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韩国研究人员利用3D技术打印高强度大型核安全阀

3D打印 核安全阀
发布:2021-01-29 16:04:14    

韩国原子能研究所(KAERI)的科学家已经3D打印了一个具有足够阻力特性的大型安全阀,使其能够在核反应堆中使用。

通过将3D打印和CNC加工相结合,KAERI团队能够制造出30公斤的水龙头,并具有超精密的功能,包括一组复杂的内部冷却通道。在测试过程中,该阀门达到了商业备件中的“ 1级”安全等级,这意味着它有能力承受核工业中最严重的辐射暴露。

 
科学家的3D打印阀门(如图)宽300毫米、重30公斤。图片来自《核问题杂志》。

维护核电站

随着世界继续远离化石燃料,许多国家选择采用核能作为低碳替代品。特别是,美国已成为核电的全球领导者,通过这种方式产生的电力占世界电力的30%以上。自2007年以来,美国已投产了24座反应堆。

为了确保这些工厂继续安全运行,并且避免再次发生过去的灾难,必须对它们进行经常性的维护和维修。但是,KAERI团队发现某些安全关键部件的短缺,例如用于减轻堆芯压力的化学和体积控制系统(CVCS)阀门。

具体而言,CVCS用于在反应堆内执行流体供应或流量任务,并且尽管可以部署在其他地方,但安全级阀门始终必须满足某些标准。例如,核部件在部署之前必须通过水压,运行和流量测试,并且以前证明按需创建足够有弹性的组件是困难的。

 
 

组装前,KAERI团队的阀门被3D打印成三个独立的零件(如图)。图片来自《核问题杂志》。

制造重型阀门

根据KAERI科学家的说法,仅金属3D打印还不足以替代传统生产,以制造核备用件。但是,通过将定向能量沉积(DED)技术与5轴CNC加工相结合,团队发现他们能够以所需的极高精确度来制造复制品。

研究人员的铬和镍基阀门具有3D打印的阀体,阀盖和阀笼,组装后,对300mm装置进行了严格的评估。在压力测试期间,发现设备的层边界充当残余应力的焦点,从而使强度降低了7-8%。

同样,当CVCS在1100 o C的热等静压机(HIP)中进行后处理时,其完整性降低了33%,比传统阀门高出18%。不过,就稳定的性能及其“疲劳极限”而言,这种增材制造的设备的抗拉强度为202.6 MPa,优于商用产品。

总体而言,研究小组得出结论,尽管对热处理产生了反应,但其附加阀的恒定强度足以使其最终使用。考虑到该小组的CECS复制了1类类别的组件,国际原子能机构核监管机构会将其归类为“其失效将导致严重程度后果的部分”。3D打印部件的强度确实得到了高度赞扬。

加性原子应用

使用3D打印,现在可以制造耐高温部件,并且在过去一年中,美国能源部投入了大量资源来开发该技术的核应用。

橡树岭国家实验室(ORNL)是测试3D打印核零件的关键,并于2020年12月安装了其第一个与安全相关的组件。据报道,通过与田纳西河谷管理局(TVA)和燃料供应商Framatome的合作,ORNL能够将燃料组件支架整合到反应堆堆芯中。

ORNL也正在3D打印全功能微反应器,称为“转化挑战反应器(TCR)”。通过将增材制造,先进材料和集成传感器相结合,ORNL旨在优化并降低与建造核电站相关的成本。

在其他地方,阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的科学家已经利用3D打印来提高核废料的可回收性。Argonne小组相信,使用他们的新型增材制造的接触器设备,可以重复利用多达97%的浪费的核燃料。

研究人员的发现在名为“通过激光定向能量沉积的增材制造3英寸核安全1级阀门”的论文中得到了详细说明。这项研究由Suk Hoon Hoang,Joowon Suh,Sang Yeob Lim,Seungmun Jung,Young Woon Jang和In Soo Jun合著。

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