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利用3D打印和人工智能改進(jìn)核反應(yīng)堆技術(shù)

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核能發(fā)電是用鈾制成的核燃料在“反應(yīng)堆”的設(shè)備內(nèi)發(fā)生裂變而產(chǎn)生大量熱能，再用處于高壓力下的水把熱能帶出，在蒸汽發(fā)生器內(nèi)產(chǎn)生蒸汽，蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)一起旋轉(zhuǎn)而發(fā)電，并通過(guò)電網(wǎng)輸送給消費(fèi)者。核能發(fā)電是解決2050年全球達(dá)到二氧化碳排放為零的重要支柱，然而，在未來(lái) 30 年內(nèi)，許多現(xiàn)有的核反應(yīng)堆可能會(huì)退役，因?yàn)樗鼈兓?70 年歷史的輕水技術(shù)。

由于3D打印技術(shù)可以成就復(fù)雜的產(chǎn)品形狀并制造更加特殊的材料，研究和開(kāi)發(fā)不同類型3D打印技術(shù)在核能領(lǐng)域的應(yīng)用對(duì)下一代核能的發(fā)展變得越發(fā)重要。本期，大家一起來(lái)了解美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室如何利用3D打印和人工智能改進(jìn)核反應(yīng)堆技術(shù)。

如果說(shuō)發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)的“心臟”，那么核反應(yīng)堆堪稱為核電站的“心臟”了。與航空工業(yè)發(fā)生的3D打印產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展類似，3D打印正在開(kāi)發(fā)中永久性地改變核能技術(shù)的過(guò)程中，3D打印和先進(jìn)的制造技術(shù)可能徹底改變核能工業(yè)，以小型堆推動(dòng)能源系統(tǒng)的低碳轉(zhuǎn)型。

下一代核能設(shè)備制造

20 年來(lái)，美國(guó)和西歐只建造了一座核電站，各國(guó)要么完全淘汰該技術(shù)，要么委托項(xiàng)目正在經(jīng)歷成本上升的挑戰(zhàn)。此外，從大規(guī)?；A(chǔ)電力向間歇性可再生能源的轉(zhuǎn)變正在引發(fā)對(duì)未來(lái)核電相關(guān)性的質(zhì)疑。

橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行的一項(xiàng)名為“轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)反應(yīng)堆計(jì)劃”的研究項(xiàng)目旨在改變這一令人沮喪的事實(shí)。ORNL正在與材料、計(jì)算和制造科學(xué)以及 3D 打印、人工智能和大數(shù)據(jù)合作，以推進(jìn)反應(yīng)堆堆芯設(shè)計(jì)。

3D打印在核能發(fā)電方面的應(yīng)用

橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)反應(yīng)堆計(jì)劃希望通過(guò)部署 3D 打印和人工智能來(lái)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)反應(yīng)堆核心技術(shù)，將核能帶入 21 世紀(jì)。通過(guò)技術(shù)進(jìn)步和最好的新材料來(lái)提供更好、更安全的核能系統(tǒng)，并且可以更快地部署。

這其中最令人擔(dān)憂的是核電的成本是如何飆升的，例如，英國(guó)的欣克利角 C 核電站預(yù)計(jì)耗資 220 億英鎊。

為了解決成本問(wèn)題，橡樹(shù)嶺的研究人員正在改進(jìn)他們的 3D 打印氣體管道到反應(yīng)堆堆芯的設(shè)計(jì)，使用計(jì)劃中開(kāi)發(fā)的 3D 打印方法，可以使用碳化硅進(jìn)行打印，碳化硅是一種耐火材料，具有高溫和抗輻射性。

3D 打印使的開(kāi)發(fā)人員能夠使用一些高性能材料實(shí)現(xiàn)高度復(fù)雜的設(shè)計(jì)，例如用于冷卻通道的設(shè)計(jì)，這在以前是不可能的。還可以使用新的材料，例如，使用碳化硅等材料，這樣可以顯著提高核心的性能和安全性。

數(shù)字制造與人工智能

此外，3D 打印有助于小體積和“混合”結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。這意味著，研究人員可以將其他組件嵌入并結(jié)合到材料中，特別是傳感器。通過(guò)將傳感和傳感器整合并嵌入結(jié)構(gòu)中，開(kāi)發(fā)人員可以從系統(tǒng)中提取更多信息，例如設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)。這使開(kāi)發(fā)人員能夠從整個(gè)系統(tǒng)中獲取更多數(shù)據(jù)，這對(duì)于降低運(yùn)營(yíng)成本很重要，因?yàn)檫@創(chuàng)建了一個(gè)更可靠的系統(tǒng)，具有更好的監(jiān)控信息，這意味著更多的流程可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

