为增材制造法点赞

复杂的几何结构、严格的公差要求，以及生产中的其他挑战，既反映出核燃料设计的独特性，也折射出设计者所遇到的创新限制。如何能让这些挑战迎刃而解呢？如果核燃料设计者们的精力只集中在提高燃料的性能上，而不必顾及传统制造方法所设置的种种限制，那么结果又会是怎样？

增材制造法的出现帮助西屋摆脱了这些设计的限制。西屋公司计划最早于2018年，成为首家在商业反应堆中放置增材制造的燃料部件的公司，该部件为指套管封堵装置。

在安全、质量、制造卓越、以及创新的前提下，西屋正在通过增材制造法将核燃料性能提升到一个新的高度，从而缩短供应链的交付周期。

以增材制造法制成的核燃料与核心部件的潜在好处包括：

西屋刚开始对增材制造的材料进行研究的时候，核工业在这方面还没有任何直接的辐射经验。为了解决这一问题，西屋用增材制造法制成了不锈钢合金316L与铬镍铁合金A718的微型拉伸试样，并对其进行了测试。试样使用激光粉末床系统打印而成，是将金属粉末薄层进行层层堆积并熔接在一起。西屋之所以选择了这两种合金，是因为它们是核应用中最具有商业可用性的合金。

西屋与麻省理工学院（MIT）开展合作，把试样于2014年10月放入MIT的试验反应堆，并于2015年5月取出。此后，西屋在其位于美国宾夕法尼亚州Churchill的美国卓越材料中心的热室设施中对试样进行了评估，其评估结果令人满意。不论是试样的机械性能如屈服强度与极限强度，还是与传统锻造法与铸造法生产的同类产品相比，性能都非常相似。此外，西屋在压水堆环境下对腐蚀电位进行了评估，其结果也非常相似。

基于这些结果，西屋选择了不锈钢合金316L来接受商业反应堆的辐射考验。这次西屋公司选择了用增材制造法来制作指套管封堵装置的棒体，将棒体与传统的铸件连接（注：铸件是棒体由此伸出以堵住指套管的面板）。西屋公司之所以选择采用指套管封堵装置作为首个在商业反应堆中进行测试的增材制造法的燃料部件，是因为即使该部件的性能表现低于预期，其所导致的后果会很小，风险也很低。此外，指套管封堵装置对不断加深与完善铸件与增材制造部件组合的设计与制造流程有着重要意义。

由于其尺寸的原故，以及对棒体直径、空间及平齐度的严格公差要求，指套管封堵装置的设计相当复杂。西屋选择的合作伙伴是穆格公司(Moog)。穆格所拥有的激光粉末床系统，在提高复杂零件的质量上有着良好的表现。在原型样品的概念验证成功之后，西屋与穆格公司的工程团队利用激光粉末床系统的独特性能，制作了指套管封堵装置, 这使得该部件的零件总数从30个减少到了3个，且不再需要连接螺栓以及装配最终产品的工艺步骤。指套管封堵装置的面板被放置于粉末床上，并将棒体直接一层一层地打印在上面，这不仅省去了在面板上精确钻取加工的24个孔，还省去了使用螺栓将24根棒体安装到面板上的工序。

增材制造成的指套管封堵设备将被安装在反应堆中的相对流动的区域——或暴露于每秒流过它的粒子，位于在堆芯内的燃料组件底部。当需要对它进行目视检查以确认其对反应堆堆芯严酷环境的反应时，可选择在正常的换料周期（18个月、36个月以及54个月）取出。

西屋利用增材制造法还设计和制造了其它燃料部件，如底部管嘴与先进的管式格架。这些设计充分利用了增材制造法的优势，由精密的三维打印技术制作出来，而非传统的减材制造法，将金属材料切割掉。增材制造法的出现为部件设计者拓宽了思路，使他们能够更好地用改进的设计来解决流体、压力以及燃料性能的挑战，而在传统制造方法中这些改进设计可能是无法解决的。

此外，由于增材制造法是基于数据分析的先进技术，通过三维模型来直接传输三维打印，所以新的原型样品的制造与测试速度也有了大幅度的提升。与传统的制造步骤（将信息发送给供应商进行开模、制作工具、冲压与加工、以及其它中间步骤）相比，总体时间会从数月缩短到几天。

对于新设计，西屋借助增材制造法可以快速地制作出塑料原型。每个原型可在西屋公司的5x5棒体阵列水力测试环路中进行测试，测试环路的流速与反应堆堆芯的流速相同。其整体过程可以用来确定新原型的水力性能以及其他特性，随后可对设计进行优化，从而提高性能。

增材制造法可以实现更快的研发周期。最近，西屋利用这一优势很快地筛选出了改进后的先进管式格架设计原型。西屋公司的目标是开发出更加坚固，流动交混性能好，抗震性更好的先进管式格架。

增材制造的开发工作还推动了三维计算流体动力学、计算机辅助工程设计、以及有限元分析建模的发展。通过提升建模技术水平，可以在昂贵的新部件投入生产和商业使用前进行必要的测试流程，将设计做得更完善。西屋也正在研究轻水反应堆的中子辐射对增材制造的锆合金的影响。

2017年，西屋公司获得了美国能源部83万美元的资金支持，将继续与MIT进行合作。今年已有三组增材制造的锆合金样品在该学院的试验反应堆中接受了辐射。其中两组已于今年夏季取回，并接受了更高的辐射水平，而另一组则正在接受分析，以得到初步结果。

制成样品的锆基粉末是由西屋的项目合作伙伴ATI特种合金与部件公司研发的，用于增材制造。研发过程证明了增材制造法可以用于锆基合金的加工。辐射试验完成后，西屋会在其热室设施中对增材制造的锆合金样品进行测试，来确定辐射对合金的机械性能与微结构性能的影响，然后进一步分析增材制造的锆合金样品中所发生的变化，与暴露在相同辐射水平中的铸造或锻造锆基合金材料的变化是否不同。该测试结果将有助于对使用增材制造法生产核燃料部件的理解与认识。

未来，西屋的增材制造法研发计划将会同美国核管理委员会就该技术研究的进展与测试结果进行更为深入的讨论。

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