ORNL正在对3D打印核材料进行认证，以加速反应堆技术创新
时间：2025-12-05 09:03 来源：南极熊 作者：admin 阅读：次
导读：随着全球能源需求不断增长，以及对更高效能源的需求日益迫切，核工业正迎来创新发展的良机。橡树岭国家实验室（ORNL）是推动核能创新的机构之一，核燃料材料小组负责开发和认证核材料，包括3D打印核材料。
2025年12月4日，ORNL近期发布了对核燃料材料小组成员马西（Caleb Massey）的采访，深入探讨了利用3D打印技术开发和制造核部件的优势和挑战。
△CalebMassey在橡树岭国家实验室的核燃料材料组工作（照片：Carlos Jones | ORNL，美国能源部）
首先，我们来看看3D打印核材料的优势。正如马西所解释的，在核能领域使用3D打印技术可以显著缩短复杂部件（例如泵壳、阀门、热交换器等）的生产周期。传统的制造工艺通常需要数年时间才能完成这些部件的生产，而增材制造技术只需数月甚至数周即可实现。增材制造技术的应用还可以通过绕过模具和复杂的供应商网络来解决供应链问题。此外，增材制造带来的设计自由度有望推动小型反应器的生产，同时该技术还可以用于维修和维护这些小型化、复杂度更高的系统。
正如马西所说：“利用3D打印技术，我们可以简化每种反应堆复杂几何部件的生产，从而大幅缩短建造周期。加快制造速度将大有裨益，尤其是在我们考虑将小型模块化和微型反应堆设计作为人工智能数据中心的专用电源时。这些更紧凑的反应堆设计具有更复杂的几何形状，可能需要更复杂的组装、维护、焊接和维修。一条由合格的3D打印方法和材料组成的强大供应链将有助于缓解这些挑战，并使核能解决方案能够满足日益增长的人工智能电力需求。”
尽管利用增材制造技术生产核部件的优势显而易见，但马西也探讨了3D打印核材料认证所面临的挑战。一般来说，核材料的认证是一个耗时的过程：材料必须经过大量的实验，以证明能够承受各种类型核反应堆的辐射场和腐蚀性环境。不仅如此，即使是寻找合适的测试环境来认证这些材料也并非易事，因为“研究堆的运行条件与某些先进反应堆设计的预期运行条件存在差异”。对于3D打印核材料而言，质量鉴定的复杂程度实际上高于传统制造的材料。对于后者，只需从较大块材料中取出一个样本进行测试，即可假定其余材料具有相同的性能。马西说道：“由于需要考虑的变量较少，这一假设大大简化了测试。”
然而，对于3D打印材料而言，即使在同一部件内，材料的性能和特性也可能存在差异。这是因为凝固路径的边界条件会随着部件几何形状和温度条件的变化而变化。为了解决这个问题，必须进行额外的实验来研究大型3D打印部件内部性能的差异。Massey将其比作测试大型乐高套装中的每一块积木。
他说道：“3D打印相对于传统制造的主要优势在于能够制造独特的零部件设计/形状。然而，独特的形状更难获取测试样本。对这些更复杂的几何形状进行鉴定，需要将新方法融入现有的规范和标准中，以便采用独特的无损检测手段，或者使用非标准测试样本来生成数据。”
幸运的是，先进的建模和仿真技术正在帮助加快核材料的测试速度——无论是3D打印的还是传统制造的。尖端的建模工具可以根据单向测试模拟材料的变形情况。利用这些数据，它们可以预测材料在任何方向上的性能。人工智能也在简化3D打印材料的鉴定流程方面发挥着重要作用。
马西说：“我们还在应用人工智能进行更智能的样品测试。例如，以前需要进行数千次高温力学测试来验证模型，而人工智能模型只需一小部分测试条件，就能准确识别需要进行哪些测试以及在哪个阶段进行，同时还能保持实验预测的误差范围不变。更少、更准确的测试可以加快新材料的验证速度。”
(责任编辑：admin)
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