3D打印是數(shù)字化制造方式，由于能夠?qū)彶椴牧系闹圃旆绞揭约八鼈兪欠穹闲阅軜?biāo)準(zhǔn)，這還可以提高技術(shù)的資格和質(zhì)量保證。認(rèn)證通常需要很長(zhǎng)時(shí)間，需要很多流程。通過(guò)正在小批量進(jìn)行的3D 打印，研究人員可以在進(jìn)行過(guò)程中收集信息，使用傳感和其他東西來(lái)收集許多不同參數(shù)的信息，研究人員正在收集“幾百 GB”的數(shù)據(jù)集，這些數(shù)據(jù)集與人工智能一起用于搜索關(guān)鍵性能參數(shù)。然后使用此信息來(lái)確定零件制造后是否符合必要的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

研究人員還計(jì)劃創(chuàng)建一個(gè)數(shù)字平臺(tái)，幫助更快地采用增材制造核能技術(shù)。研究人員正在嘗試一種適用于多學(xué)科項(xiàng)目的敏捷、迭代和動(dòng)態(tài)方法。跟以往不同，這不是進(jìn)行數(shù)月或數(shù)年的設(shè)計(jì)，而是進(jìn)行數(shù)天或數(shù)周的設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行 3D 打印。然后，從原型中，開(kāi)發(fā)人員可以測(cè)量屬性和性能參數(shù)，并將其直接反饋到設(shè)計(jì)中。

更快、更便宜

ORNL 正在領(lǐng)導(dǎo)轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)反應(yīng)堆 (TCR)，并得到美國(guó)能源部 (DoE) 計(jì)劃的支持，以探索在美國(guó)更快、更便宜的核能分配，以降低制造成本和交貨時(shí)間并改進(jìn)安全。作為該計(jì)劃的一部分，ORNL 正在使用直接能量沉積 (DED) 3D 打印等技術(shù)建造核反應(yīng)堆堆芯。2020 年，普渡大學(xué)在收到美國(guó)能源部 80萬(wàn)美元的資助后，成為 TCR 計(jì)劃的主要貢獻(xiàn)者。因此，普渡大學(xué)正在開(kāi)發(fā)一種人工智能 (AI) 模型，以確保反應(yīng)堆堆芯 3D 打印組件的核級(jí)質(zhì)量。

TCR 計(jì)劃還見(jiàn)證了 ORNL 開(kāi)發(fā)了自己的新型 3D 打印技術(shù)，專門用于生產(chǎn)核反應(yīng)堆部件。該工藝結(jié)合了粘結(jié)劑噴射和陶瓷生產(chǎn)工藝，以更有效地制造復(fù)雜形狀的組件。該方法還可以打印高溫合金和難熔金屬，這些合金和難熔金屬由于耐高溫和耐降解，對(duì)核反應(yīng)堆部件的安全運(yùn)行至關(guān)重要。

自啟動(dòng) TCR 計(jì)劃以來(lái)，ORNL 的 3D 打印核反應(yīng)堆組件已安裝在阿拉巴馬州田納西河谷管理局 (TVA) 的布朗斯費(fèi)里核電站。與核燃料供應(yīng)商法馬通合作開(kāi)發(fā)的四個(gè) 3D 打印燃料組件支架目前在工廠處于常規(guī)運(yùn)行條件下。

發(fā)揮結(jié)構(gòu)一體化優(yōu)勢(shì)

不僅僅是橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，西屋電氣充分發(fā)揮了3D打印實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)一體化的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)了3D打印的核動(dòng)力燃料組件隔離柵。反應(yīng)堆堆芯由大量細(xì)長(zhǎng)的燃料組件組成，每個(gè)燃料組件包括多個(gè)包含易裂變材料的燃料棒，其反應(yīng)以產(chǎn)生熱量。每個(gè)燃料組件的燃料棒由多個(gè)柵格保持成有組織的，間隔開(kāi)的陣列，這些柵格沿著燃料組件的長(zhǎng)度軸向間隔開(kāi)，并附接到燃料組件的多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的控制桿導(dǎo)向套管。

通過(guò)引入增材制造技術(shù)-3D打印技術(shù)，可以在不進(jìn)行進(jìn)一步組裝或焊接過(guò)程的情況下打印西屋電氣開(kāi)發(fā)的隔離柵。西屋電氣設(shè)計(jì)的間隔柵具有沿著細(xì)長(zhǎng)燃料組件的豎直軸線的軸向尺寸，核燃料組件格柵包括多個(gè)管狀燃料棒支撐單元，具有四個(gè)橫截面通常為正方形的壁。在相鄰的燃料棒支撐室或控制棒支撐室中，每個(gè)壁的內(nèi)部支撐垂直彈簧。西屋電氣還考慮了一種混合葉片，該混合葉片在燃料桿支撐單元之間的區(qū)域中，連接至燃料桿支撐單元的外部。

與現(xiàn)有的柵格設(shè)計(jì)相比，新的設(shè)計(jì)允許SiC型燃料棒的平滑插入，同時(shí)還帶來(lái)低壓降。增材制造技術(shù)使得間隔柵設(shè)計(jì)允許1）實(shí)施高度精細(xì)但完全集成的混合功能，從而增強(qiáng)熱和水力性能；2）最小化總壓降；3）提高整體網(wǎng)格強(qiáng)度以應(yīng)對(duì)震動(dòng)。