走向商業(yè)化！USNC采用粘結劑噴射3D打印核能反應堆陶瓷組件

魔猴君  行業(yè)資訊   1009天前

國際上USNC通過粘結劑噴射3D打印技術制造核能領域的包覆燃料的基體和(或)包覆層的燃料元件。USNC的商用放射性同位素加熱器可以集成到著陸器和漫游車等太空探索設備中，使它們能夠在傳統(tǒng)熱源失效的寒冷條件下生存。此功能對于防止設備和組件在 14 天的陰歷夜、月球永久陰影區(qū)域以及太陽能和化學電源效率低下或無法使用的其他地方凍結至關重要。

粘結劑噴射技術用于3D打印陶瓷材料的核反應材料存儲器© USNC

成就下一代核能反應堆

根據ACAM亞琛增材制造中心，3D打印-增材制造的發(fā)展趨勢朝向多維度的深化層面，面向量產應用，3D打印突破當前應用對經濟性要求的限制，向應用端深度延伸走向產業(yè)化的一條發(fā)展路徑是實現(xiàn)結構更加復雜的產品。

根據清華大學劉榮正副教授課題組在《科學通報》發(fā)表的評述文章“碳化物陶瓷材料在核反應堆領域應用現(xiàn)狀”，新一代核能系統(tǒng)要求所用的材料具備更好的力學性能、熱物理性能、抗輻照性能、耐蝕和抗熱震性等，碳化物陶瓷材料是重點研究對象。

陶瓷包括不同成分的組合，其中SiC-碳化硅陶瓷不僅具有優(yōu)良的常溫力學性能，如高的抗彎強度、優(yōu)良的抗氧化性、良好的耐腐蝕性、高的抗磨損以及低的摩擦系數(shù)，而且高溫力學性能(強度、抗蠕變性等)是已知陶瓷材料中最佳的。熱壓燒結、無壓燒結、熱等靜壓燒結的材料，其高溫強度可一直維持到1600℃，是陶瓷材料中高溫強度最好的材料?？寡趸砸彩撬蟹茄趸锾沾芍凶詈玫?。別名金剛砂。

討論了七種3D打印技術制造致密、結構先進的陶瓷部件，并揭示了七種技術中的一種技術：粘結劑噴射3D打印在陶瓷方面的應用現(xiàn)狀與前景。這一技術正在獲得商業(yè)化突破，其落腳點之一正是發(fā)揮了陶瓷耐高溫特性的核能反應堆陶瓷組件的3D打印。

 科研與商業(yè)化結合的核能組件研發(fā)與產業(yè)化

總部位于西雅圖的 Ultra Safe Nuclear Corporation (USNC) 已授權使用碳化硅等耐火材料為核反應堆 3D 打印組件的新方法。該方法由橡樹嶺國家實驗室開發(fā)，將粘結劑噴射 3D 打印技術與化學蒸汽滲透工藝相結合，能夠更有效地制造反應堆組件，并且更加復雜。通過許可該方法，USNC 希望推動其開發(fā)和部署核能發(fā)電設備的使命，這種設備不僅安全、使用簡單，而且具有商業(yè)競爭力。

USNC 已授權 ORNL 的新型粘結劑噴射3D打印增材制造方法生產復雜的核反應堆組件© ORNL

核能發(fā)電是用鈾制成的核燃料在“反應堆”的設備內發(fā)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(fā)生器內產生蒸汽，蒸汽推動汽輪機帶動發(fā)電機一起旋轉而發(fā)電，并通過電網輸送給消費者。核能發(fā)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(xiàn)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。

為了解決這個問題，ORNL 正在領導轉型挑戰(zhàn)反應堆 (TCR)，并得到美國能源部 (DoE) 計劃的支持，以探索在美國更快、更便宜的核能分配，以降低制造成本和交貨時間并改進安全。作為該計劃的一部分，ORNL 正在使用直接能量沉積 (DED) 3D 打印等技術建造核反應堆堆芯。2020 年，普渡大學在收到美國能源部 80萬美元的資助后，成為 TCR 計劃的主要貢獻者。因此，普渡大學正在開發(fā)一種人工智能 (AI) 模型，以確保反應堆堆芯 3D 打印組件的核級質量。

TCR 計劃還見證了 ORNL 開發(fā)了自己的新型 3D 打印技術，專門用于生產核反應堆部件。該工藝結合了粘結劑噴射和陶瓷生產工藝，以更有效地制造復雜形狀的組件。該方法還可以打印高溫合金和難熔金屬，這些合金和難熔金屬由于耐高溫和耐降解，對核反應堆部件的安全運行至關重要。自啟動 TCR 計劃以來，ORNL 的 3D 打印核反應堆組件已安裝在阿拉巴馬州田納西河谷管理局 (TVA) 的布朗斯費里核電站。與核燃料供應商法馬通合作開發(fā)的四個 3D 打印燃料組件支架目前在工廠處于常規(guī)運行條件下。

