在核工業中，核電站反應堆壓力容器、蒸發反應器、鍛造（zào）主（zhǔ）管道等設備以及一些零部件的技術（shù）要求高、生產難度大，傳統製造工藝存（cún）在生產周期長、投入大、產（chǎn）品一次合格率較低等問題。

3D打印（yìn）技術在小批量產品快（kuài）速製造、複雜零部件製造領域頗具優勢，將3D打印（yìn）技術應（yīng）用在核工（gōng）業中是否（fǒu）有助於（yú）解決這些問題（tí）？ 本期，3D科學穀整理了中國核工業企業在核電廠閥門或管道中的輻（fú）射屏蔽材料、核反應堆壓（yā）力容器以及核燃料元件這（zhè）三個領域的3D打印應用，通過這些應用我（wǒ）們共同來（lái）了解一下3D打印技（jì）術在核工業零部（bù）件製造中有哪些值得探索的領域。

將複雜的（de）任務

交給（gěi）3D打印

核輻射屏蔽材料的設計與3D打印

在核能源係統（tǒng）中會產生各種輻射射線，該（gāi）輻射（shè）射線不僅會汙染環境，還會對人體造（zào）成傷害。因此（cǐ），在核電廠的部分閥（fá）門（mén）處或管道處需要（yào）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害。 

屏蔽材料的製造主要采用模壓（yā）-擠出工藝或直（zhí）接擠出工藝。但是存在屏蔽材料均勻性、成材性和密實度較差，易產生（shēng）氣孔等問題。在屏蔽材料的（de）設計方麵，由於沒能結合需屏蔽（bì）的（de）物體（tǐ）的形狀進行定製化設計，存在（zài）屏蔽材料不能貼合需屏蔽的物體，屏蔽效果差的問題。在進行製（zhì）造之前的屏蔽設計（jì）中，需要現場考察，而核電廠分布範圍廣、每一（yī）核（hé）電廠內所（suǒ）需屏蔽的地方多，給屏（píng）蔽設計帶來了極（jí）大的困難。中廣核研究院通過三維掃描（miáo）、3D打印技術以及雲（yún）服務器在（zài）此類（lèi）屏蔽材料的（de）設計與製造中尋求突（tū）破的解決方案。

首先（xiān）通過三維（wéi）掃描裝置對需屏蔽的位置進行三維掃描，以獲取掃描數據，隨後將掃（sǎo）描數據發送至雲平台服務器。雲平台服務器通過GeomagicStudio、CopyCAD、Imageware等逆向軟件（jiàn）對掃描數據進行預處理，以生成CAD模型（xíng）文件。核（hé）電用戶通過具有（yǒu）權（quán）限的用戶終（zhōng）端訪問雲平台服（fú）務器並下（xià）載CAD模型文件，根據尺寸精（jīng）度、粗（cū）糙度、打印材料及切片方式將（jiāng）CAD模型文件（jiàn）與設計圖紙進行校核、改進。接下來將3D圖紙發送至與雲平台相連接的3D打印機進行打印。

使用三維掃描及雲（yún）平台進行（háng）設計，並通過3D打（dǎ）印機進行屏蔽材料小批量定製化生產，提高了核電屏蔽設計的可靠性、靈活性、安全性和經濟性（xìng），大大縮短了（le）研發（fā）進程，降低成本。由於是根（gēn）據（jù）需要屏蔽材（cái）料的（de）位置定製化設計的，設計出的屏蔽材（cái）料可與需求部位實現更好的貼合（hé），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的（de）設（shè）計與（yǔ）製造模式（shì）可（kě）應用（yòng）於（yú）所有已投入運（yùn）行的核電站和在建的核電站中，滿足不同地域核電站的（de）需求。

3D打印（yìn）一體成型核反應堆壓力（lì）容器

2015年10月中（zhōng）國核（hé）動力研究設計院（yuàn）與南方增材（cái）科技有限公司，聯合發起ACP100反應堆壓力容器增材（cái）製造（3D打印（yìn））項目。2016年12月，這個（gè）項目的研究成果3D打印反應堆（duī）壓（yā）力容器試件已經通過國家能源領域相關專家（jiā）的技術鑒定（dìng）。

中國核動力研究設計（jì）院是中國唯一集核反應堆工程研究、設計、試（shì）驗、運行和小批量生產為一體的大型（xíng）綜合性科研基（jī）地，核動力院積極致力於核電研發，培育了具有自主知識產權的國（guó）產化核電站品牌CP600/CP1000/CPR1000，承擔（dān）著（zhe）新一（yī）代壓（yā）水堆核電站（zhàn）ACP100/ACP600/ACP1000及CF係列燃料元件研究開發、超臨（lín）界水冷堆技術預先研究等科研項目。

南方增材科技有限公司（sī）擁有自主研發的大型電熔3D打印設備，能打（dǎ）印直徑達5.6米，長（zhǎng）度達9米，重達（dá）300噸的厚壁重型金屬構件。該設備以金屬絲材與輔料為打印材料，在電熔冶（yě）金的環境下，利用高能熱源熔化原料絲（sī）材，根據成形構件的分層切片數據（jù），采用計（jì）算機控製，實現原材料逐層快速激冷凝固堆積（jī），最終獲得超低（dī）碳、超細晶、組織均勻、綜合力學性（xìng）能達到傳統鍛造工藝成形的金屬構件，包括反應（yīng）堆壓力容（róng）器在內的核電（diàn）大型金屬構件。

在3D打印過程中，項目雙（shuāng）方經過四輪材料試驗和（hé）兩輪工藝試驗（yàn），對材料（liào）成分、性能（néng）和成型結構（gòu）方式給出了精準的技術要求，使初期材料試驗（yàn）過程中力學性能強度過高的問題得到解決，為有（yǒu）效避免核輻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壓力容器3D打印試件。

采用傳統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（duàn）製造，然後再焊接在一起。中國核動力研究設計院與南方（fāng）增材使用大型電熔3D打印技術，可（kě）精確地實（shí）現結構複雜（zá）的大型金屬構件一體成型，為核電裝備的高質量（liàng）、高效率、低成（chéng）本製造開辟了一條新（xīn）的道路。經過技術鑒（jiàn）定，這個3D打印試（shì）件的產品性能可達到甚至部分優（yōu）於鍛件產品。