美国正通过3D打印技术推动核能复兴，ORNL（橡树岭国家实验室）在这一过程中发挥了重要作用。通过创新的增材制造技术，ORNL正在帮助加速核能行业的研发与生产，包括为核反应堆设计和制造高性能部件。研究团队利用先进的3D打印技术，如激光粉末床熔融（LPBF）和金属线弧沉积（WAAM），为核能设备提供高效、低成本的解决方案。随着AI驱动的数据中心需求激增，美国的核能产能扩张势在必行，ORNL的技术将为核能行业未来发展奠定基础。
美国的核能正在重新崛起。橡树岭国家实验室（ORNL）制造示范设施（MDF）主任瑞安·德霍夫（Ryan Dehoff）认为，3D打印将在这一复兴过程中发挥至关重要的作用。
目前，美国几乎所有的核电都是通过1967年到1990年间建造的反应堆生产的。然而，退役的反应堆数量正超过新建反应堆的数量。1990年，运营中的反应堆数量达到了112个，但到2022年，这一数字已降至92个，过去28年里仅有三个大型反应堆投入使用。
然而，随着人工智能（AI）推动数据中心的快速建设，能源需求正在急剧上升。美国计划通过核能解决这一需求。能源部（DOE）正在努力到2026年底前建造三座新的试验反应堆，并计划于2028年启动其首座运营中的微型反应堆，作为扩大美国核能产出的使命的一部分。
作为美国能源部的主要能源实验室之一，橡树岭国家实验室（ORNL）正在引领着塑造美国核能发展的研究。该实验室最初作为曼哈顿计划的一部分建立，现在将增材制造（3D打印）视为这些努力的核心。
在最近与《3D Printing Industry》的对话中，德霍夫讨论了该实验室如何增强现场检测、克服认证挑战、加速核能供应链的努力。
除了领导MDF的运营，拥有16年ORNL经验的德霍夫还是能源部核能办公室增材制造技术（AMMT）项目的高级制造技术负责人。除了ORNL，AMMT项目还包括阿贡、洛斯阿拉莫斯、爱达荷和太平洋西北国家实验室的相关工作。
德霍夫解释了ORNL的双管齐下的策略，结合了反应堆内的测试和实验室基于AI的“Peregrine”软件。德霍夫的团队旨在为机器制造商和监管机构提供所需的数据，以认证3D打印金属在关键核系统中的应用。
ORNL利用激光粉末床熔融（LPBF）技术制造小巧精密的测试胶囊；使用电弧沉积技术制造大型核阀门和泵；采用粉末冶金热等静压（PM-HIP）技术生产多吨重的叶轮；以及使用大尺寸聚合物挤出技术进行建设。这些项目推动了降低成本、缩短时间和实现复杂几何形状的广泛努力。
德霍夫加入ORNL时是材料科学家，并于2009年开始工作，自2022年起领导MDF。他说：“我受过冶金学训练，几乎整个职业生涯都与先进制造技术相关。”
MDF成立于2012年，由能源部能源效率与可再生能源办公室的先进材料与制造技术办公室资助。位于ORNL位于田纳西州诺克斯维尔的校园，MDF在增材制造、复合材料、新型合金、陶瓷、机械加工、机床、融合制造、机器人、自动化与控制、智能制造和粉末冶金（PM-HIP）等领域领导着创新。
在3D打印方面，MDF与设备供应商、材料供应商和其他工业合作伙伴合作，解决制造认证难题，并推动该技术进入主流核能生产。
“六年前，我们开始真正得到核能领域的兴趣，利用这项技术快速行动，进行原型制作，并推进生产，”德霍夫解释道。“这是一项技术、插入和成熟的快速发展。”
ORNL的MDF拥有一系列增材制造技术，包括金属LPBF、电子束增材制造和聚合物挤出技术。AMMT利用这些技术来支持DOE推进核能科学与技术的努力，以满足国家的能源和经济需求。
该计划主要专注于金属粉末床熔融，利用MDF的LPBF系统探索如316H（316不锈钢的高碳版本）等材料。该计划在Renishaw、Concept Laser和EOS 3D打印机上进行性能测试。德霍夫表示，AMMT与其他国家实验室进行“轮回”研究，比较在不同地点相同机器的性能。
ORNL团队正在研究如何确保通过3D打印生产的材料“适用于服务，并能承受核环境中所需的条件。”他将ORNL的方法形容为“分级的”，从低安全性后果的部件开始，逐步过渡到更具挑战性的应用。
ORNL已经为运营中的核反应堆生产了3D打印部件。德霍夫指出，第一个是为田纳西河谷管理局（TVA）布朗费里核电站生产的一套燃料组件支架。这些支架与DOE和法国核反应堆公司Framatome合作开发，并于2021年成功安装，计划一直使用到2027年。
团队采用数字资格认证方法，结合3D打印机传感器数据和先进建模，预测部件在极端核条件下的表现。“这种理解让我们有信心这些部件能在反应堆中生存下来，”德霍夫说。一旦拆除，这些支架将接受辐照后检查（PIE），评估3D打印材料与传统制造部件在原子环境下的表现差异。
