走向商业化！USNC采用粘结剂喷射3D打印核能反应堆陶瓷组件
国际上USNC通过粘结剂喷射3D打印技术制造核能领域的包覆燃料的基体和(或)包覆层的燃料元件。USNC的商用放射性同位素加热器可以集成到着陆器和漫游车等太空探索设备中，使它们能够在传统热源失效的寒冷条件下生存。此功能对于防止设备和组件在 14 天的阴历夜、月球永久阴影区域以及太阳能和化学电源效率低下或无法使用的其他地方冻结至关重要。
粘结剂喷射技术用于3D打印陶瓷材料的核反应材料存储器
© USNC
成就下一代核能反应堆
根据ACAM亚琛增材制造中心，3D打印-增材制造的发展趋势朝向多维度的深化层面，面向量产应用，3D打印突破当前应用对经济性要求的限制，向应用端深度延伸走向产业化的一条发展路径是实现结构更加复杂的产品。
根据清华大学刘荣正副教授课题组在《科学通报》发表的评述文章“碳化物陶瓷材料在核反应堆领域应用现状”，新一代核能系统要求所用的材料具备更好的力学性能、热物理性能、抗辐照性能、耐蚀和抗热震性等，碳化物陶瓷材料是重点研究对象。
陶瓷包括不同成分的组合，其中SiC-碳化硅陶瓷不仅具有优良的常温力学性能，如高的抗弯强度、优良的抗氧化性、良好的耐腐蚀性、高的抗磨损以及低的摩擦系数，而且高温力学性能(强度、抗蠕变性等)是已知陶瓷材料中最佳的。热压烧结、无压烧结、热等静压烧结的材料，其高温强度可一直维持到1600℃，是陶瓷材料中高温强度最好的材料。抗氧化性也是所有非氧化物陶瓷中最好的。别名金刚砂。
讨论了七种3D打印技术制造致密、结构先进的陶瓷部件，并揭示了七种技术中的一种技术：粘结剂喷射3D打印在陶瓷方面的应用现状与前景。这一技术正在获得商业化突破，其落脚点之一正是发挥了陶瓷耐高温特性的核能反应堆陶瓷组件的3D打印。
科研与商业化结合的核能组件研发与产业化
总部位于西雅图的 Ultra Safe Nuclear Corporation (USNC) 已授权使用碳化硅等耐火材料为核反应堆 3D 打印组件的新方法。该方法由橡树岭国家实验室开发，将粘结剂喷射 3D 打印技术与化学蒸汽渗透工艺相结合，能够更有效地制造反应堆组件，并且更加复杂。通过许可该方法，USNC 希望推动其开发和部署核能发电设备的使命，这种设备不仅安全、使用简单，而且具有商业竞争力。
USNC 已授权 ORNL 的新型粘结剂喷射3D打印增材制造方法生产复杂的核反应堆组件
© ORNL
核能发电是用铀制成的核燃料在“反应堆”的设备内发生裂变而产生大量热能，再用处于高压力下的水把热能带出，在蒸汽发生器内产生蒸汽，蒸汽推动汽轮机带动发电机一起旋转而发电，并通过电网输送给消费者。核能发电是解决2050年全球达到二氧化碳排放为零的重要支柱，然而，在未来 30 年内，许多现有的核反应堆可能会退役，因为它们基于 70 年历史的轻水技术。
为了解决这个问题，ORNL 正在领导转型挑战反应堆 (TCR)，并得到美国能源部 (DoE) 计划的支持，以探索在美国更快、更便宜的核能分配，以降低制造成本和交货时间并改进安全。作为该计划的一部分，ORNL 正在使用直接能量沉积 (DED) 3D 打印等技术建造核反应堆堆芯。2020 年，普渡大学在收到美国能源部 80万美元的资助后，成为 TCR 计划的主要贡献者。因此，普渡大学正在开发一种人工智能 (AI) 模型，以确保反应堆堆芯 3D 打印组件的核级质量。
TCR 计划还见证了 ORNL 开发了自己的新型 3D 打印技术，专门用于生产核反应堆部件。该工艺结合了粘结剂喷射和陶瓷生产工艺，以更有效地制造复杂形状的组件。该方法还可以打印高温合金和难熔金属，这些合金和难熔金属由于耐高温和耐降解，对核反应堆部件的安全运行至关重要。自启动 TCR 计划以来，ORNL 的 3D 打印核反应堆组件已安装在阿拉巴马州田纳西河谷管理局 (TVA) 的布朗斯费里核电站。与核燃料供应商法马通合作开发的四个 3D 打印燃料组件支架目前在工厂处于常规运行条件下。
