初创公司利用3D打印技术加速铅冷堆商业化

总部位于印第安纳州的初创公司NX Atomics与总部位于芝加哥的Sciaky合作，将使用Sciaky的电子束增材制造(Electron Beam Additive Manufacturing, EBAM)技术生产NX Atomics高温小型模块化反应堆(small modular reactor, SMR)设计的组件。此协议标志着这项重工业3D打印技术首次在商业核电生产中以这种规模应用。

NX Atomics于五月从隐身模式中亮相，将把Sciaky的EBAM技术整合到其VELA反应堆平台的生产线中。VELA反应堆群旨在绕过传统电网网络，专门为重工业工厂和人工智能数据中心提供本地化、直接的基荷电力和工艺热能，目标价格低于20美元/兆瓦时。

Vela设计采用铅冷却系统结合高度稳定的液态金属燃料堆芯。这种配置保证了固有的、非动力的安全性、高燃料效率，并能防止堆芯熔毁。这种铅冷却、液态金属燃料反应堆通过将核燃料直接溶解在液态金属基体中运行，而不是将固体燃料芯块封闭在金属包壳管内。这种流体堆芯直接在反应堆容器中循环，并由独立的熔融铅回路冷却。通过将液态金属燃料与纯铅冷却剂相结合，该系统在大气压力下运行，并依靠自然物理原理实现安全，消除了高压爆炸或堆芯熔毁的风险。

其物理堆芯是一个整体结构，设计采用Sciaky的EBAM工艺制造，绕过了传统长达数月的金属锻造和铸造瓶颈。该合作促成了一种转变，即特定反应堆组件被有意设计为定期更换，而非终身服役。这种方法降低了初始资本支出，并减少了长期的运营开销。

转向大规模增材制造使NX Atomics能够绕过与传统长达数月的金属锻造和铸造过程相关的大规模前置时间和设备重新配置瓶颈。Sciaky的EBAM工艺使用完全铰接的移动电子束枪，在真空室内逐层沉积金属丝原料。Vela非常适合大型结构组件，该系统拥有世界上最大的3D打印金属构建空间，可制造长达19英尺的部件。该系统原生适用于高度耐用、核能兼容的合金，如钛、Inconel、不锈钢和钽。

“这正是将核能制造带入现代时代的实际面貌，”NX Atomics首席执行官John Warden表示。“3D打印为我们提供了以更快速度、更低成本生产核能认证零件的潜力，可以在适当的时候在整个生命周期内进行更换，并显著降低我们建造的每个小型模块化反应堆的单位成本。”

通过增材制造，NX Atomics相信它能够以更快的速度、更低的成本生产组件，并在适当情况下设计为可更换而非永久使用，从而降低其反应堆群的初始资本成本和运营成本。Sciaky的EBAM系统已为空中客车公司(Airbus)、洛克希德·马丁公司(Lockheed Martin)、美国海军和美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)等公司生产了钛和特种合金结构部件。在航空航天和国防领域，EBAM及相关增材技术在过去十年中已从原型开发转向全面生产。

“Sciaky用了八十多年时间打造了世界上最苛刻行业所依赖的金属制造技术，”Sciaky首席执行官John Criso表示。“我们的EBAM工艺生产的部件飞行在商用飞机上、航行在海军舰艇上、环绕地球轨道运行。与NX Atomics一起将这种能力带入美国的清洁能源基础设施是自然而然的下一步，我们为两家中西部公司引领这一转型感到自豪。”

NX Atomics制定了极为雄心勃勃的时间表。VELA反应堆平台的商业化路线图围绕四个关键阶段构建，从增材制造验证逐步推进到现场部署。通过利用Sciaky的EBAM工艺，NX Atomics旨在将标准的十年核能开发周期大幅压缩为显著更短的时间线。

第一阶段（未来18个月）将包括使用Sciaky的高速率电子束系统打印第一批次比例结构堆芯组件，以验证其在真空下的结构完整性。打印的Inconel和钛反应堆结构将进行热应力测试，以模拟铅冷却系统的条件。早期的数字孪生制造数据将提交给核监管机构，以建立3D打印安全壳边界的许可路径。

第二阶段（2-3年）将包括使用模块化组件架构建造一个全尺寸、非核测试回路。非放射性液态铅冷却剂将在运行温度下循环通过打印的整体堆芯结构，以测试流体动力学。模块化更换模型将通过模拟应力期后有意更换高磨损打印部件来进行验证。

第三阶段（目标：4-5年）将最终确定Sciaky打印容器内液态金属燃料基体的安全基准。将建造第一个完全运行、可并网的VELA反应堆模块。将获得本地化监管机构对在试点工业地点进行离网部署的批准。

第四阶段（目标：6年以上）首批商业VELA机组将直接部署在人工智能数据中心和重型制造设施旁边。将启动连续的3D打印装配线，同时制造多个VELA堆芯结构。将扩大运营规模，以实现工业微电网目标低成本能源输送。

然而，铅冷却面临许多障碍。铅冷却反应堆必须在显著更高的基准温度下运行，以防止冷却剂冻结凝固。在纯铅所需的高温下，液态金属会变得极具腐蚀性。它会剧烈地溶解标准结构钢中的镍和铬。管理这一点需要精确的、主动的氧气控制系统，以维持金属表面的保护性氧化层。

俄罗斯目前正在建造世界上第一个铅冷却快堆(fast reactor)，即BREST-OD-300，预计在2020年代末投入运行。NX Atomics的六年窗口期假设执行完美无瑕、资本支持立即到位以及监管范式转变。在2030年代初实现第四阶段（商业电力输送）仍将被视为一项历史性的工程奇迹。

BREST的开发并非近期才开始。这是超过30年持续研究的结晶。为了使BREST可行，俄罗斯必须构建一个完整的专业工业生态系统。这包括部署BOR-60和BN-600试验堆及其他专业设施，历经数十年验证其燃料和其他组件。该项目依赖数十亿美元的政府支持资金进行开发。

NX Atomics实际上是在押注使用Sciaky的EBAM打印钽或Inconel等特殊材料可以绕过腐蚀问题，并且他们的“一次性/可更换组件”策略避免了零件在液态铅中存活30年以上的需求。私人风险投资和现代增材制造是否能真正替代数十年的政府资助的机构研究，仍然是一个巨大的赌注。

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