橡树岭国家实验室（ORNL）正利用大型3D打印（增材制造）技术推动核能建设革新，通过碳纤维增强材料打印模块化模板，将核反应堆结构施工周期从数月缩短至数周。该技术已应用于Kairos Power熔盐反应堆项目，实现复杂几何结构制造与成本优化。同时，结合材料研发、传感监测与AI数据优化，ORNL正构建可复制的核电建造流程，助力美国核能复兴与新一代反应堆加速落地。
随着 AMA：Energy 2026 临近，3D Printing Industry 正在深入探讨增材制造在能源领域中的作用。
核电建设长期以来一直缓慢、昂贵且对变革具有抵触性，这种组合在数十年间限制了该行业的发展。美国规模最大的多项目科学与技术实验室——橡树岭国家实验室（ORNL）正致力于改变这一局面的一部分，通过将大型格式增材制造应用于反应堆结构组件的制造，将施工周期从数月缩短至数周，同时实现传统模板工艺无法制造的复杂几何结构。
该项目由 ORNL 制造示范设施（Manufacturing Demonstration Facility）复合材料创新组负责人 Ahmed Arabi Hassan 领导。随着美国首座熔盐反应堆在橡树岭历史悠久的 K-25 场址启动建设，该项目已从技术验证阶段迈入实际部署阶段。
实验室与规模化难题
ORNL 是美国能源部科学办公室下属最大的国家实验室，预算达 26 亿美元，员工超过 7000 人。其历史包括开发世界上第一座持续运行的核反应堆，如今其能力涵盖全球最强的中子源之一，以及占地 11 万平方英尺的制造示范设施，在这里 Hassan 的团队将增材制造、传统复合材料加工、机械加工以及粉床工艺进行整合。
在对制造示范设施主任 Ryan Dehoff 的采访中，该实验室进入核能增材制造领域被描述为一次快速演进。“大约六年前，我们开始真正收到来自核能领域对该技术的兴趣，并迅速推进，进行试验、原型开发并走向生产，”他说，“这是技术导入与成熟的一个非常快速的发展过程。”
ORNL 的所有能力都以用户设施的形式运行，可通过合作协议向工业界、大学以及其他国家实验室开放。“这种结构旨在解决先进制造的‘死亡之谷’，即中试规模阶段——在这一阶段私人投资稀缺，而有前景的技术往往会停滞不前，”Hassan 解释道。
Dehoff 指出，一个贯穿始终的关键挑战在于该行业在采用增材制造时的出发点存在偏差。“我们先拿传统材料配方，然后直接放进 3D 打印机，认为一切都会顺利，”他说，“但我们并没有相同的加工步骤，因此材料会出现差异。”为铸造或锻造优化的传统合金在增材制造条件下表现不同，而 ORNL 针对 316H 不锈钢和镍基合金的材料研究，正致力于弥合这一差距，通过为增材工艺专门设计材料，而非从传统材料进行改造。
该团队方法的核心是融合制造（convergence manufacturing）：将增材制造、减材加工与成形工艺整合为统一的生产流程，并通过持续的数字主线将传感、仿真与数据驱动优化连接起来。这种整合使功能复杂性与尺寸性能达到单一工艺无法实现的水平。
该团队在规模化方面的经验体现了这一模式的价值。早期的大尺寸打印试验因热膨胀导致严重翘曲。通过在热塑性基体中加入短切碳纤维，复合材料得以稳定，使产能从每小时 40 磅提升至 100 磅。
为 Kairos Power 熔盐反应堆打印基础设施
Kairos Power 正在橡树岭历史悠久的 K-25 场址建设 Hermes 测试反应堆，这是美国首个此类熔盐反应堆。该项目涉及复杂的结构部件，包括四个高达 40 英尺的支撑结构（strong backs），用于支撑反应堆容器并作为现浇混凝土的承载结构。其阶梯式几何结构用于精确对齐砖块，使传统钢或木模板成本高昂、施工缓慢且难以修改。
为此，ORNL 设计了模块化的 3D 打印模板，采用碳纤维增强 ABS 材料，生产可堆叠的六英尺模块。模块化不仅提供了设计灵活性，也提高了物流效率：若某个模块出现问题或需要修改，仅需替换该模块。通过有限元分析优化壁厚与内部桁架结构，确保打印模板在浇筑过程中能够承受 18 英尺混凝土产生的静水压力。
Hassan 表示：“从 CAD 文件到首次混凝土浇筑仅用 14 天，精度控制在 ±4 毫米以内。这些模板可重复用于多次浇筑，因此成本与时间优势随着使用次数不断累积。这正是增材制造在核电建设中的效率体现。”
在此基础上，Kairos Power 与 ORNL 将该方法扩展至反应堆的辐射屏蔽结构。传统屏蔽依赖直线砖块拼装与灌浆连接，限制了几何形态。该团队正在打印高达 27 英尺的聚合物嵌件，用于制造正弦波形互锁的预制混凝土面板，形成曲折路径以减少辐射泄漏，同时无需灌浆。
Hassan 强调，施工的每个阶段都依赖于高度集成的数据体系：材料表征、打印过程中的红外与传感监测、打印后的三维扫描以及结构性能测试。这些数据被输入人工智能与机器学习系统，用于优化设计几何与工艺参数。
他指出：“目标不仅是更快地建造一座反应堆，而是将大型核电建设从一次性的工程项目转变为可重复、数据驱动的流程，使增材制造成为行业的标准工具。”
推动核能重建的更广泛努力
Kairos Power 的合作项目是美国核能产业现代化长期努力的一部分。目前，美国大部分核电来自 1967 至 1990 年间建造的反应堆。退役速度正在超过新建速度，运行中的反应堆数量从 1990 年的 112 座下降至 2022 年的 92 座，而过去 28 年仅有三座大型反应堆投入运行。为应对这一局面，美国能源部计划在 2026 年底前建成三座测试反应堆，并在 2028 年推出首个运行中的微型反应堆，而这些目标在传统建造模式下难以实现。增材制造正成为实现这一加速进程的关键技术。
ORNL 已为这一转型奠定基础。2021 年，与田纳西河谷管理局（TVA）和 Framatome 合作开发的四个 3D 打印燃料组件支架被安装在阿拉巴马州 Browns Ferry 核电站，据称这是首次将 3D 打印的安全相关部件应用于运行中的核反应堆。
最近，ORNL 又进一步推进，在核反应堆中首次测试了 3D 打印的“rabbit”实验舱。这些采用激光粉床熔融工艺制造的小型不锈钢部件用于容纳辐照实验材料，并必须在核反应过程中密封裂变气体。
这些部件被放入 ORNL 的高通量同位素反应堆中运行近一个月，并成功承受了高强度中子通量环境。其成果的重要性还体现在几何设计上：Dehoff 解释称，一种已知的失效模式是舱体在压力下发生屈曲并卡在反应堆内，因此 ORNL 设计了可在受控、可预测方式下失效的结构，以避免这一问题。这些几何结构“无法通过任何其他制造方式实现”。
Kairos Power 项目代表了这一发展路径的下一步，将增材制造从单一反应堆组件扩展至更大范围的结构与运行基础设施，展示了该技术不仅可以加速零部件生产，还能够重塑整个核电建设流程。
