美国能源部橡树岭国家实验室（ORNL）凭借3D打印技术在核电基础设施建设中的创新应用，荣获2026年SME增材制造案例大奖。该项目通过大尺寸增材制造（LFAM）快速生产复合模具，用于小型模块化反应堆（SMR）混凝土结构施工，将传统6-8周工期缩短至约2周，显著降低成本与施工风险。该技术已在Kairos Power核反应堆项目中验证，具备高精度与可重复使用优势，有望加速美国核能发展与先进反应堆商业化落地。
美国能源部（DOE）旗下的Oak Ridge National Laboratory（橡树岭国家实验室，ORNL）在4月14日于波士顿举行的SME增材制造奖与TCT大奖颁奖晚会上，获得了2026年SME Aubin增材制造案例研究奖。该奖项旨在表彰3D打印在现实世界中的杰出应用案例，而ORNL以核电建设为核心的参赛项目，凭借其技术深度、跨领域协作以及对美国能源基础设施的广泛意义，给评审团留下了深刻印象。
该项目旨在解决一个长期存在的难题：核电站建设以周期长、成本高而著称。仅混凝土结构（包括辐射屏蔽）就可能占据项目进度风险的60%。小型模块化反应堆（SMR）正日益成为美国能源战略的重要组成部分，但建设延误却削弱了其潜力。
“建设一直是先进反应堆发展的主要瓶颈，”ORNL复合材料创新小组负责人、项目负责人Ahmed Hassen表示。“我们证明了数字化制造可以在满足严格核安全标准的同时，将工期缩短数周。”
一项获得U.S. Nuclear Regulatory Commission许可、正在美国进行核建设的先进反应堆项目。图片来源：Kairos Power。
打印塑造核能未来的模具
ORNL的制造示范设施联合University of Maine、Kairos Power及其他美国合作伙伴，采用大尺寸增材制造（LFAM）技术，制造用于浇筑Kairos Power模块化反应堆屏蔽系统混凝土构件的复合模具。由于Kairos反应堆在低压条件下运行，其混凝土结构无需承压级安全壳，这为这种新型成型方法的应用提供了条件。
这些模具被用于浇筑生物屏蔽支撑柱（约8×8×20英尺）以及最长可达27英尺的屏蔽墙板，其中部分结构采用复杂的互锁连接设计，从而减少甚至无需灌浆。工程师基于数字模型开发模具，将其分段打印，再通过机加工与密封处理，使公差控制在1/16英寸以内。这些模具还能够承受最高达12英尺高度浇筑的湿混凝土压力。
相比之下，传统钢制模具通常需要6至8周制造周期，且修改困难，而ORNL团队仅用约两周时间就完成了复合模具的设计、打印和交付。这些模具重量更轻，便于现场施工人员操作，并在柱体和墙板生产中分别完成了四次和三次完整浇筑循环，未出现可测量的质量下降。
一项获得美国核监管委员会许可、正在建设中的先进反应堆项目。图片来源：Kairos Power。
从验证到实际部署
这些模具在Kairos Power反应堆示范项目中通过了全尺寸测试验证，其成果已开始吸引商业领域的关注。ORNL目前正与一家美国大型预制构件制造商洽谈，以推动该方法的大规模应用。一旦实现规模化推广，LFAM模具技术有望显著缩短建设周期并降低成本，从而加快先进反应堆的投运进程。
“这个项目表明，增材制造不仅仅适用于原型开发，”Hassen表示，“它可以成为构建安全关键核基础设施的可靠且可重复的方法，从而增强国家能源安全。”
该项目由DOE先进材料与制造技术办公室（AMMTO）通过SM2ART项目提供资金支持。
利用增材制造重塑核能产业的更广泛努力
与Kairos Power的合作只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年至1990年间建造的反应堆。退役速度已超过新建速度，运行中的反应堆数量从1990年的112座下降至2022年的92座，而在过去28年中，仅有三座大型反应堆投入运行。对此，DOE计划在2026年底前建成三座新型试验反应堆，并在2028年部署首个微型反应堆，而传统建设方式在实现这些时间目标方面一直面临困难。增材制造正逐渐成为实现加速进程的关键技术。
ORNL多年来一直在为这一转型奠定基础。2021年，与Tennessee Valley Authority（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TVA的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实际运行中的核反应堆。
近期，ORNL进一步拓展了这一边界，首次在核反应堆内部测试了3D打印的“兔囊”（rabbit capsule）。这些小型不锈钢部件通过激光粉末床熔融技术制造，用于在辐照过程中容纳实验材料，并必须能够封存核反应产生的裂变气体。
增材制造与核电建设的融合，标志着一个长期受限于传统方法的行业正迎来转折点。随着联邦时间表不断加快以及对新增电力容量需求的提升，ORNL的研究表明，3D打印已不再是边缘技术，而是解决方案的核心组成部分。
