3D打印技术革新核能建设

美国能源部（DOE）位于橡树岭国家实验室（ORNL）的制造示范设施（MDF）与Kairos Power和Barnard Construction合作，开发并验证了大型3D打印聚合物复合材料模具。这些模具将用于铸造复杂且高精度的混凝土结构，而使用传统方法生产这些结构在技术上有挑战且成本高昂。目前，这些混凝土模具正在Kairos Power位于橡树岭的园区内使用，该园区内正在建造其Hermes低功率示范反应堆。

Kairos Power的Janus柱展示了该公司为Hermes生物屏蔽层设计的一个组成部分——这是一种围绕核反应堆建造的厚混凝土结构，用于吸收运行时的辐射。Janus屏蔽层示范项目的3D打印模具是Kairos Power和Barnard将用于建造Hermes反应堆设施部件的原型。每个部分的尺寸约为10英尺×10英尺，堆叠三层形成一个立柱。部分立柱模具曾在Knoxville会展中心举行的东田纳西经济委员会核能机会研讨会上展出。

3D打印模具的使用为创新结构设计提供了可能，Kairos Power计划在其未来规划的商用电站中大规模应用这一技术。这些复合材料模具显著缩短了生产周期，实现了复杂几何结构部件的“现场浇筑”施工，仅需数天而非数周时间。与传统依赖钢铁或木材模具的方法相比，这种技术在成本、精度和耗时方面都取得了进步，代表了核能建设方法的革新。

“在ORNL，我们展示了核能建设的未来不必遵循过去的模式，”MDF主任Ryan Dehoff表示，“我们将国家实验室的能力与MDF敢于挑战高风险、高回报项目的传统结合起来，将大胆的想法转化为实际解决方案，以加速新型商用核能的发展。”

“自Kairos Power成立以来，我们就与MDF建立了合作关系，”Kairos Power联合创始人兼首席技术官Edward Blandford说，“他们行动迅速，思维创新，并且在传统制造无法满足需求时，展示了他们能够提供变革性成果的能力。”他解释说，在探索预制混凝土系统选项时，Kairos Power从商业伙伴处获得了与MDF合作的建议。“业内很少会建议我们联系国家实验室，因为他们通常反应很快。”

他还表示：“这个项目完全符合我们的迭代开发方法。通过先建造和测试立柱的模具，我们能够优化方法，提前与监管机构合作，并在将施工方法扩展到Hermes和未来电站之前降低风险。这是我们从一开始就制定的战略的核心部分。”

该项目得到了多个行业合作伙伴的支持，包括Airtech、TruDesign、Additive Engineering Solutions和Haddy。他们共同建立了一条由增材制造技术支持的核能基础设施新供应链。Barnard在此过程中发挥了关键作用，实施并优化了3D打印模具，提供实时反馈，并即时调整设计以增强可建造性和实现快速部署。Dehoff表示，项目的成功源于合作伙伴之间的紧密沟通。“这是国家实验室创新实践的真实案例，”他说。

这些模具必须承受设计时用于塑形的厚重混凝土的巨大压力。ORNL复合材料创新小组负责人Ahmed（Arabi）Hassen表示，挑战不仅在于几何精度。模具在高压下必须保持结构完整性，这既需要机械韧性，也需要创新的设计和打印策略，将增材制造在结构应用中的潜力推向极限。

“我们正在将增材制造的优势——模块化、灵活性和快速迭代——应用到核能领域，”他说，“这个项目表明，我们可以通过新技术突破传统方法的限制，降低障碍、减少风险并加速建设进度。”

与Kairos Power的合作是由一个名为SM2ART Moonshot Project的多年期大型计划推动的，该计划由MDF和缅因大学牵头，并由DOE的先进材料与制造技术办公室资助。项目利用了ORNL世界级的材料科学专业知识、超级计算和人工智能资源，以及大型增材制造能力的独特组合。缅因大学则贡献了在大规模3D打印、结构基础设施开发和数字化制造平台方面的互补优势。通过与Kairos Power合作，各方旨在通过快速、灵活且经济高效的解决方案降低核能建设的风险并推动其现代化。

在未来18个月内，SM2ART Moonshot Project将继续支持Kairos Power的建设计划，扩展到包括辐射屏蔽和反应堆建筑外壳模具的全尺寸生产，并集成智能制造技术、数字孪生和数据驱动的质量控制。合作伙伴的目标是使用来自林业残余物的可打印生物复合材料原料，将材料成本降低75%。

由DOE先进材料与制造技术办公室支持的MDF是一个全国性的合作机构，与ORNL共同致力于创新、激发并推动美国制造业的转型。