國際首例！北歐核電站核燃料碎片過濾器由3D打印制造

2022年6月17日，南極熊獲悉，一套3D打印的燃料組件已成功被安裝在斯堪納維亞半島的核電站，這在國際上尚屬先例。

這些核燃料碎片過濾器被命名為StrongHold AM過濾器，由能源部門的技術(shù)供應(yīng)商瑞典西屋電氣公司3D打印。它們是第一個(gè)被批準(zhǔn)用于最終應(yīng)用的同類產(chǎn)品，并已安裝在芬蘭Olkiluoto核電站的2號(hào)機(jī)組和瑞典Oskarshamn核電站的3號(hào)機(jī)組。

盡管西屋公司進(jìn)行了生產(chǎn)，但金屬StrongHold AM過濾器實(shí)際上是在與這些工廠的運(yùn)營商--芬蘭的Teollisuuden Voima Oyj（TVO）和瑞典的OKG--緊密合作下設(shè)計(jì)的。

西屋公司燃料輸送部歐洲、中東和非洲地區(qū)副總裁Carina Önneby說："作為第一個(gè)用于插入核電站的3D打印燃料碎片過濾器，StrongHold AM標(biāo)志著我們利用先進(jìn)制造技術(shù)進(jìn)一步提高沸水反應(yīng)堆（BWR）燃料可靠性的一個(gè)重要里程碑。"

△一個(gè)StrongHoldAM 3D打印的核燃料碎片過濾器。照片來自西屋公司。

什么是燃料碎片過濾器？

核能反應(yīng)堆根據(jù)核裂變的原理運(yùn)作，中子猛烈撞擊原子，將它們分裂成更小的原子并釋放能量。這種能量被用來加熱水并產(chǎn)生蒸汽，使渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以產(chǎn)生電力。可裂變材料被儲(chǔ)存在燃料棒中，這些燃料棒的完整性對該過程的成功和安全都至關(guān)重要。

核電站的風(fēng)險(xiǎn)之一是由于外來碎片進(jìn)入反應(yīng)堆而導(dǎo)致的燃料故障。因此，燃料碎片過濾器是核能發(fā)電中發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵安全措施之一，因?yàn)樗鼈兪菍ｉT用來捕獲碎片并阻止其損壞燃料組件中的包層。如果沒有它們，發(fā)電廠將經(jīng)歷更頻繁的非計(jì)劃性停運(yùn)，這將是昂貴的。

奧斯卡桑恩3號(hào)工廠經(jīng)理AndreasRoos解釋說："燃料損壞會(huì)迫使我們暫時(shí)停止運(yùn)行，這影響了供應(yīng)安全，并帶來不必要的成本，減少燃料損壞的風(fēng)險(xiǎn)對我們的業(yè)務(wù)是非常有幫助的�！�

△奧爾基洛托2號(hào)反應(yīng)堆容器內(nèi)的過濾器。照片來自TVO。

通過3D打印提高性能

3D打印碎片過濾器實(shí)際上是為作為整體燃料組件的一部分而設(shè)計(jì)的，它在這兩個(gè)發(fā)電廠最近的一次燃料加注中斷中被安裝上。據(jù)項(xiàng)目合作伙伴稱，打印部件中所包含復(fù)雜的結(jié)構(gòu)難以用傳統(tǒng)工藝制造。

除了在制造上具有成本效益外，與傳統(tǒng)的同類產(chǎn)品相比，這些過濾器還能為燃料組件提供更好的保護(hù)。

TVO公司燃料采購組組長ArttuKnuutila說："在把3D打印這種新技術(shù)應(yīng)用到核電站方面，我們可以自豪地扮演先驅(qū)者的角色，甚至在全球也是如此。我們現(xiàn)在可以獲得使用3D打印金屬產(chǎn)品的重要實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，這將成為未來越來越重要的操作解決方案。擁有像西屋公司這樣強(qiáng)大的合作伙伴網(wǎng)絡(luò)是非常重要的，他們部署增材制造來推動(dòng)增強(qiáng)能力。"

增材制造技術(shù)的應(yīng)用是核電領(lǐng)域的一項(xiàng)新的大膽嘗試。今年早些時(shí)候，超安全核公司（USNC）授權(quán)使用一種新方法，用碳化硅等耐火材料為核反應(yīng)堆3D打印部件。該方法由橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)，利用粘結(jié)劑噴射，使反應(yīng)堆部件的制作更加高效。

△燃料組件支架是第一個(gè)插入核電站的3D打印安全相關(guān)部件。圖片來自Fred List/ORNL，美國能源部。

△ORNL為Framatome的沸水反應(yīng)堆燃料組件3D打印的通道緊固件。照片來自Framatome。

USNC隨后從DesktopMetal最近更新的X系列粘合劑噴射系統(tǒng)中購買了兩臺(tái)新的3D打印機(jī)，以促進(jìn)他們正在進(jìn)行的項(xiàng)目。這些機(jī)器將用于3D打印創(chuàng)新的燃料設(shè)計(jì)，以用于新一代的先進(jìn)核反應(yīng)堆。