增材制造革新乏燃料运输容器安全

随着增材制造(Additive Manufacturing, AM)技术的显著进步（也称为3D打印），Orano Federal Services和北卡罗来纳大学夏洛特分校最近重新评估了打印用于运输乏核燃料的运输容器冲击限制器的能力。冲击限制器在事故中保护运输容器（有时也称为运输外包装）及其内容物。冲击限制器设计必须能够承受基于特定重要性水平的假设事故测试，包括跌落、挤压、火灾和水浸。

目前，许多运输容器包含由轻木和红木或蜂窝铝结构制成的冲击限制器，这两种制造工艺都很昂贵（成本在百万美元级别）。之前关于使用AM作为冲击限制器制造替代工艺的研究发现，AM打印机在生产如此大的部件方面存在能力不足，这些部件的最大外径可达365厘米（144英寸）以上。

然而，一项更新的研究表明，AM打印机不仅能够生产更大的物体，而且还创造了新的内部结构，这些结构可能为冲击限制器提供优势。此外，已经制定了一些新标准来支持AM（尽管尚未达到核级标准），这些更大的物体可以使用金属打印，但对于全尺寸冲击限制器而言仍不具成本效益。

虽然目前美国没有大量的商业乏燃料运输到集中式中间贮存设施或处置库（有一些事故耐受燃料和高燃耗燃料的先行试验棒/组件运输，但仅用于运行检查目的，而非贮存或处置目的），但美国能源部预计将在未来10到15年内选址、许可并开始运营一个基于同意的联邦中间贮存设施[1]。因此，可以预期在这一时间框架内会发生商业乏燃料的大规模运输。

与此同时，随着Orano高燃耗乏燃料示范容器（TN-32B）符合性证书(Certificate of Compliance, CoC)的近期获批[2]，以及行业为满足美国核管会关于53个核电厂址高燃耗乏燃料贮存承诺的数据需求，TN-32B容器预计将在2027年某个时间运往美国能源部设施进行开盖和详细燃料检查[3]。

为准备这次潜在的运输，正在进行运输所需的所有部件的制造，包括冲击限制器的制造。高燃耗乏燃料容器冲击限制器的制造需要昂贵地购买并暂时存储建造所需的材料，以及进行手工组装。因此，正在研究制造未来冲击限制器的替代方法。

Orano和北卡罗来纳大学夏洛特分校在2019年考虑了替代冲击限制器设计，包括使用复合泡沫等替代材料[4]。这项活动的经验为进行本次最新调查提供了基础，调查包括以下设计和监管准则：

最大尺寸限制：宽度不超过128英寸（E型火车车厢尺寸限制）。

最大复合运输容器系统重量：低于360,000磅。

温度限制：介于-20°F至150°F之间。

冲击限制器在跌落事故后必须保持与容器的连接。

自由跌落：9米（30英尺）跌落到不可变形表面。

挤压：一块重1,100磅的平板从30英尺高度跌落到容器上造成的挤压冲击。

刺穿：从3英尺高度跌落到一个6英寸直径的低碳钢垂直圆柱上。

热辐射：1,475°F的完全包裹火焰持续30分钟。

浸没：浸入水下50英尺。

以上最后五项与假设事故条件相关，这些条件在10 CFR Part 71.73中规定，在当时对冲击限制器的设计构成了最大挑战。之前的经验包括审查了一些AM选项。然而，当时的技术能力有限，无法生产组装冲击限制器所需的“合格”部件，因为金属打印相对较新。

对现有商业金属打印机状态的调查发现，目前没有打印机能够生产完整的冲击限制器（尺寸太大）。然而，确定了两种有前景的技术能够打印更大的金属部件，这些部件可以组装成冲击限制器：熔融沉积成型(Fused Filament Fabrication, FFF)打印机和选区激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)打印机。

现有的大型商业SLM打印机（例如NXG 6II 600）可以打印尺寸达600毫米×600毫米×600毫米（23.6英寸×23.6英寸×23.6英寸）的物体，精度高，使用不锈钢粉末时打印速率为每小时1,000立方厘米（61立方英寸/小时）。现有的大型商业FFF打印机（例如EBAM 300）可以打印尺寸达5,791毫米×1,219毫米×1,219毫米（228英寸×48英寸×48英寸）的物体，使用不锈钢粉末时打印速率为每小时1,170立方厘米（71.4立方英寸/小时），但精度低于SLM打印机。

除了这些不锈钢外部尺寸外，这些打印机还可以打印各种内部填充结构，如Schwartz-D、Schwartz-P、螺旋体和蜂窝结构（见图1），其中一些灵感来自木材微细胞结构。

图1. AM内部填充设计示例：Schwartz-D（左）、螺旋体（中）和Schwartz-P（右）[5]。

对这些内部填充结构进行的结构评估确定螺旋体是最有希望应用于冲击限制器部件的结构，因为它可以节省高达80%的重量（取决于填充密度），在各个方向上都具有强度，并且比其他填充结构密度更低。这些打印机能够以各种密度在不锈钢中打印这些结构是一个重要进展，因为可以优化填充结构密度以提供冲击限制器保护运输包所需的能量吸收能力，同时减少制造冲击限制器所需的材料，从而节省成本和重量。

尽管AM设备有所进步，但该技术仍存在一些不足。目前，缺乏与AM部件制造相关的标准，特别是核级标准，以确保此类设备执行安全功能的有效性。有一些通用标准，如ISO/ASTM 52900“增材制造——通用原则和术语”，但它们仅提供一般信息。然而，正在努力提供改进AM设备检测的技术，这些设备通常通过计算机断层扫描进行验证[6]。