法马通突破性的3D打印组件完成了反应堆的首个辐照检测周期
在核工业中，核电站反应堆压力容器、蒸发反应器、锻造主管道等设备以及一些零部件的技术要求高、生产难度大，传统制造工艺存在生产周期长、投入大、产品一次合格率较低等问题。
核电行业的一些专业设备结构比较复杂、使用环境相对苛刻，同时对零部件的机械性能要求很高。3D打印技术在小批量产品快速制造、复杂零部件制造领域颇具优势，国际和国内目前在将3D打印技术应用到核电组件的探索方面获得了不断的突破。
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更复杂更高效的零件
2020年11月4日，法国法马通公司(Framatome)突破性的3D打印核燃料元件完成了反应堆的首个辐照检测周期。这些实验性不锈钢和镍基合金部件于2019年载入瑞士的戈斯根核电站，这些部件一共需要通过五个辐射检测周期，从而确认这些组件在实际操作条件下的性能表现。
▲图片来源：法马通
/ 提升反应堆效率
根据戈斯根核电厂核技术负责人GaëtanGirardin博士，通过增材制造技术开启了核燃料组件新的创新和机遇，法马通不断探索可推动效率和性能的技术进步，这也是在第一个在动力反应堆中引入这些实验组件的原因。
增材制造加速了Framatome的产品开发，并简化了制造过程，以将高质量的产品快速推向市场。通过3D打印-增材制造创新技术制造具有复杂几何形状的金属零件，通常这些复杂形状是传统工艺无法实现的。此外，通过重新设计，可以极大地提高核电组件的性能。
根据Framatome燃料业务部高级执行副总裁Lionel Gaiffe，法马通在研究和鉴定项目中对使用3D打印-增材制造生产的零件进行了基于证据的调查结果，这增强了法马通对3D打印-增材制造技术在未来进一步扩大应用的信心。根据了解，法马通将为其的核燃料装配部件进行部件和增材制造的认证。
▲来源：TopFuel2018-A0180-fullpaper（法马通核电3D打印）
/ 为生产蓄势
根据了解，法马通计划启动3D打印-增材制造技术的产业化应用。包括增材制造技术为压水堆、沸水堆和VVER机组生产燃料组件。此外，3D打印技术还可用于其他核燃料方面的应用，包括快速成型、试验组件和燃料生产线工具制造、堆内燃料检查和服务工具修复、研究堆燃料组件等。
法马通的增材制造项目于2015年在德国爱尔兰根的原型实验室启动，专注于不锈钢和镍基合金燃料组件的增材制造。该项目由来自法国、德国和美国的法马通燃料专家与全球客户的密切合作。该项目还得到了欧盟和美国能源部计划的支持，法马通的国际实验室在增材制造方面的科学进步进一步获得了国际认可。
▲来源：TopFuel2018-A0180-fullpaper（法马通核电3D打印）
/ 合作加速成功
而据了解，KSB集团和法马通在3D打印-增材制造技术方面建立了合作。
▲来源：TopFuel2018-A0180-fullpaper（法马通核电3D打印）
借鉴KSB在增材制造制成的保压组件认证过程中的经验，并将其用于核反应堆应用中。这两家公司正在共同研究一系列主题，从原料鉴定到核应用再到零件制造。
据了解，KSB在过去几年来在粉末床激光熔化方面已经在德国Pegnitz的工厂建立了高水平的专业知识，无论是质量控制，工艺知识还是所用的测试方法。
▲来源：TopFuel2018-A0180-fullpaper（法马通核电3D打印）
Review
据市场观察，国内核工业企业在核电厂阀门或管道中的辐射屏蔽材料、核反应堆压力容器以及核燃料元件等领域进行了积极的3D打印应用探索。
l 核辐射屏蔽材料的设计与3D打印
在辐射屏蔽材料方面，通过使用三维扫描及云平台进行设计，并通过3D打印机进行屏蔽材料小批量定制化生产，提高了核电屏蔽设计的可靠性、灵活性、安全性和经济性，大大缩短了研发进程，降低成本。由于是根据需要屏蔽材料的位置定制化设计的，设计出的屏蔽材料可与需求部位实现更好的贴合，使屏蔽材料发挥出良好的核辐射屏蔽功能。
l 3D打印一体成型核反应堆压力容器
2015年10月中国核动力研究设计院与南方增材科技有限公司，联合发起ACP100反应堆压力容器增材制造（3D打印）项目。2016年12月，这个项目的研究成果3D打印反应堆压力容器试件已经通过国家能源领域相关专家的技术鉴定。
中国核动力研究设计院与南方增材使用大型电熔3D打印技术，可精确地实现结构复杂的大型金属构件一体成型，为核电装备的高质量、高效率、低成本制造开辟了一条新的道路。经过技术鉴定，这个3D打印试件的产品性能可达到甚至部分优于锻件产品。中广核此前对外发布，采用金属3D打印技术研发制造出的压缩空气生产系统制冷机端盖，已经在大亚湾核电站实现工程示范应用。
l 中国中核北方核燃料元件的3D打印
中核北方核燃料元件有限公司（二〇二厂）使用选择性激光熔化3D打印技术制造了CAP1400自主化燃料原型组件下管座。核燃料元件制造是集设计与加工于一体的高端精密制造，结构复杂，需多种工序交叉作业加工才能完成 。铂力特BLT-S300采用选择性激光熔化（SLM）技术，通过逐层熔化金属粉末的制造方式，完成传统机械加工无法制造的复杂金属结构零件，制备的成形产品拥有致密性好、尺寸精度高的特点。同时金属3D打印快速制造的技术特点，能够缩减产品开发周期，降低设计与制造成本，快速、高性能的实现核燃料元件开发与制备。
l 核电站复杂流道仪表阀阀体
此外，根据第一财经2.，中广核在2016年其“金属3D打印应用于核电领域的关键技术研究”取得阶段性成果，课题组利用选区激光熔化3D打印技术成功制造出核电站复杂流道仪表阀阀体，该部件的工程应用将实现金属3D打印制造部件在核电领域应用“零”的突破。其试制的阀体长140毫米，宽76毫米，高56毫米。该项目采用SLM技术，利用激光逐层扫描固化金属粉末，逐步堆叠出阀体外形及复杂的内部流道，一次成型，节省了材料并提高了部件稳定性，相比传统工艺可缩短制造周期，并可满足小批量快速生产，降低成本等的要求。
参考资料：
1. Additive Manufacturing Paves The Way to Enhanced Performance of Pramatome Fuel Assemblies
2. 3D打印将在核电航空领域开展示范应用 涉40多个典型部件/第一财经/http://www.3dsciencevalley.com/?p=14307
延伸阅读:
大型复杂零件一体化成形，一文了解铂力特BLT-S510的新“精”彩
