在核工業中，核電站反應堆壓力容器、蒸發反（fǎn）應器、鍛造主管道（dào）等設（shè）備以及一些零（líng）部件的（de）技術要求高、生產難度大，傳統製（zhì）造工藝存在生產周期長、投（tóu）入大、產品一（yī）次合格率較低等問題。

3D打印技術在小批量產品快速製（zhì）造、複（fù）雜零部（bù）件製造領域頗具優（yōu）勢，將3D打印技術應用在核工業（yè）中是否（fǒu）有助於解決這些（xiē）問題？ 本期，3D科學穀整理了中國核工業（yè）企業在（zài）核電廠閥（fá）門或管道中的輻（fú）射屏蔽材料、核反應堆壓力容器以及核燃料元件這三個領域的3D打（dǎ）印應用，通過這些（xiē）應用我（wǒ）們共同來了解（jiě）一下3D打印技術在核工業零部件製造中有哪（nǎ）些（xiē）值得探（tàn）索的領域。

將複雜的任務（wù）

交給3D打印

核輻射屏蔽材料的設計（jì）與3D打印

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

屏蔽材料的製造主要采用模壓-擠出工藝或直接擠出工藝。但是存在屏蔽材料均（jun1）勻性、成材性和密實度較差，易產生氣孔等問題。在屏蔽材料的設計（jì）方麵，由（yóu）於沒能結合需屏蔽的物體的形狀進行（háng）定製化設（shè）計，存在屏蔽材料不能貼合需屏蔽的物體（tǐ），屏蔽效（xiào）果差的（de）問題。在進行製造之前的屏蔽設（shè）計中，需要現場考察，而核電廠分布範圍（wéi）廣、每一核電（diàn）廠內所需屏蔽的（de）地方（fāng）多，給屏蔽設計帶來了極大的（de）困難（nán）。中廣核研究（jiū）院通過三（sān）維掃描、3D打印技（jì）術以及雲服（fú）務器在此類屏蔽材料的設計與製造中尋求（qiú）突破的解決（jué）方案。

首先通過三維掃描裝置對需屏蔽的位置進行（háng）三維掃描，以獲取掃描數據，隨後將掃描數據（jù）發（fā）送至雲平台服務器。雲平（píng）台服務器通過GeomagicStudio、CopyCAD、Imageware等逆向軟件對掃（sǎo）描數據進行預處理，以生成CAD模型文件。核電用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、粗糙度、打印材料及切片方式將CAD模型文件與設計圖紙進行（háng）校核、改進。接下來（lái）將3D圖紙發送至與雲平台相連接（jiē）的3D打印機進行打印。

使用三維掃描及雲平台進行設計，並通過3D打印機進行屏蔽材料小批量定（dìng）製化生產，提高了核電屏（píng）蔽設計的可靠性、靈活性、安全性和經濟性（xìng），大大縮短了研發進程，降低成本。由於是根據（jù）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（tiē）合，使屏蔽材料發揮出良好的核輻射屏蔽功能。

這種核輻射屏蔽材料（liào）的設計與製造模式可應用於所有已投入運行的核電站和在建的核電站中（zhōng），滿足不同地域核電站（zhàn）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（guó）核動力研究設計院與南方增材科技（jì）有限公司，聯合發起（qǐ）ACP100反應堆壓力容器（qì）增材製造（3D打印）項目。2016年12月，這個項（xiàng）目的研究成果3D打印反應（yīng）堆（duī）壓力容器試件已經通（tōng）過國家能源領域相關（guān）專家的技術鑒定。

中國核動力研究（jiū）設計院是中國唯一集核反應堆工（gōng）程研究、設計、試驗、運行和小批量生產（chǎn）為一體的大型綜合性（xìng）科研基地，核動力院積極致（zhì）力於核電研發，培育了具（jù）有自主知識產權的國產化核電站品牌CP600/CP1000/CPR1000，承擔著新一代壓水堆核（hé）電站ACP100/ACP600/ACP1000及CF係列燃（rán）料元件研究開發、超臨（lín）界水冷堆技術預先（xiān）研究等科研（yán）項目。

南方增材科技（jì）有限公司（sī）擁有自主研發的大（dà）型電熔3D打印設備，能打印直徑達5.6米，長度達9米，重達300噸的厚壁重（chóng）型金屬（shǔ）構件。該設備以金屬絲（sī）材與輔料為打印材料，在（zài）電熔（róng）冶金的環境下，利用高（gāo）能熱源熔（róng）化原料絲材，根據（jù）成形構件的分層切片數據，采用計算（suàn）機控製，實現原材料逐層快速激冷（lěng）凝固堆積，最終獲得（dé）超低（dī）碳、超細晶、組織均勻、綜合力學性能達（dá）到傳統鍛造工藝成形的金屬（shǔ）構件，包括反應（yīng）堆（duī）壓（yā）力（lì）容器在（zài）內的核電（diàn）大型金屬構件。

在3D打印過程中，項目雙方經過四（sì）輪材料試（shì）驗和（hé）兩輪工藝試驗，對材（cái）料成分、性能和成型結構方式給出了精（jīng）準的技術要（yào）求，使初期材料試驗過程中力學性能強度過高的（de）問題得到解決，為有效避免核輻（fú）照後材料出現（xiàn）脆化等問題奠定了基礎，並最終順利打（dǎ）印出了ACP100壓力（lì）容器3D打印試（shì）件。

采用傳統（tǒng）製造工藝製造反應堆壓力容器需要通過萬噸級重型鍛壓設備分段製造，然後再焊接在一（yī）起。中國核動力研究設計（jì）院與南方增材使用大型電（diàn）熔3D打印技術，可精確（què）地實現結構複雜的大型（xíng）金屬（shǔ）構件一體成型（xíng），為核電裝（zhuāng）備的高質量、高（gāo）效率、低（dī）成（chéng）本製造開辟了一條新的道路。經過技術鑒定，這個3D打印試件的產品性能可達到甚至部分優於（yú）鍛件產（chǎn）品。