阿贡实验室的3D打印突破可能加速核反应堆审批

制造业与核监管的交汇

先进核反应堆面临一个悖论：今天开发的设计旨在比现有轻水反应堆更安全、更高效、更灵活，但管理其施工的监管路径是为上一代的制造方法制定的。当代码制定时不存在或不实用的材料现在可以以高精度生产——但在通过可能需要多年的标准流程正式批准之前，它们在核部件中不能合法使用。

阿贡国家实验室正在努力缩小这一差距。阿贡研究人员已向美国机械工程师协会(ASME)提交了一份代码案例草案，该草案将允许在高温核反应堆应用的部件中使用激光粉末床融合——一种高精度增材制造技术。如果获得批准，该代码变更将开放制造核级部件的大门，这些部件具有传统机械加工方法无法有效实现的几何复杂性和材料特性。

激光粉末床融合提供的优势

激光粉末床融合(LPBF)是现有最先进的金属3D打印工艺之一。高功率激光逐层选择性地熔合金属粉末，特征分辨率以毫米的几分之一计，产生具有复杂内部几何形状、优化冷却通道和定制材料成分的部件，这些部件从实心料坯中机械加工是不实用的或不可能的。对于核反应堆部件，这直接转化为工程师之前无法利用的设计自由度。

经历高温和中子通量的反应堆部件需要具有精确微观结构特性的材料。传统制造依赖于精心控制的热处理和机械加工顺序，以在简单几何形状中实现这些特性。LPBF可以通过激光参数控制每个沉积层的热历史，在复杂形状中产生相当于或优于传统制造质量的微观结构。其结果是一种与传统制造质量相匹配或超过的部件，同时能够实现改善热性能、减轻重量或简化装配的几何形状。

ASME代码案例流程

ASME锅炉和压力容器代码是美国核设施中压力承载设备的权威技术标准。在核安全相关部件中使用的材料和工艺在并入许可设施之前必须获得明确的代码案例批准。获得该批准需要向ASME委员会提交关于材料特性、制造工艺控制和无损检测方法的技术数据，这些委员会审查并投票决定新的代码案例。

阿贡的代码案例草案提交是该流程对LPBF的正式启动。该团队已整理了在与先进反应堆运行相关的温度范围内由LPBF生产的不锈钢和镍合金样品的机械特性数据，并证明这些特性符合或超过核服务所需的最小值。

供应链和设计含义

核工业的专用部件供应链相当受限。能够生产核级锻件、铸件和机械加工部件的制造商数量很少，其认证流程冗长，关键部件的交付期以年计。该供应链瓶颈已被反复确定为限制先进核项目建设步伐的一个因素。

LPBF制造不需要与传统核部件生产相同的专业铸造基础设施。一旦制造商获得其特定LPBF工艺和设备的代码案例批准，它可以在数周而不是多年的交付期内生产新型反应堆部件(对于更简单的部件)，对于复杂部件则为数月而不是多年。

先进反应堆时间表压力

阿贡推动代码案例的时间反映了围绕先进反应堆部署的日益紧迫性。数十种先进反应堆设计——包括用于偏远地区的微反应堆、熔融盐设计和高温气冷反应堆——正在通过NRC审查流程，预期在未来几年内某些设计将获得建造许可证。这些设计中的每一个都需要一条合格部件的供应链，缺乏LPBF作为经批准的制造方法已成为设计灵活性的一个制约因素。

如果代码案例按正常时间表进行ASME审查，批准可能在两到三年内到达——与最先进的下一代项目的建造时间表保持一致，并提供了当前一代反应堆设计不存在的制造选择。

本文基于有趣工程公司的报道。阅读原文。