3D打印技術(shù)在核燃料后處理分析設(shè)備研制中的應(yīng)用

趙勝洋

（中國原子能科學(xué)研究院，北京100000）

0 引言

大力發(fā)展核電有助于減少碳排放。國家已經(jīng)制定了積極的核電發(fā)展方針。我國在建核電機(jī)組排世界第一。核燃料后處理工程作為核電燃料組件的后續(xù)主要處理工序也被提上了日程，核燃料后處理不僅可以降低乏燃料放射性活度，減輕乏燃料庫存壓力，還可以從乏燃料組件中提取未完全燃燒的鈾及新產(chǎn)生的镎钚，綠色循環(huán)再利用。分析設(shè)備在核燃料后處理過程中是基礎(chǔ)支撐設(shè)備。由于后處理工藝的特殊性，大部分分析設(shè)備均需定制加工。因此，可結(jié)合3D打印技術(shù)進(jìn)行設(shè)備研制，加快設(shè)備研制進(jìn)度。

本文對3D打印的概念及技術(shù)特點(diǎn)，以及在核能領(lǐng)域的發(fā)展歷程和應(yīng)用現(xiàn)狀等方面進(jìn)行介紹，并研究3D打印技術(shù)在核燃料后處理分析設(shè)備研制中的初步應(yīng)用，對取得的成果進(jìn)行簡要分析。

1 3D打印技術(shù)概述

3D打印技術(shù)是一種重要的尖端生產(chǎn)制造技術(shù)，3D打印亦稱快速成型技術(shù)（rapid prototype）、增材制造技術(shù)（additive manufacture）。3D打印技術(shù)的概念最早出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代。1986年，查克·赫爾發(fā)明了立體光刻工藝（SLA），并獲得專利，同年，他成立了世界上第一家3D打印公司——3D Systems，標(biāo)志著3D打印技術(shù)的誕生[1]。3D打印原理是運(yùn)用3D軟件CAD、UG、Solidworks等進(jìn)行設(shè)計(jì)建模，以三維數(shù)字信息化模型文件為基礎(chǔ)，然后，用3D打印軟件將模型層層分割，在電腦軟件驅(qū)動控制下，通過打印機(jī)將打印原料（粉末狀金屬、熱塑型塑料或有機(jī)光固化溶劑等可黏合材料）按照程序分割的既定路徑連續(xù)地進(jìn)行物理層疊加，通過材料逐層堆積法打印的方式來構(gòu)造物體，最終把屏幕上的藍(lán)圖變成實(shí)物。類似于數(shù)學(xué)積分，從微小單元累積成一定規(guī)模。

3D打印融和了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)電控制、材料與化學(xué)等諸多方面的專業(yè)技術(shù)知識，是一種綜合性應(yīng)用技術(shù)。打印機(jī)是3D打印的核心裝備，它是集機(jī)械、機(jī)電控制及數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)等為一體的復(fù)雜機(jī)電一體化系統(tǒng)，主要由控制程序、高精度機(jī)械系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)和成型環(huán)境等子系統(tǒng)組成[2]。

在制造行業(yè)，3D打印有著其獨(dú)有的優(yōu)勢。首先，與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，3D打印技術(shù)不必鑄造原型，能在短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到產(chǎn)品成型，大大縮短了從研發(fā)到應(yīng)用的時間。此外，從3D打印的原理可知，3D打印使得復(fù)雜程度高、難度大的模型制作變得相對容易，降低了制造風(fēng)險(xiǎn)。再次，在不考慮制造難度后，還可以隨性設(shè)計(jì)，突出產(chǎn)品個性。最后，由于沒有了傳統(tǒng)制造的挖孔、切削等打磨工序，3D打印能夠在一定程度上減少能源及原材料的消耗，實(shí)現(xiàn)和諧綠色制造。3D打印技術(shù)是未來智能制造的重要技術(shù)之一。

2 3D打印技術(shù)在核能行業(yè)應(yīng)用簡介

由于核工業(yè)對核設(shè)備材料的長期穩(wěn)定性、可靠性及耐輻射性等安全方面有嚴(yán)格要求，3D打印在核能行業(yè)應(yīng)用起步較晚。近年來，隨著技術(shù)的進(jìn)步，3D打印技術(shù)在核能領(lǐng)域也加快了應(yīng)用步伐。2016年，美國能源部立項(xiàng)了2個3D打印項(xiàng)目，一個項(xiàng)目是使用3D打印技術(shù)直接制造核電廠替代部件，在打印出產(chǎn)品后對該部件進(jìn)行了輻照檢查，對輻照結(jié)果進(jìn)行了分析，該部件符合相關(guān)條件要求；另一個項(xiàng)目是由西屋公司承擔(dān)，研究直接使用3D技術(shù)制造核設(shè)備的商業(yè)可行性。西屋公司研究結(jié)果表明，在使用3D打印技術(shù)制造供在運(yùn)核電廠使用的電機(jī)部件鑄橫時，可大幅度降低剖造費(fèi)用，大幅度縮短制造時間，加快了項(xiàng)目研發(fā)進(jìn)程，3D打印技術(shù)有望推廣在其他核設(shè)施設(shè)備制造過程中。

