3D打印技術在核燃料后處理分析設備研制中的應用

趙勝洋

（中國原子能科學研究院，北京100000）

0 引言

大力發展核電有助于減少碳排放。國家已經制定了積極的核電發展方針。我國在建核電機組排世界第一。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生的镎钚，綠色循環再利用。分析設備在核燃料后處理過程中是基礎支撐設備。由于后處理工藝的特殊性，大部分分析設備均需定制加工。因此，可結合3D打印技術進行設備研制，加快設備研制進度。

本文對3D打印的概念及技術特點，以及在核能領域的發展歷程和應用現狀等方面進行介紹，并研究3D打印技術在核燃料后處理分析設備研制中的初步應用，對取得的成果進行簡要分析。

1 3D打印技術概述

3D打印技術是一種重要的尖端生產制造技術，3D打印亦稱快速成型技術（rapid prototype）、增材制造技術（additive manufacture）。3D打印技術的概念最早出現在20世紀80年代。1986年，查克·赫爾發明了立體光刻工藝（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，標志著3D打印技術的誕生[1]。3D打印原理是運用3D軟件CAD、UG、Solidworks等進行設計建模，以三維數字信息化模型文件為基礎，然后，用3D打印軟件將模型層層分割，在電腦軟件驅動控制下，通過打印機將打印原料（粉末狀金屬、熱塑型塑料或有機光固化溶劑等可黏合材料）按照程序分割的既定路徑連續地進行物理層疊加，通過材料逐層堆積法打印的方式來構造物體，最終把屏幕上的藍圖變成實物。類似于數學積分，從微小單元累積成一定規模。

3D打印融和了產品設計、計算機技術、機電控制、材料與化學等諸多方面的專業技術知識，是一種綜合性應用技術。打印機是3D打印的核心裝備，它是集機械、機電控制及數字計算機技術等為一體的復雜機電一體化系統，主要由控制程序、高精度機械系統、噴射系統和成型環境等子系統組成[2]。

在制造行業，3D打印有著其獨有的優勢。首先，與傳統制造技術相比，3D打印技術不必鑄造原型，能在短時間內實現從產品設計到產品成型，大大縮短了從研發到應用的時間。此外，從3D打印的原理可知，3D打印使得復雜程度高、難度大的模型制作變得相對容易，降低了制造風險。再次，在不考慮制造難度后，還可以隨性設計，突出產品個性。最后，由于沒有了傳統制造的挖孔、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，實現和諧綠色制造。3D打印技術是未來智能制造的重要技術之一。

2 3D打印技術在核能行業應用簡介

由于核工業對核設備材料的長期穩定性、可靠性及耐輻射性等安全方面有嚴格要求，3D打印在核能行業應用起步較晚。近年來，隨著技術的進步，3D打印技術在核能領域也加快了應用步伐。2016年，美國能源部立項了2個3D打印項目，一個項目是使用3D打印技術直接制造核電廠替代部件，在打印出產品后對該部件進行了輻照檢查，對輻照結果進行了分析，該部件符合相關條件要求；另一個項目是由西屋公司承擔，研究直接使用3D技術制造核設備的商業可行性。西屋公司研究結果表明，在使用3D打印技術制造供在運核電廠使用的電機部件鑄橫時，可大幅度降低剖造費用，大幅度縮短制造時間，加快了項目研發進程，3D打印技術有望推廣在其他核設施設備制造過程中。

2016年，俄羅斯國家原子能集團公司成立了3D打印技術子公司，旨在研究新型金屬3D打印粉末材料和工業規模打印機，以制造核工業設備和部件，有足夠研發能力時，再拓展至其他行業領域。英國塞拉菲爾德公司2014年公布與相關3D研發企業合作研發，采用3D打印技術為一個載重40 t的專用放射性固體廢物運輸罐設計了一個密封蓋，成功應用于實際項目需求。與常規制造相比，生產周期縮短了6個月，成本也顯著降低。瑞典烏普薩拉大學與Add North 3D增材制造公司一起合作開發了一種名為Addbor N25的新型打印材料，該材料是一種新的碳化硼復合長絲。碳化硼是一種重要的中子吸收材料，在核工業領域具有重要應用。該項發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打印技術制造完成CAP1400燃料原型組件下管座，是3D打印技術在我國核燃料元件制造領域的大膽實踐，為滿足今后更為精密的3D打印需求邁出了重要一步。同年，中國廣東核電運營有限公司也對3D打印技術進行智能制造研究，開展了題目為“3D打印技術在核電站備件及零部件制造、維修過程中的關鍵技術研究”的科研項目。該項目以主要成分為碳、錳、鉻、硅、鎳、鉬、銅等元素的EAM235合金為原材料，利用3D打印制造技術制造了制冷機端蓋，并將該端蓋在大亞灣核電站壓縮空氣生產系統進行安裝調試，成功通過了設備運行考核指標，成功解決了因國外廠家設備改型、備件無法供貨的卡脖子難題。該項目是3D打印技術在國內商業運行核電站的首例工程實踐示范應用。

張琦等發明了一種基于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點，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]，解決現有的棒狀核燃料元件因包殼和端塞密封性能不好而導致的安全問題。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，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，具有一定的實用價值。

3 3D打印技術在核燃料后處理分析設備研制中的應用

核燃料后處理分析對象復雜，樣品多具有放射性元素，不僅具有化學毒性，還有輻射危險。有的危險操作要在熱室、手套箱或通風柜中進行，因此，對分析設備的考驗要求較高，各種商業的分析設備大多是按照非放射性或放射性比活度較低的樣品設計的，是為了更大的市場需求而大量生產的標準化產品。為了適應放射性需求，需要對很多商用儀器進行改造。3D打印快速成型的優良特點可以將分析儀器設計理念實時地轉化為實物模型，并借助設計軟件把設計思想可視化展現，可深入探究分析設備的內部空間構型，找到設計死角，提升分析性能，且可以根據測試結果在設計軟件上隨時調整設計參數后再重新打印。采用3D打印技術將使專用分析儀器研制改裝時間大大縮短，可快速實現創新設計理念，培養創新思維能力。

本研究工作采用的3D打印機型號為北京宏瑞匯天威科技有限公司Z500產品系列。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打印技術在核燃料后處理分析設備研制中的前景展望

3D打印技術是顛覆性的加工制造技術，在制造業得到了廣泛應用。與傳統制造方式相比，不但可以大幅度減少成本，而且可以突破了傳統制造工藝對于復雜形狀的限制，使得孔洞、彎管、蜂巢型等內部結構復雜的模型加工變得容易，與核燃料循環分析設備專一化、輕量化的設計思路高度契合。同時給了設計人員無限的結構設計空間想象力，可以大幅度提升創造力。