最近，ORNL还首次测试了3D打印的小兔子胶囊在核反应堆中的应用。小兔子胶囊是用于辐照实验的小型金属部件，内含在核反应过程中产生的裂变气体。在燃料和材料研究中，它们用于容纳正在辐照的实验材料。
ORNL使用LPBF技术3D打印了这些不锈钢胶囊。它们装载了实验材料并密封后，被放入ORNL的高通量同位素反应堆（High Flux Isotope Reactor）中，暴露了近一个月。在这一过程中，小兔子胶囊成功承受了反应堆高中子通量环境的要求。
德霍夫解释道：“这些胶囊的一种失效机制是，在加压时，壁面可能会弯曲并膨胀，最终导致胶囊卡在反应堆中。”通过3D打印，ORNL工程师设计了具有可控失效方式的独特几何形状，以避免此类问题。
这些设计还解锁了性能和成本效率。虽然德霍夫没有透露具体设计的性质，但他表示，这些形状是无法通过其他制造方法生产的。
增材制造也为大型金属部件提供了价值。除了LPBF，ORNL还与克利夫兰的林肯电气公司合作，使用定向能量沉积（DED）和金属线弧沉积（WAAM）系统进行研究。
德霍夫特别强调PM-HIP是ORNL正在推进的另一项技术。这一过程将高温和高压应用于封闭金属罐中的粉末，将其固结成完全致密的固体部件。德霍夫表示，一个关键挑战是确保金属罐在制造时完全精确，以防止最终部件变形。
“很多人都在尝试使用预测模型来预测变形变化，”德霍夫解释道。“这非常难做到，也限制了PM-HIP作为一种工艺的经济性。”
ORNL利用增材制造生产了一个六英尺叶轮的金属罐。这些金属罐填充了粉末，焊接封闭后，经过HIP过程。最终的结果是：“一个非常大的叶轮”，其中3D打印“大大降低了研发成本，从而获得最终几何形状”。
增材制造能否用来生产3D打印的核反应堆核心？这是ORNL在2020年通过DOE的变革性挑战反应堆（TCR）演示计划想要回答的问题。
当时，实验室宣布计划建造一座增材制造微型反应堆，计划在2023年投入使用。为了满足这一雄心勃勃的时间表，实验室利用金属3D打印、先进材料和集成传感器与控制技术来优化性能并降低成本。然而，自2020年宣布以来，TCR项目的更新相对较少。
当被问及这一项目时，德霍夫表示，ORNL研究人员已经设计并建造了反应堆核心的模型，但未能获得测试所需的燃料。该项目后来被并入AMMT计划，重点转向帮助核能行业降低增材制造材料和工艺的风险。
目标：大规模3D打印
ORNL的研究组件目前主要是小批量生产。然而，德霍夫指出，核能技术公司西屋（Westinghouse）正在利用3D打印技术扩大核反应堆部件的生产规模。
例如，这家总部位于匹兹堡的公司已经使用金属增材制造技术为其VVER-440型核反应堆生产了超过1,000个燃料流动板。该公司表示，这是首批进入批量生产的与安全相关的3D打印组件。
西屋还开发了“首创”过滤底部喷嘴，用于提高核反应堆的碎片捕捉能力并延长燃料使用寿命。工程师在阿拉巴马州电力公司Joseph M. Farley核电站安装了四个带有3D打印喷嘴的测试组件，试验表明，这些部件在对抗碎片的能力上提高了30%。
德霍夫称西屋的工作是“为未来可能出现的技术设立了一个极好的先例”。他指出，该公司在将增材制造规模化方面取得了“巨大好处”。他还补充道：“未来，我认为我们将看到更多公司在这个领域获得更多好处。”
为增材制造设计材料
在我们的对话中，德霍夫强调，核能增材制造领域的关键机会之一是为3D打印专门设计材料。他解释道：“核反应堆内是地球上最具侵蚀性的环境之一，要使材料在其中正常工作始终是个挑战。”
德霍夫表示，3D打印行业中的许多人最初将传统制造中使用的材料应用于核能领域。但这些合金已经为特定的传统制造工艺进行了优化。德霍夫说道：“我们将化学成分拿来，直接用在3D打印机中，认为一切都会顺利。但我们没有那些相同的加工步骤，因此材料可能会有所变化。”
相较之下，专为增材制造优化的材料可能会展现出更好的性能。尽管核能领域的研究仍然有限，但专有的3D打印材料在其他高要求行业中取得了显著的性能提升。
例如，在航空航天领域，专为3D打印设计的高温铝合金展现出了性能提升。德霍夫认为，将类似的概念应用于核能制造可能会解锁更高性能的材料，但仍需进一步的研究。
ORNL的核材料研究主要集中在316H不锈钢上。这种材料在传统的熔炼、合金化和铸造过程中表现良好。然而，在增材制造中，它展现出了独特的微观结构行为，这是传统工艺中不存在的。
