导读：核电建设缓慢、成本高昂且难以变革，这些因素几十年来一直制约着行业的发展。
2026年4月28日，美国最大的多学科科学技术实验室——橡树岭国家实验室（ORNL）正致力于将大幅面增材制造技术应用于核反应堆结构部件的制造，从而将工期从数月缩短至数周，并实现传统模板无法实现的几何形状。这项工作由橡树岭国家实验室制造示范设施复合材料创新小组组长艾哈迈德·阿拉比·哈桑领导。随着美国首个熔盐反应堆在橡树岭历史悠久的K-25基地开工建设，项目已从示范阶段进入实际部署阶段。
实验室与规模化问题
橡树岭国家实验室（ORNL）是美国能源部科学办公室下属最大的国家实验室，拥有26亿美元的预算和7000多名员工。实验室开发了世界上第一座连续运行的核反应堆，如今已建造了世界上两个最强的中子源，以及占地11万平方英尺的制造示范设施，哈桑的团队在反应堆设施中整合了增材制造、传统复合材料、机械加工和粉末床增材系统。橡树岭国家实验室制造示范设施（MDF）主任瑞安·德霍夫形容实验室进入核能增材制造领域是一个快速发展的过程。“大约六年前，我们开始真正感受到核能领域对这项技术的兴趣，并迅速推进，进行试验、原型制作，最终投入生产，”他说道。“这是一项技术发展、应用和成熟过程都非常迅速的过程。”
ORNL的所有能力都作为用户设施运行，通过合作协议向工业界、大学和其他国家实验室开放。“这种模式旨在解决先进制造业的‘死亡谷’问题，即中期规模化阶段，在这个阶段，私人投资稀缺，有前景的技术往往停滞不前，”哈桑解释道。德霍夫指出，所有这一切背后的关键挑战在于，行业在历史上对增材制造（AM）的理解存在偏差。他说道：“我们把化学配方直接应用到3D打印机上，以为一切都会很顺利。但我们没有相应的加工步骤，所以材料的性能会出现差异。”传统的铸造或锻造合金在增材制造条件下表现不同，橡树岭国家实验室（ORNL）的材料研究主要集中在316H不锈钢和镍基高温合金上，致力于通过专门设计适用于增材制造工艺的材料，而不是简单地改造传统材料，来弥合这一差距。
ORNL的核心理念是融合制造：将增材制造、减材制造和成形工艺整合到一个统一的生产工作流程中，并通过传感、仿真和数据驱动优化等连续的数字化流程将其连接起来。这种整合能够实现任何单一工艺都无法企及的功能复杂性和尺寸精度。ORNL团队的规模化生产经验充分体现了这种模式的价值。早期的大幅面打印试验由于热膨胀导致严重的翘曲现象。将不连续碳纤维加入热塑性基体中，稳定了复合材料，使产量从每小时40磅提高到100磅。
△美国核管理委员会批准的先进反应堆项目目前正在美国进行核电建设。图片来自 Kairos Power
为凯罗斯电力公司的熔盐反应堆打印基础设施
凯罗斯电力公司正在橡树岭历史悠久的K-25核电站建造赫尔墨斯试验反应堆，这将是美国首座此类熔盐反应堆。项目涉及复杂的结构构件，包括四根40英尺高的坚固支撑梁，它们支撑着反应堆压力容器，并作为现浇混凝土的支架。为了确保砖块的精确对齐，这些支撑梁采用了阶梯状几何结构，这使得传统的钢或木制模板成本高昂、施工缓慢且难以修改。为了解决这个问题，橡树岭国家实验室（ORNL）设计了一种模块化的3D打印模板，采用碳纤维增强ABS材料，可生产可堆叠的六英尺（约1.8米）长的模块。模块化设计兼顾了设计的灵活性和物流效率：如果某个模块失效或需要修改，只需更换模块即可。有限元分析指导了壁厚和内部桁架几何形状的确定，确保打印的模板能够承受浇筑过程中18英尺（约5.5米）厚混凝土的静水压力。
哈桑说道：“从CAD文件到首次混凝土浇筑，仅用了14天，误差控制在±4毫米以内。模板可以重复使用多次，因此每次使用都能带来成本和时间上的双重效益。这就是增材制造在核电建设中的优势所在。”基于这项成功经验，Kairos Power 和 ORNL 将该方法推广到反应堆的辐射屏蔽领域。传统的屏蔽方式依赖于直线型砖砌预制板，并通过耗时费力的灌浆连接，这限制了几何形状的选择。开发团队正在打印 27 英尺高的聚合物嵌件，用于正弦曲线状的互锁预制混凝土板，从而为辐射形成曲折的路径，减少泄漏并省去灌浆工序。哈桑强调，施工的每个阶段都依赖于紧密集成的数据栈：材料表征、打印过程中的在线红外和传感器监测、打印后的3D扫描以及结构性能测试。这些数据集为人工智能和机器学习系统提供数据，以优化设计几何形状和工艺参数。哈桑强调：“我们的目标不仅仅是更快地建造一座反应堆，而是将大型核电站建设从一次性的工程工作转变为可重复的、数据驱动的工作流程，并将增材制造确立为核电行业的标准工具。”
△美国核管理委员会批准的先进反应堆项目目前正在美国进行核电建设。图片来自 Kairos Power
利用增材制造技术重建核能的更广泛努力
Kairos
Power的合作项目是美国核工业现代化这一历时数年的更广泛努力的一部分。目前，美国国内大部分核电来自1967年至1990年间建造的反应堆。如今，退役反应堆的速度已经超过了新建反应堆的速度，运行中的反应堆数量也从1990年的峰值112座下降到2022年的92座，过去28年间仅有三座大型反应堆投入运行。为此，美国能源部计划在2026年底前建成三座新的试验反应堆，并在2028年建成首座运行中的微型反应堆。传统的建造方法历来难以达到这些时间表。增材制造正在成为实现这一加速计划的关键推动因素。
橡树岭国家实验室（
ORNL）一直在为这一变革奠定基础。2021年，ORNL与田纳西河谷管理局（TVA）和法马通公司合作开发的四个3D打印燃料组件支架被安装在TVA位于阿拉巴马州的布朗斯费里核电站，据报道，这标志着3D打印的安全相关部件首次被安装在运行中的反应堆中。最近，橡树岭国家实验室首次在核反应堆内测试了3D打印的样品舱。这些采用激光粉末床熔融技术打印的小型不锈钢部件，在辐照过程中用于容纳实验材料，并且必须能够密封核反应过程中产生的裂变气体。
△用于高通量同位素反应堆的3D打印样品舱。图片来自橡树岭国家实验室。
这些样品被放入橡树岭国家实验室的高通量同位素反应堆中近一个月，成功经受住了高通量中子环境的考验。这一结果之所以意义非凡，关键在于几何形状。德霍夫解释说，已知的一种失效模式是胶囊壁在压力下发生屈曲并卡在反应堆内，因此ORNL专门设计了能够以可控、可预测的方式失效的形状，以避免这种情况的发生。他指出，这些几何形状“无法用任何其他制造方法生产”。
Kairos Power 项目代表了这一发展进程的下一步，它将增材制造技术从单个反应堆组件扩展到围绕它们的更大的结构和运行基础设施，展示了该技术如何不仅能加速零件生产，还能加速整个核电建设工作流程。
来源：南极熊
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