燃烧组件支架© ORNL/DoE
在通过粘结剂喷射3D打印技术制造核能反应堆陶瓷组件方面，根据新协议，USNC获得ORNL 的 3D 打印方法的授权，并为其先进的反应堆设计开发和部署组件。该公司还计划将其业务扩展到东田纳西州，以更接近 ORNL 的专业知识，同时扩大用于核能和工业应用的特种组件的生产。
USNC 使用碳化硅制造其核反应堆核心部件，碳化硅是一种据报道已被证明可以耐受辐射的耐高温陶瓷。然而，用碳化硅加工反应器部件非常耗时且昂贵。ORNL 的增材制造方法将使 USNC 能够更有效地使用碳化硅制造组件，同时实现所需的复杂形状。USNC 的新试点燃料制造工厂将位于位于橡树岭的田纳西科技园，距离 ORNL 的主园区只有几分钟的路程。通过此举，该公司旨在继续与 ORNL 合作并支持 TCR 计划。
靠近实验室及其世界一流的科学家和设施，使得USNC能够轻松获得反应堆核心技术和增材制造方面的专业知识，以及最新的辐射、燃料和材料研究，所有这些都有益于 USNC带来安全、 可靠的核能组件。
理想照进现实的粘结剂喷射3D打印复杂陶瓷结构
核电是我国能源供应体系的重要分支，也是新能源的重要组成部分。根据BP2021年报告，到2020年中国核能发电量达到366.2 TWh，占全球总量的13.6%。2020年中国居世界第二位，仅次于美国30.8%。但是中国运行、在建和拟建反应堆数将超过美国。目前，我国核电行业-核电站运营企业的数量不多，因存在严格的行政准入门槛、资金门槛和技术门槛等，主要公司包括：中国广核、中国核电、国家电投大唐发电等，中国已有自己的核能反应堆研发能力。
根据清华大学刘荣正副教授课题组在《科学通报》发表的评述文章“碳化物陶瓷材料在核反应堆领域应用现状”，SiC-碳化硅材料的共价键极强，在高温下仍能保持较高的键合强度，化学稳定性和热稳定性好，高温变形小，热膨胀系数低，非常适合用于高温环境中。SiC在核能系统中应用非常广泛，主要有四方面的应用：一是作为包覆燃料颗粒的包覆层。二是发展SiCf/SiC复合包壳，代替锆合金包壳使用。三是在气冷快堆中用作基体材料。四是在熔盐堆中作为结构材料使用。目前对SiC抗氧化性能提升的研究也在积极开展。
由于3D打印技术可以成就复杂的产品形状并制造更加特殊的材料，研究和开发不同类型3D打印技术在核能领域的应用对中国核能的发展将变得越发重要。
粘结剂喷射技术的3D打印过程是通过喷射液体粘结剂将粉末选择性地粘合在薄层中，一层一层的重复粘合过程。分辨率受粉末尺寸或粘结剂液滴尺寸的限制，具体取决于哪个较大。通过使用小于 50 μm 的喷嘴孔口，可以实现粘结剂喷射技术的出色尺寸精度。粘结剂流变学和喷嘴几何形状在控制液滴大小方面起着重要作用。
粘结剂喷射技术制造碳化硅陶瓷的最近发展是使用具有单峰和双峰粒度分布的 SiC 原料粉末3D打印预制件。在惰性气氛中，在高于 1410°C 的温度下用熔融硅渗透打印的预制件，以形成 SiC-Si 复合材料。所有打印和试样的密度、弹性模量、弯曲强度和断裂韧性都随着 SiC 的体积分数而增加。使用双峰原料粉末制造的试样在所有测试的体积分数 SiC 下都具有更高的密度、弹性模量、弯曲强度和断裂韧性。与传统成型相比，通过粘结剂喷射然后后处理形成的样品具有相当的密度、弹性模量和弯曲强度，但较低断裂韧性。
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