3D打印应用于核反应堆零件生产

3D打印应用于核反应堆零件生产

2020-12-11 9

最近的是美国田纳西河谷管理局(TVA)和法国的Framatome,他们委托能源部实验室开发了一套四个支架,供布朗斯费里核电站使用。金属3D打印支架将在2021年春季安装在现场,这将成为第一种用于商业反应堆的支架。


布朗斯渡轮厂位于阿拉巴马州雅典附近的田纳西河上,于1974年开始运营时,是世界上最大的轮渡电厂。它也是第一台发电量超过1吉瓦的电力。附近的惠勒湖(Wheeler Lake)以及七个风机塔为该地点的三个通用电气沸水反应堆冷却,这些反应堆产生的能量约为3.8吉瓦。这使其成为美国第二大核电厂,也是TVA运营的最强大的核电厂。

金属3d打印

截至2019年,布朗斯渡轮(Browns Ferry)进行了一系列新升级,使该工厂的产量增加了14.3%。尽管规模相对较小,但到2021年,它将看到另一种添加剂的升级。作为ORNL转型挑战反应堆(TCR)计划的一部分,实验室配备了3D打印通道紧固件,用于TVA燃料供应商Framatome制造的沸水反应堆燃料组件。这些部件将燃料通道固定到沸水反应堆燃料组件,燃料通道环绕组件,并引导冷却剂通过燃料棒。

3d打印零件

ORNL为Browns Ferry工厂生产的3D打印紧固件。图片由美国能源部Fred List / ORNL提供。

使用微焊接工艺,将零件3D打印以符合反应堆安全法规。还提供了在打印过程中捕获的3D数据,其中详细说明了打印的每一层,从而可以验证零件的质量。过去,传统制造的紧固件是由昂贵的铸件制成的,因此必须进行精密加工。在这种情况下,增材制造(AM)是创建零件的更有效方法。


TCR计划旨在向行业合作伙伴介绍新的制造方法,以加快核系统的开发。由于托架是燃料组件的关键,因此它们可作为3D打印可带给核电领域功能的有用证明。反过来,增材制造可能会在将来用于制造更复杂的零件以用于核电应用。


TCR主任库尔特·特拉尼(Kurt Terrani)表示:“这是ORNL与核监管委员会监管研究办公室和核供应商进行协调努力的第一步,以证明有可能采用一种新的,大大加快了生产合格零件的方法。”


Framatome从2015年开始探索AM用于核燃料的应用,重点是用于燃料组件的不锈钢和镍基合金。然后,其专家与客户紧密合作,并依靠来自欧盟和美国能源部的资金进一步推动该技术的发展。

3D打印机

这些由ORNL与Framatome和田纳西河谷管理局合作制造的燃料组件支架,是首批3D打印的与安全相关的组件,可插入核电站。图片由美国能源部Fred List / ORNL提供

考虑到3D打印对于高成本,低数量零件的强大价值主张,将AM用于此应用程序是一个显而易见的选择。作为一种很容易以与传统制造技术相抗衡的价格生产少量复杂几何形状的技术,增材制造是核工业,航空航天和赛车运动等行业的理想选择。它不仅可以用于制造性能更好的零件,而且价格更便宜,而且还可以缩短周转时间。


因此,我们已经看到许多项目将3D打印应用于核反应堆零件的生产。当爱达荷州国家实验室使用该技术制造零件进行研究时,匹兹堡大学获得了100万美元的资金,用于研究核反应堆组件的3D打印。2017年,西门子已经在核反应堆中安装了3D打印部件,这促使西屋电气公司采取了类似的举措。甚至有一些项目正在使用3D打印来回收核燃料,甚至进行核聚变(备受追捧的能源技术,与为现有核电厂提供动力的裂变相反)。


紧固件已经安装在位于华盛顿州Richland的Framatome核燃料制造工厂的ATRIUM 10XM燃料组件上。在2021年3月,新的支架将在计划的加油中断期间安装在Browns Ferry 2上,并将在零件使用期间进行检查的情况下在那呆6年。


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