在核工（gōng）業中，核電（diàn）站反應堆壓力容器、蒸發反應器、鍛造主管道等設備以及一些零部件的技術要求高（gāo）、生產難（nán）度大，傳統製造工藝存在生產周期長、投入大、產品一次合格率（lǜ）較低等問題。

3D打印技術在小批量（liàng）產品（pǐn）快速（sù）製造、複雜（zá）零部（bù）件製（zhì）造領域頗（pō）具優勢，將3D打印技術應（yīng）用在核工業中是否有助於解決這些問題（tí）？ 本期（qī），3D科學穀整理了（le）中國核（hé）工業企業在核電廠閥門或管道中的（de）輻射屏蔽材料、核反應（yīng）堆壓力容器以及核燃料元件這三個領域的3D打印應用，通過這些應用我們共同來了（le）解一下3D打印（yìn）技術在核工業零（líng）部件製造中有哪些（xiē）值得探（tàn）索的（de）領域。

將複雜的任務

交給3D打印

核輻（fú）射屏蔽材料的設（shè）計與3D打印

在核能源係統中會產生各種輻射射線（xiàn），該輻射射線不僅會汙染環境，還會對（duì）人體造成傷害（hài）。因此，在核（hé）電（diàn）廠的部分閥門處或管道處需要通過屏蔽材（cái）料對輻射射線進行屏蔽，以減少環境汙（wū）染和人（rén）體傷（shāng）害。 

屏蔽材料的（de）製造主要采用模壓-擠（jǐ）出工藝或直接擠出工（gōng）藝。但是存在屏蔽材料均勻性、成材性和密實度（dù）較差，易產（chǎn）生氣孔等問題。在屏蔽材料的設計方麵，由於沒能結合需屏蔽的物體的形狀進行定製化設計，存在屏蔽材料不能貼合（hé）需（xū）屏蔽的物體，屏蔽（bì）效果差的問（wèn）題。在進行製造之前的屏蔽設（shè）計（jì）中，需要現場考察，而核電廠分布範圍廣、每一核電廠內所需屏蔽的地方多（duō），給屏蔽（bì）設計帶來了極大的困難（nán）。中（zhōng）廣核研究院通過三（sān）維（wéi）掃描、3D打印技術以及（jí）雲服務器在此類屏蔽材料的設計與製造中尋求突（tū）破的解決方案。

首先通過三維（wéi）掃描裝置對（duì）需屏蔽的位置進行三維掃描，以獲取（qǔ）掃描數據，隨後將掃描數據發（fā）送至雲平（píng）台服務器。雲平台服務器通過GeomagicStudio、CopyCAD、Imageware等逆向軟件對掃描數據進行預處理，以生成CAD模型（xíng）文件。核電用（yòng）戶通過具有權限的用戶終端訪問雲平台服務器並下載CAD模型文件，根據尺寸精度、粗糙（cāo）度、打印材料及切片（piàn）方式將CAD模型文件與設計圖紙進行校核、改進。接下來將3D圖紙發送（sòng）至與雲平台相連接的3D打印機進行打（dǎ）印。

使用三維掃描及雲平台進行設計（jì），並通過3D打印機進（jìn）行屏蔽材料（liào）小批量（liàng）定製化生產，提（tí）高了核電屏蔽設計的（de）可靠性、靈活性、安全性（xìng）和經濟性，大（dà）大縮短了研發（fā）進程，降低成本。由（yóu）於是根據需要屏蔽材料的位置定製化設計的，設計出的屏蔽材料可與需求部位實現更好的貼合，使屏蔽（bì）材料發揮出良好的核輻（fú）射屏蔽（bì）功能。

這種核（hé）輻射屏蔽材（cái）料的設計與製（zhì）造模式可應用於所有（yǒu）已投（tóu）入（rù）運行的核電站和在建（jiàn）的核（hé）電站中，滿足不同地域核電站的需求。

3D打印一（yī）體成型核反應堆壓力容器

2015年10月中國核動力研究設計（jì）院與南方增材科技有限公司，聯合發起ACP100反應堆壓力（lì）容器增材製造（3D打印）項目。2016年12月，這個項目的研究成果3D打（dǎ）印反（fǎn）應堆壓力容器試（shì）件已經通過國家能源領域相關專家的技術鑒定。

中國核動力研究設計院是中國唯一集核反（fǎn）應堆工程研究、設計、試驗、運行和小（xiǎo）批量生產為一體的大型（xíng）綜合性科研基地，核動力院積極致（zhì）力於核電研發，培育了具有自主知（zhī）識產權的國產化核電（diàn）站（zhàn）品牌CP600/CP1000/CPR1000，承擔（dān）著新一代壓水堆核電站ACP100/ACP600/ACP1000及CF係列燃料元件研究開發、超臨界水冷堆技術預（yù）先研究（jiū）等科研項目。

南方增材科技有限公司擁有自主研發的大型電熔3D打印（yìn）設備，能打印直徑達5.6米，長度達9米，重達300噸的厚壁重型金屬構件。該設備以金屬絲材與輔（fǔ）料為打印材料，在電熔冶金的（de）環境下，利用（yòng）高能熱源熔化原料絲（sī）材，根據成形構件的（de）分層切片數（shù）據（jù），采用計算機控製，實現（xiàn）原材料逐層快速（sù）激（jī）冷凝固堆積，最終獲得超低碳、超細晶、組織均勻、綜合力學性能達到傳（chuán）統鍛造工（gōng）藝成形的金屬構件，包括反應堆壓力容器在內的核電大型金（jīn）屬構件。

在3D打印過（guò）程（chéng）中，項目雙方經過四輪材料試驗和兩輪工藝試驗（yàn），對材料成分、性能和成型結構方（fāng）式給出了精準的技術要求，使初期材料（liào）試驗過程中力學性能強度過高的問題得到解決，為有效避免核輻（fú）照後材料出現脆化等問題奠定了基礎，並最終順利打印出了ACP100壓（yā）力容器3D打印試件。

采用（yòng）傳統製造工藝製造（zào）反應堆壓力容器需要通過萬噸級重型鍛壓設備分段（duàn）製造，然後再焊接在一起。中國（guó）核（hé）動力研究設計院與南方增材使用大型電熔3D打印（yìn）技術，可精確地實現結構複雜的（de）大型金屬構件一體成型，為核電裝備的高質量、高（gāo）效率、低成本製造開辟了一條新（xīn）的道路。經（jīng）過技術鑒定，這個3D打印試件的（de）產品性（xìng）能（néng）可達到甚至部分優（yōu）於鍛件產品。