美实验室推进核压力容器3D打印

Oak Ridge美国国家实验室和Idaho美国国家实验室宣布，双方将开展合作，帮助业界开发用于核能和化学加工领域工业压力容器的丝材电弧3D打印工艺。

“通过与业界合作，对先进制造技术进行示范、验证和鉴定，我们可以降低风险、加快部署，并强化对美国能源未来至关重要的国内供应链。”ORNL能源科学与技术副实验室主任Robert Wagner表示。

制造瓶颈：压力容器是核反应堆的关键部件，在极端条件下运行，需要具备非凡的韧性和结构完整性。传统上，压力容器采用锻造方式制造，但随着美国致力于扩大核能生产，有限的锻造能力带来了供应挑战。

丝材电弧增材制造是一种利用机器人焊接臂和丝材原料进行部件3D打印的技术，通过逐层堆积成形。该技术可用于打印大型部件，并具备锻造所不具备的速度和灵活性，从而提供一种能够扩大国内供应链的替代制造方案。

示范：今年7月，ORNL制造示范设施的科学家利用丝材电弧3D打印制造了一个小型（3 feet by 5 feet）核压力容器。根据两家国家实验室发布的联合公告，此次示范展示了采用适用于核应用的钢合金打印大型封闭式容器的能力，标志着压力容器研究取得了一个早期里程碑。

团队使用了ORNL的MedUSA平台，该平台利用3个协同工作的机器人臂，通过电弧熔化丝材来制造复杂部件。

该项目将INL在核反应堆制造技术和数字工程方面的专业知识，与ORNL在增材制造和打印部件表征方面的领先优势结合起来。

“通过这一项目，我们汇集了两家实验室的专业知识，将AI和数据科学与先进3D打印相结合，从而能够在部件打印过程中实时评估其性能，而不必等到生产后再进行试验。”INL先进制造团队负责人、严苛环境材料专家Jorgen Rufner表示。

根据公告，ORNL在利用AI加速生产Antares的Mark-0微堆中子传感器支架时，使用了相同的MedUSA打印机和材料。该微堆于今年6月在INL实现带燃料零功率临界。

变革挑战反应堆：这并非ORNL首次在核能领域开展利用AI和增材制造的项目。该实验室牵头实施了由DOE核能办公室于2019年启动的变革挑战反应堆项目，该项目计划利用先进制造技术，在2023年制造一座可运行的核微堆。这项任务是一项更大目标的组成部分，即通过示范供产业采用的新技术，缓解商业核电站面临的经济和部署挑战。

尽管该项目最终未完成反应堆示范，但Nuclear Science and Engineering的一期专刊记录了团队的部分研究亮点，其中包括利用先进制造技术进行快速原型制造所促成的开创性反应堆设计和材料试验工作。