燃燒組件支架© ORNL/DoE

在通過粘結劑噴射3D打印技術制造核能反應堆陶瓷組件方面，根據新協(xié)議，USNC獲得ORNL 的 3D 打印方法的授權，并為其先進的反應堆設計開發(fā)和部署組件。該公司還計劃將其業(yè)務擴展到東田納西州，以更接近 ORNL 的專業(yè)知識，同時擴大用于核能和工業(yè)應用的特種組件的生產。

USNC 使用碳化硅制造其核反應堆核心部件，碳化硅是一種據報道已被證明可以耐受輻射的耐高溫陶瓷。然而，用碳化硅加工反應器部件非常耗時且昂貴。ORNL 的增材制造方法將使 USNC 能夠更有效地使用碳化硅制造組件，同時實現(xiàn)所需的復雜形狀。USNC 的新試點燃料制造工廠將位于位于橡樹嶺的田納西科技園，距離 ORNL 的主園區(qū)只有幾分鐘的路程。通過此舉，該公司旨在繼續(xù)與 ORNL 合作并支持 TCR 計劃。

靠近實驗室及其世界一流的科學家和設施，使得USNC能夠輕松獲得反應堆核心技術和增材制造方面的專業(yè)知識，以及最新的輻射、燃料和材料研究，所有這些都有益于 USNC帶來安全、 可靠的核能組件。

理想照進現(xiàn)實的粘結劑噴射3D打印復雜陶瓷結構

核電是我國能源供應體系的重要分支，也是新能源的重要組成部分。根據BP2021年報告，到2020年中國核能發(fā)電量達到366.2 TWh，占全球總量的13.6%。2020年中國居世界第二位，僅次于美國30.8%。但是中國運行、在建和擬建反應堆數(shù)將超過美國。目前，我國核電行業(yè)-核電站運營企業(yè)的數(shù)量不多，因存在嚴格的行政準入門檻、資金門檻和技術門檻等，主要公司包括：中國廣核、中國核電、國家電投大唐發(fā)電等，中國已有自己的核能反應堆研發(fā)能力。

根據清華大學劉榮正副教授課題組在《科學通報》發(fā)表的評述文章“碳化物陶瓷材料在核反應堆領域應用現(xiàn)狀”，SiC-碳化硅材料的共價鍵極強，在高溫下仍能保持較高的鍵合強度，化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好，高溫變形小，熱膨脹系數(shù)低，非常適合用于高溫環(huán)境中。SiC在核能系統(tǒng)中應用非常廣泛，主要有四方面的應用：一是作為包覆燃料顆粒的包覆層。二是發(fā)展SiCf/SiC復合包殼，代替鋯合金包殼使用。三是在氣冷快堆中用作基體材料。四是在熔鹽堆中作為結構材料使用。目前對SiC抗氧化性能提升的研究也在積極開展。

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(fā)不同類型3D打印技術在核能領域的應用對中國核能的發(fā)展將變得越發(fā)重要。

粘結劑噴射技術的3D打印過程是通過噴射液體粘結劑將粉末選擇性地粘合在薄層中，一層一層的重復粘合過程。分辨率受粉末尺寸或粘結劑液滴尺寸的限制，具體取決于哪個較大。通過使用小于 50 μm 的噴嘴孔口，可以實現(xiàn)粘結劑噴射技術的出色尺寸精度。粘結劑流變學和噴嘴幾何形狀在控制液滴大小方面起著重要作用。

粘結劑噴射技術制造碳化硅陶瓷的最近發(fā)展是使用具有單峰和雙峰粒度分布的 SiC 原料粉末3D打印預制件。在惰性氣氛中，在高于 1410°C 的溫度下用熔融硅滲透打印的預制件，以形成 SiC-Si 復合材料。所有打印和試樣的密度、彈性模量、彎曲強度和斷裂韌性都隨著 SiC 的體積分數(shù)而增加。使用雙峰原料粉末制造的試樣在所有測試的體積分數(shù) SiC 下都具有更高的密度、彈性模量、彎曲強度和斷裂韌性。與傳統(tǒng)成型相比，通過粘結劑噴射然后后處理形成的樣品具有相當?shù)拿芏?、彈性模量和彎曲強度，但較低斷裂韌性。

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