞及團(tuán)簇物理和超短超強(qiáng)激光-團(tuán)簇相互作用研究、電子原子碰撞內(nèi)殼層電離截面實(shí)驗(yàn)研究、儲(chǔ)氫材料中氦原子團(tuán)簇行為的實(shí)驗(yàn)和理論研究、放射治療中涉及的最優(yōu)化問(wèn)題的研究、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三維調(diào)強(qiáng)放射治療計(jì)劃系統(tǒng)及多葉光柵的研制、加速器放射性同位素的研制及生產(chǎn)、核素的靶向治療與顯像研究、核材料/熱電轉(zhuǎn)換器件增材制造研究等。
60年來(lái)，幾代核工業(yè)人艱苦創(chuàng)業(yè)、開(kāi)拓創(chuàng)新，推動(dòng)我國(guó)核工業(yè)從無(wú)到有、從小到大，取得了世人矚目的成就，為國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)建設(shè)作出了突出貢獻(xiàn)。核工業(yè)是高科技戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，是國(guó)家安全的基石。要堅(jiān)持安全發(fā)展、創(chuàng)新發(fā)展，堅(jiān)持 和平利用核能，全面提升核工業(yè)的核心竟?fàn)幜Γm(xù)寫(xiě)我國(guó)核工業(yè)新的輝煌篇章；并在二十大提出，要大力發(fā)展先進(jìn)核能技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，并確保安全、自主、可控。
本期訪(fǎng)談的專(zhuān)家是來(lái)自四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所的唐軍教授。
專(zhuān)家介紹
唐軍教授
四川省增材制造技術(shù)協(xié)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)
博士，博士生導(dǎo)師，四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所、物理學(xué)院教授，教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才，四川省學(xué)術(shù)與技術(shù)帶頭人，四川省增材制造技術(shù)協(xié)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)。先后負(fù)責(zé)科技部國(guó)際熱核聚變堆（ITER）人才課題、國(guó)家自然科學(xué)基金、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才、四川省重點(diǎn)研發(fā)等各類(lèi)基金項(xiàng)目，主要從事核材料、熱電材料與器件的增材制造研究工作。
訪(fǎng)談時(shí)間：2023年3月10日
訪(fǎng)談主題：3D打印技術(shù)在先進(jìn)核能中的應(yīng)用前景
訪(fǎng)談地點(diǎn)：四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所
訪(fǎng)談內(nèi)容
唐軍教授你好，本期增材訪(fǎng)談想請(qǐng)你就增材制造技術(shù)圍繞我國(guó)核工業(yè)相關(guān)領(lǐng)域，談?wù)勀愕目捶ǎ⒔o出建議，謝謝！
唐軍教授：好的，增材制造技術(shù)在航天、航空、生物醫(yī)療及高端制造等領(lǐng)域的應(yīng)用經(jīng)歷了較長(zhǎng)的時(shí)間的積累，已經(jīng)有較好較成熟的技術(shù)示范；相較國(guó)外的情況來(lái)看，增材制造技術(shù)在核工業(yè)應(yīng)用這塊大家的起步時(shí)間都差不多，這也給我們國(guó)家在核學(xué)科建設(shè)發(fā)展和基礎(chǔ)應(yīng)用方面研究贏(yíng)得了寶貴的時(shí)間，我們先看看國(guó)外以下幾個(gè)方面的應(yīng)用及我們所開(kāi)展的部分，就能知道我們現(xiàn)在處在什么樣一個(gè)發(fā)展階段。
ORNL開(kāi)發(fā)微型反應(yīng)堆：美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL) 2019年?duì)款^啟動(dòng)“轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)反應(yīng)堆”(The Transformational Challenge Reactor Demonstration Program，TCR)建設(shè)計(jì)劃。TCR通過(guò)3D打印制造具有雙壁包層和冷卻通道的燃料元件，其中包含高表面積和螺旋形導(dǎo)向裝置。
法國(guó)核公司 Framatome 的 3D 打印：法國(guó)跨國(guó)公司Framatome宣布已開(kāi)發(fā)出一種 3D激光打印不銹鋼燃料組件。該部件是一個(gè)頂端網(wǎng)格，用于固定燃料棒，金屬管中堆放著圓柱形燒結(jié)二氧化鈾顆粒。它還用于防止大塊碎片進(jìn)入燃料組件。
Purdue（普渡）大學(xué)的 3D 打印微反應(yīng)器：印第安納州普渡大學(xué)（美國(guó)）已獲得美國(guó)能源部80 萬(wàn)美元的資助，用于參與 3D 打印微反應(yīng)器的創(chuàng)建。Purdue 團(tuán)隊(duì)的任務(wù)是開(kāi)發(fā)人工智能技術(shù)，以確保增材制造的核反應(yīng)堆部件的質(zhì)量。增材制造和人工智能技術(shù)的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)更豐富、成本效益更高的核部件鑒定過(guò)程。