与之相比，通常在金属增材制造中使用的316L不锈钢形成的是一种可预测、均匀的“人字形”晶粒结构，而无论采用何种工艺参数。316H则会形成定向排列的晶粒，这种行为仍然难以理解。
这种定向排列，或称各向异性，会带来挑战，因为工程师通常希望材料在所有方向上都具有一致的微观结构特性。德霍夫的团队正在研究316H为什么会如此表现，并寻找如何处理它的方法，以生产可靠且高强度的部件。
ORNL的研究还涉及625镍合金，这种材料“可能在下一代核反应堆中发挥重要作用”。研究还考虑了各种其他耐火材料，表明ORNL在核能增材制造方面的材料研究非常广泛。
ORNL研究人员还使用电子束增材制造技术，成功3D打印了具有复杂几何形状的第一批无缺陷钨部件。研究在DOE的MDF实验室进行，该实验室得到能源部先进材料与制造技术办公室的资助，是一个全国性合作伙伴联盟，旨在创新、激发并推动美国制造业的转型。
构建数字化链条与AI软件
ORNL增材制造研究的另一个重点是数据收集与追溯性。德霍夫提到，ORNL开发了名为Peregrine的AI驱动软件工具。该工具利用相机和AI算法，在LPBF 3D打印过程中追踪每一层的打印情况。
该工具能够检测粉末分布不均、过热、飞溅、变形和孔隙等缺陷。一旦检测到错误，软件会立即向操作员发出警报，帮助他们调整设置，防止问题出现在最终的部件中。接着，软件会创建一个三维、色彩图的重建图，帮助可视化出现错误的部位。
此外，Peregrine还会收集机器数据，如氧气传感器和温度传感器的数据，并将这些数据与后期检测和建模数据整合在一起，形成一个全面的框架。
“从本质上讲，我们在为每一个制造的部件构建数字化链条，”德霍夫解释道。ORNL还利用模型预测、无损评估（NDE）数据和X射线计算机断层扫描技术。
“每次我制造一个部件，都会有大量的数据与之相关，”德霍夫补充道。“理论上，我可以将打印数据与预测性能的模型结合使用，帮助加速材料的资格认证。”
ORNL将所有这些信息整合到其数据工具中，能够追踪每个3D打印部件的整个生命周期。工具会记录从粉末来源、操作员处理情况到校准记录、热处理以及测试样本提取的所有数据。然后，工程师可以将这些数据输入机器学习模型，将制造条件与材料性能直接关联起来。
除了追溯性，ORNL还在开发预测能力，旨在增强核能部件的质量保证。通过将现场成像与X射线计算机断层扫描结合使用，团队能够在问题变得严重之前就发现潜在缺陷，从而减少对3D打印部件的全面检查需求。
根据德霍夫的说法，ORNL的数字化链条还可能使工程师能够模拟某一部件30年后的表现。“我们已经在这条道路上走得相当远，展示了如何做到这一点，”他说。
3D打印与核能的未来
德霍夫确信，ORNL的3D打印研究将在美国核能的未来中发挥关键作用。
随着能源需求的上升，对基础设施的扩展和新核电厂的建设需求也在增加。德霍夫认为，大规模聚合物3D打印技术的进步有助于解决建设挑战，同时保持低成本。
他强调了ORNL、凯罗斯动力（Kairos Power）和巴纳德建设公司（Barnard Construction）之间最近的合作，使用3D打印聚合物模具铸造混凝土反应堆结构。与木材或金属传统模具相比，3D打印模具能够提供更高的尺寸精度，且制作时间和成本更低。项目的初步结果表明，这种方法可能显著缩短反应堆建设时间，并支持模块化建设技术。
增材制造在核聚变领域也展现了潜力，核聚变是一种实验过程，将两个原子核结合释放大量能量。在核聚变过程中，氢同位素被加热到极高的温度，形成等离子体——一种在极高温度下，电子被从原子中剥离的物质状态。
由于这一过程会使材料遭受极端的热和辐射，聚变组件必须能够承受极度的热机械压力。尽管目前还处于实验阶段，增材制造提供了制造复杂、高性能部件的潜力，这些部件能够满足这些极端要求。
德霍夫指出，ORNL正在进行的一项研究涉及使用钨丝和等离子沉积修复托卡马克反应堆的内表面，该反应堆利用磁场加热等离子体并启动核聚变。这些实验专注于处理等离子体暴露的耐火金属，这些金属用传统方法加工非常困难。
他还看到，数据中心需求的增长与核能需求之间存在明显的联系。随着AI和大规模计算的扩展，对可靠、高容量能源来源的需求也在加速。例如，麦肯锡公司估计，到2030年，全球对数据中心容量的需求可能会年增长19%到20%，达到219吉瓦。
德霍夫认为，数据驱动行业的投资将成为催化剂，推动核能行业扩大产能，并更快部署反应堆。他认为，数据中心需求的激增可能为核能行业提供其长期所需的动力，推动国内增长。
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