2022年9月26日，核能服務(wù)和零部件供應(yīng)商Framatome已在瑞典Vattenfall運(yùn)營的Forsmark核電站內(nèi)，完成了第一個3D打印不銹鋼燃料組件的安裝。

△Framatome的3D打印不銹鋼ATRIUM 11上拉格柵板，已用于瑞典Forsmark核電站

Framatome的ATRIUM TM 11燃料設(shè)計(jì)，是當(dāng)今市場上最先進(jìn)的沸水反應(yīng)堆燃料設(shè)計(jì)之一，可提高燃料利用率并為核運(yùn)營商提供全面的保護(hù)措施。該公司還與德國的泵、閥門和相關(guān)系統(tǒng)供應(yīng)商KSB SE & Co. KgaA合作，將3D打印的ATRIUM 11上拉格柵板安裝在Forsmark 3號機(jī)組中，用于長久的輻照計(jì)劃。

Framatome燃料業(yè)務(wù)部高級執(zhí)行副總裁Lionel Gaiffe表示：“使用3D打印技術(shù)制造的部件在完整性方面的進(jìn)步，這對于生產(chǎn)安全、可靠的低碳能源，以及長期穩(wěn)定運(yùn)營具有革命性意義。我們感謝Vattenfall為取代傳統(tǒng)制造業(yè)，以及未來的創(chuàng)新和發(fā)展敞開大門。”

△瑞典的Forsmark核電站

歐洲核電對于3D打印部件的驗(yàn)證計(jì)劃

位于ATRIUM 11燃料組件頂部的上拉格柵板是非結(jié)構(gòu)承重組件，可固定燃料棒，并防止較大的碎片從頂部進(jìn)入燃料組件。上拉格柵板需要具備檢查的方便性，并且可以根據(jù)需要檢查樣品，以驗(yàn)證這種新的制造工藝是否適合在反應(yīng)器內(nèi)使用。

Vattenfall核燃料AB的Ella Ekeroth說：“燃料組件的安全運(yùn)行是Vattenfall的關(guān)鍵，除了這一基本原則，我們對開發(fā)高效可靠的制造工藝貢獻(xiàn)，完全符合整個核工業(yè)的最大利益。這些創(chuàng)新的總體目標(biāo)，是為了保持和進(jìn)一步提高安全性，并實(shí)現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)上可行的長期運(yùn)營。”

在傳統(tǒng)的制造過程中，上拉格柵板是激光焊接的，使用沖壓的梳狀板，需要額外的制造步驟和操作員監(jiān)督。通過3D打印技術(shù)簡化了制造過程，并增加了設(shè)計(jì)選項(xiàng)，以增強(qiáng)功能和提高性能。

Framatome欲將3D打印引入核燃料的計(jì)劃始于2015年，重點(diǎn)是不銹鋼和鎳基合金燃料組件。2021 年，該公司與橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)合作開發(fā)的3D打印不銹鋼燃料組件通道緊固件，被裝載到美國商業(yè)BWR核電站。法國、德國和美國的Framatome燃料專家與全球客戶密切合作開發(fā)了這項(xiàng)技術(shù)。

△ORNL使用新型增材制造技術(shù)，為沸水反應(yīng)堆燃料組件3D打印通道緊固件

核反堆使用3D打印部件是一種趨勢

早在2020年10月，為了延長美國核電站的壽命并加快新核電技術(shù)的開發(fā)，田納西河谷管理局（TVA）的法國燃料供應(yīng)商Framatome委托美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室 (ORNL) ，在TVA位于阿拉巴馬州雅典的布朗斯費(fèi)里（Browns Ferry）核電站2單元，制造了四個3D打印支架，并于2021年春季安裝，將3D打印用于核反應(yīng)堆部件。

由于通道緊固件具有簡單但非對稱的設(shè)計(jì)，因此被認(rèn)為是3D打印的良好切入點(diǎn)。這些部件隨后由ORNL與TVA、Framatome和能源部核能辦公室多家機(jī)構(gòu)，資助的轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)反應(yīng)堆(TCR)計(jì)劃共同合作設(shè)計(jì)。

ORNL的TCR項(xiàng)目主管Ben Betzler表示，在反應(yīng)堆中使用3D打印組件是一個重要的里程碑，這表明在高度監(jiān)管的環(huán)境中提供合格的組件是可能的。Framatome北美燃料研發(fā)經(jīng)理John Strumpell稱，我們能夠部署創(chuàng)新技術(shù)并探索有利于核能行業(yè)的新興3D打印市場。該技術(shù)為設(shè)計(jì)和制造各種有助于，創(chuàng)造清潔能源的優(yōu)化部件奠定了基礎(chǔ)。