2.5　最佳实践——国外应用3D打印技术制造核级部件

近年来，3D打印技术已在核电领域实现了从理论研究、技术分析向工程实践应用的跨越，国外在3D打印制造核级部件方面取得的成果引人瞩目。2018年11月，俄罗斯与法国核能公司就核领域的3D打印技术开发达成了合作意愿。其他国家主要核工业机构也在加大力度开展技术研发。

1．3D打印辅助设备部件已实现应用

与传统制造方法相比，将3D打印技术应用于核级部件制造具备多个优势：可生产高设计自由度的特殊部件；可加快新部件从设计到生产的部署进度，且生产成本低；形成的部件均匀性好，化学成分可控；可广泛用于核部件制造，包括核燃料、辅助部件和重要部件等。但同时在核领域，由于各种构件的运行工况较复杂，维护不方便，对可靠性的要求非常高，而且有的构件还需考虑辐照性能问题，因此3D打印技术目前尚未建立工业化生产能力，大规模应用可能将面临3D打印标准体系的建立与完善、生产能力和产品质量有待提升等诸多方面的问题。

德国西门子公司于2017年1月在斯洛文尼亚的克尔什科核电站成功安装首个直径为108mm的3D打印消防泵金属叶轮，目前正在安全持续运行，有望延长核电站的预期寿命。该部件采用逆向工程制造，经测试，材料性能优于原来的部件。该公司计划继续和克尔什科核电站合作研发3D打印技术，重点推进传统技术难以生产部件的设计，如具有改进冷却模式的轻型结构。

2．采用3D打印研制先进核燃料和堆内构件取得重要进展

美国西屋公司目前正在研究三种3D打印技术。①激光粉末床熔融技术。适用于生产小型复杂的燃料结构部件。该技术生产的产品流动特性高，结构更轻、更坚固，可使燃料性能得到较大的提高。此外，采用该技术可以较低的价格制造传统制造方法无法定制的小体积部件。西屋公司已成功对激光粉末床熔融3D打印的部件进行辐照和辐照后测试，并计划在商用反应堆中使用。②黏合剂喷射3D打印技术。适用于生产更小型的复杂部件，不需要制造复杂的铸件模具，可将成本降低50%，生产周期缩短75%。其成本低于激光粉末床熔融技术。③直接能量沉淀技术。可用来生产适用于现有部件的喷嘴、凸台和法兰等，以及大型或更加复杂的部件。

美国爱达荷国家实验室（INL）2017年10月开发的核燃料3D打印技术，被称为“作为一种替代性制造技术的3D打印”（AMAFT）。AMAFT采用铀基原料，将处理铀矿石的传统水冶法和爱达荷实验室发明的“激光成形”技术结合起来，可制造出更安全、更先进的核燃料。该技术已被用来制造硅化铀颗粒，比传统的二氧化铀燃料密度更大，导热性能更强，因此耐事故性能更好。与传统技术相比，该技术可精简工艺步骤，节约时间和成本。

通用电气－日立核能公司（GEH）2016年以来采用直接金属激光熔融（DMLM）技术、3D打印316L和Inconel 718合金，生产核电站的替换部件。生产出的部件样品运往爱达荷国家实验室的先进试验堆进行辐照，辐照后取出，进行测试并和未经辐照的材料进行分析比较。这些工作大部分已经完成。GEH目前正在考虑打印反应堆内部构件，包括燃料碎片过滤器和喷射泵备件。

英国核先进制造研究中心于2017年6月在《国际核工程》上公布已确定的3项成熟、未来可应用于核制造业的技术：热等静压工艺（HIP）、采用粉末床或吹制粉末的3D打印技术、放电等离子体烧结技术。利用这些技术可生产具有优质材料性能的近净成形部件，目前已在航空航天等领域开展应用，并且用于生产一些海军核反应堆部件，但尚未得到民用核工业的认可和批准。

3．集中力量推动研发

俄罗斯国家原子能公司（Rosatom）近年来尤为重视3D打印技术在核工业的应用。2018年2月，Rosatom成立3D打印技术公司Rus AT，负责该技术研发，并制定了核工业3D打印技术发展路线图和战略。公司重点关注3D打印的4个重点领域：打印机及其部件的生产制造，材料和金属粉末的生产，系统的软件开发，为工业企业提供3D打印服务。Rus AT目前正在研究分离金属粉末技术；Rosatom还计划建立4个专门研究3D打印技术的工业工程中心，研发3D打印新技术和新材料。

此外，英国核先进制造研究中心联合法国阿海珐集团、法国电力集团、法国原子能与可再生能源委员会和瑞典材料研究组等共同开发Powder Way项目，还制定了一回路管道和用于燃料过滤器捕获碎片的小型复杂构件等6种部件发展规划；通用电气－日立核能公司在合作开发核科学用户设施（NSUF）计划，评估核电站部件3D打印的材料性能特征。