根據3D科學穀的市場觀察, 國際上USNC通過粘結劑噴射3D打印技術製造核能領域的包覆燃料的基體(ti) 和(或)包覆層的燃料元件。USNC的商用放射性同位素加熱器可以集成到著陸器和漫遊車等太空探索設備中，使它們(men) 能夠在傳(chuan) 統熱源失效的寒冷條件下生存。此功能對於(yu) 防止設備和組件在 14 天的陰曆夜、月球永久陰影區域以及太陽能和化學電源效率低下或無法使用的其他地方凍結至關(guan) 重要。

▲粘結劑噴射技術用於(yu) 3D打印陶瓷材料的核反應材料存儲(chu) 器

©USNC

成就下一代核能反應堆

3D打印-增材製造的發展趨勢朝向多維度的深化層麵，麵向量產應用，3D打印突破當前應用對經濟性要求的限製，向應用端深度延伸走向產業化的一條發展路徑是實現結構更加複雜的產品。 ACAM亞琛增材製造中心@formnext深圳

根據清華大學劉榮正副教授課題組在《科學通報》發表的評述文章“碳化物陶瓷材料在核反應堆領域應用現狀”，新一代核能係統要求所用的材料具備更好的力學性能、熱物理性能、抗輻照性能、耐蝕和抗熱震性等，碳化物陶瓷材料是重點研究對象。

陶瓷包括不同成分的組合，其中SiC-碳化矽陶瓷不僅(jin) 具有優(you) 良的常溫力學性能，如高的抗彎強度、優(you) 良的抗氧化性、良好的耐腐蝕性、高的抗磨損以及低的摩擦係數，而且高溫力學性能(強度、抗蠕變性等)是已知陶瓷材料中最佳的。熱壓燒結、無壓燒結、熱等靜壓燒結的材料，其高溫強度可一直維持到1600℃，是陶瓷材料中高溫強度最好的材料。抗氧化性也是所有非氧化物陶瓷中最好的。別名金剛砂。

而關(guan) 於(yu) 碳化矽陶瓷的3D打印，在3D科學穀近期的分享中《》，《》，討論了七種3D打印技術製造致密、結構先進的陶瓷部件，並揭示了七種技術中的一種技術：粘結劑噴射3D打印在陶瓷方麵的應用現狀與(yu) 前景。這一技術正在獲得商業(ye) 化突破，其落腳點之一正是發揮了陶瓷耐高溫特性的核能反應堆陶瓷組件的3D打印。

/科研與(yu) 商業(ye) 化結合的核能組件研發與(yu) 產(chan) 業(ye) 化

根據3D科學穀的市場觀察，總部位於(yu) 西雅圖的 Ultra Safe Nuclear Corporation (USNC) 已授權使用碳化矽等耐火材料為(wei) 核反應堆 3D 打印組件的新方法。該方法由橡樹嶺國家實驗室開發，將粘結劑噴射 3D 打印技術與(yu) 化學蒸汽滲透工藝相結合，能夠更有效地製造反應堆組件，並且更加複雜。

通過許可該方法，USNC 希望推動其開發和部署核能發電設備的使命，這種設備不僅(jin) 安全、使用簡單，而且具有商業(ye) 競爭(zheng) 力。

▲USNC 已授權 ORNL 的新型粘結劑噴射3D打印增材製造方法生產(chan) 複雜的核反應堆組件

©ORNL

核能發電是用鈾製成的核燃料在“反應堆”的設備內(nei) 發生裂變而產(chan) 生大量熱能，再用處於(yu) 高壓力下的水把熱能帶出，在蒸汽發生器內(nei) 產(chan) 生蒸汽，蒸汽推動汽輪機帶動發電機一起旋轉而發電，並通過電網輸送給消費者。核能發電是解決(jue) 2050年全球達到二氧化碳排放為(wei) 零的重要支柱，然而，在未來 30 年內(nei) ，許多現有的核反應堆可能會(hui) 退役，因為(wei) 它們(men) 基於(yu) 70 年曆史的輕水技術。

為(wei) 了解決(jue) 這個(ge) 問題，ORNL 正在領導轉型挑戰反應堆 (TCR)，並得到美國能源部 (DoE) 計劃的支持，以探索在美國更快、更便宜的核能分配，以降低製造成本和交貨時間並改進安全。作為(wei) 該計劃的一部分，ORNL 正在使用直接能量沉積 (DED) 3D 打印等技術建造核反應堆堆芯。2020 年，普渡大學在收到美國能源部 80萬(wan) 美元的資助後，成為(wei) TCR 計劃的主要貢獻者。因此，普渡大學正在開發一種人工智能 (AI) 模型，以確保反應堆堆芯 3D 打印組件的核級質量。

TCR 計劃還見證了 ORNL 開發了自己的新型 3D 打印技術，專(zhuan) 門用於(yu) 生產(chan) 核反應堆部件。該工藝結合了粘結劑噴射和陶瓷生產(chan) 工藝，以更有效地製造複雜形狀的組件。該方法還可以打印高溫合金和難熔金屬，這些合金和難熔金屬由於(yu) 耐高溫和耐降解，對核反應堆部件的安全運行至關(guan) 重要。

