ORNL 3D首次打印工作中的核反应堆堆芯

库尔特·特拉尼想要加速核能的未来，所以他转向了它的过去。在过去的一年半里，特拉尼和田纳西州橡树岭国家实验室的物理学家、工程师和计算机科学家组成的团队设计并建造了气冷核反应堆的部件。这是一种几乎和核时代一样古老的反应堆，但橡树岭的最新原子分离器具有独特的21世纪风格。当它在2023年上线时，它将是世界上第一个采用3D打印内核的核反应堆。

“我们正在做的是试图找出一种更快的方法来建造一个性能优越的核系统，”Terrani说，他是橡树岭转型挑战反应堆项目的技术总监。“我们的目标是从根本上改变我们处理核能的方式。”

核工业以极其保守和抗拒变革而闻名，Terrani感叹美国所有的核反应堆仍在使用半个世纪前梦想出来的技术。“如果它没有坏，就不要修理它”的心态是一种管理建造新核电站的固有风险和过高成本的方法，但它也扼杀了这个提供美国绝大多数无碳能源的行业的创新。“如果它没有坏，就不要修理”的心态是管理新建核电站固有风险和高昂成本的一种方式，但它也扼杀了这个提供美国绝大多数无碳能源的行业的创新。Terrani担心的是，如果核工业不接受新技术，它很快就会过时。

这并不是说我们应该在没有尽职调查的情况下开始建设试验性核电站。核工业进展如此缓慢的原因是，误判的代价是巨大的-切尔诺贝利和福岛的事故是定义代际的灾难，没有人想要重蹈覆辙。但避险并没有阻止其他臭名昭著的死气沉沉的行业拥抱新技术。看看航空航天，现在的公司可以3D打印整枚火箭，驾驶自动着陆飞机，以及在无人机上捕捉助推器。无论如何，今天正在开发的大多数先进反应堆并不是全新的；它们是几十年前成功建造的反应堆的改进设计。“我们知道所有这些概念都是有效的，”Terrani说。“问题是我们不能以足够快的速度和足够的成本建造它们。”

特拉尼和他的同事们正在研究它。橡树岭团队最近敲定了3D打印核心的初步设计，该核心位于其转型挑战反应堆(TCR)的核心。虽然反应堆的大部分将由传统部件制成，但核心将完全由碳化硅3D打印出来，碳化硅是一种极其坚固的材料，几乎不可能熔化。圆柱形堆芯是一种暗淡的金属银，中间排列着几个不规则的非四角形燃料组件。这就是核反应堆中所有魔力发生的地方：它负责保持铀燃料和控制裂变反应的组件。在橡树岭设计和打印的核心不到一英尺半高，将被安置在一个比啤酒桶大不了多少的反应堆中。但Terrani表示，当它在2023年上线时，它将产生高达3兆瓦的电力，足以满足1000多个普通家庭的能源需求。

TCR是一种先进的气冷反应堆，使用氦作为冷却剂，而今天美国大多数运行中的反应堆使用水。气冷反应堆非常省油，因为它们在非常高的温度下运行-这一个将在1200华氏度左右运行-Terrani表示，3D打印反应堆核心将进一步提高效率。此外，建造反应堆堆芯的传统加工技术限制了它们的设计。橡树岭岩芯中复杂的冷却通道网络对于任何传统的加工技术来说都太小、太曲折了。但是，由于3D打印机通过将金属一层一层地融合在一起来建造一个物体，工程师们可以建造以前不可能实现的核心设计。

“我们不再拘泥于乏味的几何图形，”Terrani说。您可以更改整个核心的设计，并让您的系统响应环境，而不是一系列看起来都一样的东西。

3D打印还将帮助核工程师在反应堆启动并运行后更好地了解堆芯内发生的事情。在常规反应堆中，堆芯的行为必须从外部进行监控。但3D打印实现的新设计将允许嵌入式传感器直接从核心提供数据。此外，3D打印还使核工程师能够更好地控制制造过程。TCR核心的各个部分需要8到24小时才能打印出来，Terrani说整个核心可以在几周内打印出来。在打印过程中，机器视觉算法从红外摄像机和其他传感器吸收数据，帮助它确定打印过程中是否出现任何缺陷。

但在特拉尼看来，接下来发生的事情才是最大的游戏规则改变者。当为常规核反应堆制造部件时，它必须经过昂贵而缓慢的认证过程。怎么这么贵?。Terrani说，他知道有一座核电站不得不为一个螺栓支付2万美元，而制造这个螺栓的成本只有几美分，因为这个螺栓是专门为核系统认证的。(他拒绝透露具体植物的名字。)。

田纳西大学诺克斯维尔分校(University of Tennessee，Nnoxville)核工程师尼古拉斯·布朗(Nicholas Brown)表示：“核反应堆核心中新结构部件最昂贵、最耗时的步骤之一是部件的鉴定成本。”通常，这一过程可能需要数十年、数百万或数十亿美元。布朗说，新零件的成本之所以如此之高，是因为认证它们通常涉及一个“烹饪和观察”过程：将一个新零件放入测试反应堆，看看它的性能如何，工程师根据这些数据对零件进行修改，然后重复这个过程，直到性能达到预期。就像核反应堆技术本身一样，获得使用资格的过程停留在20世纪70年代。

Terrani希望3D打印部件产生的海量数据可以加快认证过程，降低让核反应堆上线的成本。他说，一个手掌大小的3D打印小工具可以很容易地产生关于零件质量的数百千兆字节的信息。如果有缺陷，它会在数据中显示出来-没有必要使用超声波和其他昂贵的测试来寻找它。但是，橡树岭的研究人员没有让人筛选3D打印机产生的堆积如山的数据，而是训练了一种机器学习算法，以使用这些数据来验证部件。“一旦我们制造了这些东西，我们就不需要回来花几个月的时间来认证这些东西了，”Terrani说。“想象一下，当你完成一个部件的制作时，人工智能可以告诉你它是好是坏。这就是我的梦想。“。

TCR的气体冷却系统基本上是X-10的增强型，X-10是世界上第一个设计用于连续运行的核反应堆。X-10于20世纪40年代初在橡树岭建造，在开工仅9个月后就首次启动。考虑到今天美国唯一在建的核反应堆预计至少需要12年才能完工，这是一个令人震惊的速度。Terrani希望3D打印、人工智能等新技术能将这种快速发展和部署的步伐带回核工业。

“核电不可能是唯一没有采用任何新技术的行业，”他说。“我们希望打开闸门，看到这个国家先进的核电。”

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