BWX Technologies 與 ORNL 合作：BWX Technologies 和橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (ORNL) 正在研究用于制造核組件的金屬 3D 打印技術(shù)。為了為核反應(yīng)堆提供動(dòng)力，它們的目標(biāo)是使用基于鎳和難熔金屬的高溫合金生產(chǎn)零件。BWX Technologies 會(huì)使用電子束熔化系統(tǒng)來(lái) 3D 打印零件，可將組件的耐溫能力提高到高達(dá) 1,482°C，并使整個(gè)工廠(chǎng)的效率提高約 50%，而且還可以加快組件原型制作階段。
2018年初，3D打印技術(shù)首次用于大亞灣核電站，實(shí)現(xiàn)大型鑄鍛件的進(jìn)口替代：以制冷機(jī)端蓋制造過(guò)程為例，傳統(tǒng)的鑄造工藝開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，開(kāi)模費(fèi)用高，且產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度、沖擊韌性較差，且制造周期長(zhǎng)，材料利用率較低。電熔增材制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)一體化凈成形、制造周期僅需一周，材料利用率高，產(chǎn)品完整度高，各方面性能與鍛件相當(dāng)且綜合性能遠(yuǎn)優(yōu)于鑄件。
2023年3月，由核動(dòng)力院牽頭，聯(lián)合四川大學(xué)、東方電氣研究院共同設(shè)立核能增材制造四川省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，并由核動(dòng)力院牽頭申請(qǐng)?jiān)O(shè)立中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟核能工作組，積極推動(dòng)增材制造在核能領(lǐng)域的發(fā)展及應(yīng)用。
由于3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的產(chǎn)品形狀，制造更特殊的材料，研究和開(kāi)發(fā)不同類(lèi)型的3D打印技術(shù)在核能領(lǐng)域的應(yīng)用對(duì)下一代核能的發(fā)展越來(lái)越重要。國(guó)內(nèi)外針對(duì)核燃料組件、乏燃料存儲(chǔ)架、反應(yīng)堆陶瓷組件、反應(yīng)堆組件、頂針堵漏裝置等已經(jīng)開(kāi)展了大量的3D打印技術(shù)應(yīng)用研究。為推動(dòng)增材制造技術(shù)在先進(jìn)核能領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用，需要打印設(shè)備、軟件控制、三維仿真、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料開(kāi)發(fā)、工藝調(diào)控、應(yīng)用評(píng)價(jià)等各要素通力協(xié)作。
建議四川省增材制造技術(shù)協(xié)會(huì)發(fā)揮好橋梁紐帶作用，充分利用四川“核大省”的先發(fā)優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)核能領(lǐng)域增材制造技術(shù)產(chǎn)學(xué)研聯(lián)動(dòng)，為促進(jìn)四川向“核強(qiáng)省”邁進(jìn)做出更大的貢獻(xiàn)。
四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所
四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所(也稱(chēng)成都720所)的前身為國(guó)家計(jì)委1972年立項(xiàng)的"七二0工程"，并于1980年經(jīng)教育部和原二機(jī)部共同批準(zhǔn)成立的主要從事核科學(xué)與技術(shù)研究與高層次人才培養(yǎng)的專(zhuān)職研究所。研究所的第一任名譽(yù)所長(zhǎng)是我國(guó)著名科學(xué)家王淦昌先生，現(xiàn)任名譽(yù)所長(zhǎng)是原國(guó)家自然科學(xué)基金委副主任王乃彥院士。
四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所在科學(xué)研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)、學(xué)科建設(shè)和人才培養(yǎng)等方面取得了顯著成績(jī)，形成了具有特色的5個(gè)研究方向:1)輻射物理與醫(yī)學(xué)物理，2)團(tuán)簇及固體中原子碰撞物理，3)材料的輻射改性技術(shù)，4)同位素及輻射生物技術(shù)，5)核監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制技術(shù)。在這些研究領(lǐng)域中，近年來(lái)取得了一批研究成果和應(yīng)用成果，包括:帶電粒子輸運(yùn)理論及其在聚變堆中的粒子表面相互作用等方面的應(yīng)用、基于加速器的原子碰撞及團(tuán)簇物理和超短超強(qiáng)激光-團(tuán)簇相互作用研究、電子原子碰撞內(nèi)殼層電離截面實(shí)驗(yàn)研究、儲(chǔ)氫材料中氦原子團(tuán)簇行為的實(shí)驗(yàn)和理論研究、放射治療中涉及的最優(yōu)化問(wèn)題的研究、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三維調(diào)強(qiáng)放射治療計(jì)劃系統(tǒng)及多葉光柵的研制、加速器放射性同位素的研制及生產(chǎn)、核素的靶向治療與顯像研究、核材料/熱電轉(zhuǎn)換器件增材制造研究等。
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