自啟動 TCR 計劃以來，ORNL 的 3D 打印核反應堆組件已安裝在阿拉巴馬州田納西河穀管理局 (TVA) 的布朗斯費裏核電站。與(yu) 核燃料供應商法馬通合作開發的四個(ge) 3D 打印燃料組件支架目前在工廠處於(yu) 常規運行條件下。

▲燃燒組件支架

©ORNL/DoE

在通過粘結劑噴射3D打印技術製造核能反應堆陶瓷組件方麵，根據新協議，USNC獲得ORNL 的 3D 打印方法的授權，並為(wei) 其先進的反應堆設計開發和部署組件。該公司還計劃將其業(ye) 務擴展到東(dong) 田納西州，以更接近 ORNL 的專(zhuan) 業(ye) 知識，同時擴大用於(yu) 核能和工業(ye) 應用的特種組件的生產(chan) 。

USNC 使用碳化矽製造其核反應堆核心部件，碳化矽是一種據報道已被證明可以耐受輻射的耐高溫陶瓷。然而，用碳化矽加工反應器部件非常耗時且昂貴。ORNL 的增材製造方法將使 USNC 能夠更有效地使用碳化矽製造組件，同時實現所需的複雜形狀。USNC 的新試點燃料製造工廠將位於(yu) 位於(yu) 橡樹嶺的田納西科技園，距離 ORNL 的主園區隻有幾分鍾的路程。通過此舉(ju) ，該公司旨在繼續與(yu) ORNL 合作並支持 TCR 計劃。

靠近實驗室及其世界一流的科學家和設施，使得USNC能夠輕鬆獲得反應堆核心技術和增材製造方麵的專(zhuan) 業(ye) 知識，以及最新的輻射、燃料和材料研究，所有這些都有益於(yu) USNC帶來安全、 可靠的核能組件。

/理想照進現實的粘結劑噴射3D打印複雜陶瓷結構

根據3D科學穀的了解，核電是我國能源供應體(ti) 係的重要分支，也是新能源的重要組成部分。根據BP2021年報告，到2020年中國核能發電量達到366.2 TWh，占全球總量的13.6%。2020年中國居世界第二位，僅(jin) 次於(yu) 美國30.8%。但是中國運行、在建和擬建反應堆數將超過美國。目前，我國核電行業(ye) -核電站運營企業(ye) 的數量不多，因存在嚴(yan) 格的行政準入門檻、資金門檻和技術門檻等，主要公司包括：中國廣核、中國核電、國家電投大唐發電等，中國已有自己的核能反應堆研發能力。

根據清華大學劉榮正副教授課題組在《科學通報》發表的評述文章“碳化物陶瓷材料在核反應堆領域應用現狀”，SiC-碳化矽材料的共價(jia) 鍵極強，在高溫下仍能保持較高的鍵合強度，化學穩定性和熱穩定性好，高溫變形小，熱膨脹係數低，非常適合用於(yu) 高溫環境中。SiC在核能係統中應用非常廣泛，主要有四方麵的應用：一是作為(wei) 包覆燃料顆粒的包覆層。二是發展SiCf/SiC複合包殼，代替鋯合金包殼使用。三是在氣冷快堆中用作基體(ti) 材料。四是在熔鹽堆中作為(wei) 結構材料使用。目前對SiC抗氧化性能提升的研究也在積極開展。

由於(yu) 3D打印技術可以成就複雜的產(chan) 品形狀並製造更加特殊的材料，研究和開發不同類型3D打印技術在核能領域的應用對中國核能的發展將變得越發重要。

粘結劑噴射技術的3D打印過程是通過噴射液體(ti) 粘結劑將粉末選擇性地粘合在薄層中，一層一層的重複粘合過程。分辨率受粉末尺寸或粘結劑液滴尺寸的限製，具體(ti) 取決(jue) 於(yu) 哪個(ge) 較大。通過使用小於(yu) 50 μm 的噴嘴孔口，可以實現粘結劑噴射技術的出色尺寸精度。粘結劑流變學和噴嘴幾何形狀在控製液滴大小方麵起著重要作用。

根據3D科學穀的了解，粘結劑噴射技術製造碳化矽陶瓷的最近發展是使用具有單峰和雙峰粒度分布的 SiC 原料粉末3D打印預製件。在惰性氣氛中，在高於(yu) 1410°C 的溫度下用熔融矽滲透打印的預製件，以形成 SiC-Si 複合材料。所有打印和試樣的密度、彈性模量、彎曲強度和斷裂韌性都隨著 SiC 的體(ti) 積分數而增加。使用雙峰原料粉末製造的試樣在所有測試的體(ti) 積分數 SiC 下都具有更高的密度、彈性模量、彎曲強度和斷裂韌性。與(yu) 傳(chuan) 統成型相比，通過粘結劑噴射然後後處理形成的樣品具有相當的密度、彈性模量和彎曲強度，但較低斷裂韌性。