2016年，俄羅斯國家原子能集團(tuán)公司成立了3D打印技術(shù)子公司，旨在研究新型金屬3D打印粉末材料和工業(yè)規(guī)模打印機(jī)，以制造核工業(yè)設(shè)備和部件，有足夠研發(fā)能力時，再拓展至其他行業(yè)領(lǐng)域。英國塞拉菲爾德公司2014年公布與相關(guān)3D研發(fā)企業(yè)合作研發(fā)，采用3D打印技術(shù)為一個載重40 t的專用放射性固體廢物運(yùn)輸罐設(shè)計(jì)了一個密封蓋，成功應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目需求。與常規(guī)制造相比，生產(chǎn)周期縮短了6個月，成本也顯著降低。瑞典烏普薩拉大學(xué)與Add North 3D增材制造公司一起合作開發(fā)了一種名為Addbor N25的新型打印材料，該材料是一種新的碳化硼復(fù)合長絲。碳化硼是一種重要的中子吸收材料，在核工業(yè)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。該項(xiàng)發(fā)明有助于新型輻射屏蔽材料的3D打印制造。

2016年1 月，中核北方核燃料元件有限公司成功利用3D打印技術(shù)制造完成CAP1400燃料原型組件下管座，是3D打印技術(shù)在我國核燃料元件制造領(lǐng)域的大膽實(shí)踐，為滿足今后更為精密的3D打印需求邁出了重要一步。同年，中國廣東核電運(yùn)營有限公司也對3D打印技術(shù)進(jìn)行智能制造研究，開展了題目為“3D打印技術(shù)在核電站備件及零部件制造、維修過程中的關(guān)鍵技術(shù)研究”的科研項(xiàng)目。該項(xiàng)目以主要成分為碳、錳、鉻、硅、鎳、鉬、銅等元素的EAM235合金為原材料，利用3D打印制造技術(shù)制造了制冷機(jī)端蓋，并將該端蓋在大亞灣核電站壓縮空氣生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行安裝調(diào)試，成功通過了設(shè)備運(yùn)行考核指標(biāo)，成功解決了因國外廠家設(shè)備改型、備件無法供貨的卡脖子難題。該項(xiàng)目是3D打印技術(shù)在國內(nèi)商業(yè)運(yùn)行核電站的首例工程實(shí)踐示范應(yīng)用。

張琦等發(fā)明了一種基于3D打印的核燃料組件定位格架[3]。該定位格架具有夾持效果好、利于水流通過、便于安裝燃料棒的優(yōu)點(diǎn)，大幅度降低制造成本，改善了格架的水力場分布，提高定位格架的綜合性能。

陳義等發(fā)明了一種基于3D打印的棒狀核燃料元件及其密封成形方法[4]，解決現(xiàn)有的棒狀核燃料元件因包殼和端塞密封性能不好而導(dǎo)致的安全問題。該密封成形方法采用SiC作為棒狀燃料元件的包殼材料，通過3D打印成型與激光熔覆技術(shù)，在包殼和端塞間形成密封圈，解決了包殼和端塞之間的密封問題，提高了棒狀核燃料元件的安全性，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

3 3D打印技術(shù)在核燃料后處理分析設(shè)備研制中的應(yīng)用

核燃料后處理分析對象復(fù)雜，樣品多具有放射性元素，不僅具有化學(xué)毒性，還有輻射危險(xiǎn)。有的危險(xiǎn)操作要在熱室、手套箱或通風(fēng)柜中進(jìn)行，因此，對分析設(shè)備的考驗(yàn)要求較高，各種商業(yè)的分析設(shè)備大多是按照非放射性或放射性比活度較低的樣品設(shè)計(jì)的，是為了更大的市場需求而大量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。為了適應(yīng)放射性需求，需要對很多商用儀器進(jìn)行改造。3D打印快速成型的優(yōu)良特點(diǎn)可以將分析儀器設(shè)計(jì)理念實(shí)時地轉(zhuǎn)化為實(shí)物模型，并借助設(shè)計(jì)軟件把設(shè)計(jì)思想可視化展現(xiàn)，可深入探究分析設(shè)備的內(nèi)部空間構(gòu)型，找到設(shè)計(jì)死角，提升分析性能，且可以根據(jù)測試結(jié)果在設(shè)計(jì)軟件上隨時調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)后再重新打印。采用3D打印技術(shù)將使專用分析儀器研制改裝時間大大縮短，可快速實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念，培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力。

本研究工作采用的3D打印機(jī)型號為北京宏瑞匯天威科技有限公司Z500產(chǎn)品系列。成型原理為熔融堆積（FDM）；成型平臺尺寸360 mm×350 mm×560 mm，定位精度XY軸：0.01 mm，Z軸：0.0025 mm；噴嘴直徑為0.4 mm；噴頭工作溫度170~260℃；打印材料為PLA、ABS、PE、PP、等熱塑性材料。

4 3D打印技術(shù)在核燃料后處理分析設(shè)備研制中的前景展望

3D打印技術(shù)是顛覆性的加工制造技術(shù)，在制造業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)制造方式相比，不但可以大幅度減少成本，而且可以突破了傳統(tǒng)制造工藝對于復(fù)雜形狀的限制，使得孔洞、彎管、蜂巢型等內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型加工變得容易，與核燃料循環(huán)分析設(shè)備專一化、輕量化的設(shè)計(jì)思路高度契合。同時給了設(shè)計(jì)人員無限的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間想象力，可以大幅度提升創(chuàng)造力。