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利用3D打印和人工智能改進核反應堆技術

魔猴君行業資訊 968天前

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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。

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。本期，大家一起來了解美國橡樹嶺國家實驗室如何利用3D打印和人工智能改進核反應堆技術。

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。

下一代核能設備制造

20 年來，美國和西歐只建造了一座核電站，各國要么完全淘汰該技術，要么委托項目正在經歷成本上升的挑戰。此外，從大規模基礎電力向間歇性可再生能源的轉變正在引發對未來核電相關性的質疑。

橡樹嶺國家實驗室正在進行的一項名為“轉型挑戰反應堆計劃”的研究項目旨在改變這一令人沮喪的事實。ORNL正在與材料、計算和制造科學以及 3D 打印、人工智能和大數據合作，以推進反應堆堆芯設計。

3D打印在核能發電方面的應用

橡樹嶺國家實驗室的轉型挑戰反應堆計劃希望通過部署 3D 打印和人工智能來設計和生產反應堆核心技術，將核能帶入 21 世紀。通過技術進步和最好的新材料來提供更好、更安全的核能系統，并且可以更快地部署。

這其中最令人擔憂的是核電的成本是如何飆升的，例如，英國的欣克利角 C 核電站預計耗資 220 億英鎊。

為了解決成本問題，橡樹嶺的研究人員正在改進他們的 3D 打印氣體管道到反應堆堆芯的設計，使用計劃中開發的 3D 打印方法，可以使用碳化硅進行打印，碳化硅是一種耐火材料，具有高溫和抗輻射性。

3D 打印使的開發人員能夠使用一些高性能材料實現高度復雜的設計，例如用于冷卻通道的設計，這在以前是不可能的。還可以使用新的材料，例如，使用碳化硅等材料，這樣可以顯著提高核心的性能和安全性。

數字制造與人工智能

此外，3D 打印有助于小體積和“混合”結構的構建。這意味著，研究人員可以將其他組件嵌入并結合到材料中，特別是傳感器。通過將傳感和傳感器整合并嵌入結構中，開發人員可以從系統中提取更多信息，例如設備運行監測。這使開發人員能夠從整個系統中獲取更多數據，這對于降低運營成本很重要，因為這創建了一個更可靠的系統，具有更好的監控信息，這意味著更多的流程可以實現自動化。

3D打印是數字化制造方式，由于能夠審查材料的制造方式以及它們是否符合性能標準，這還可以提高技術的資格和質量保證。認證通常需要很長時間，需要很多流程。通過正在小批量進行的3D 打印，研究人員可以在進行過程中收集信息，使用傳感和其他東西來收集許多不同參數的信息，研究人員正在收集“幾百 GB”的數據集，這些數據集與人工智能一起用于搜索關鍵性能參數。然后使用此信息來確定零件制造后是否符合必要的質量標準。

研究人員還計劃創建一個數字平臺，幫助更快地采用增材制造核能技術。研究人員正在嘗試一種適用于多學科項目的敏捷、迭代和動態方法。跟以往不同，這不是進行數月或數年的設計，而是進行數天或數周的設計，然后進行 3D 打印。然后，從原型中，開發人員可以測量屬性和性能參數，并將其直接反饋到設計中。

更快、更便宜

ORNL 正在領導轉型挑戰反應堆 (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的四個 3D 打印燃料組件支架目前在工廠處于常規運行條件下。

發揮結構一體化優勢

不僅僅是橡樹嶺國家實驗室，西屋電氣充分發揮了3D打印實現結構一體化的優勢，開發了3D打印的核動力燃料組件隔離柵。反應堆堆芯由大量細長的燃料組件組成，每個燃料組件包括多個包含易裂變材料的燃料棒，其反應以產生熱量。每個燃料組件的燃料棒由多個柵格保持成有組織的，間隔開的陣列，這些柵格沿著燃料組件的長度軸向間隔開，并附接到燃料組件的多個細長的控制桿導向套管。

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。

與現有的柵格設計相比，新的設計允許SiC型燃料棒的平滑插入，同時還帶來低壓降。增材制造技術使得間隔柵設計允許1）實施高度精細但完全集成的混合功能，從而增強熱和水力性能；2）最小化總壓降；3）提高整體網格強度以應對震動。