在核工業中（zhōng），核電站（zhàn）反應堆壓力容器、蒸發反應器、鍛造（zào）主管道等設備以及一些零部件的（de）技術要求（qiú）高、生產難度大，傳統製造工藝存在生產周期長、投入大（dà）、產品一次合格率較低等問題。

3D打印技術在小（xiǎo）批量產品快速製造、複雜（zá）零部件製（zhì）造領域頗具優勢，將3D打印技術應用在核工業中是否有助於解決這些問題（tí）？ 本期，3D科學穀整理了中（zhōng）國核工業企業在核電廠閥門或管道中的輻射屏蔽材料（liào）、核反應堆壓力容器以及核（hé）燃料元（yuán）件這三個（gè）領（lǐng）域的3D打印應用（yòng），通過這些應用我（wǒ）們共同來（lái）了解一下3D打印技術在核工業零部件製造中有（yǒu）哪些值得探索的領域。

將複雜的任務

交給3D打印

核輻射屏（píng）蔽材料的設計與3D打印（yìn）

在（zài）核能源係統（tǒng）中會產生各種輻射射線（xiàn），該輻射射線不僅會汙染環境，還會對人體造成傷害。因此，在核電（diàn）廠的部分閥門處或管道處需要通過（guò）屏蔽材料對（duì）輻（fú）射射線（xiàn）進行屏蔽，以減少環境汙染和人體傷害。 

屏蔽材（cái）料的製造主要采用模壓-擠出工藝或直接擠出工藝。但是存在屏蔽材料均勻性、成材性和密實度較差，易（yì）產生氣孔等問題。在屏蔽材料的設計方麵，由於沒能（néng）結合需屏蔽的物體的形狀進行定製化設計，存在屏蔽材料不能貼合（hé）需屏蔽的物體，屏蔽效果差的問題。在進行製造之前的屏蔽設計中，需要現場考（kǎo）察，而核電廠分布範圍廣、每一核電（diàn）廠內所需屏蔽的地方多，給屏蔽設計帶來了極大的困難。中廣核研究院通過三維掃描、3D打印技術以及（jí）雲服務器在此類屏蔽材料的設計與製造（zào）中尋求突（tū）破的（de）解決方案。

首先通過三維掃描裝置對需屏蔽的位置進行三維（wéi）掃描，以獲取掃描數（shù）據，隨後將掃描數據發送至雲平台服務（wù）器。雲平台服務器通過GeomagicStudio、CopyCAD、Imageware等逆向（xiàng）軟件對掃描數據進行（háng）預處理，以生成CAD模（mó）型文件（jiàn）。核電用戶（hù）通過具有權（quán）限的用（yòng）戶終端訪問雲（yún）平台服（fú）務器並下載CAD模型文件，根據尺（chǐ）寸精度、粗糙度、打印材料及（jí）切片方式將CAD模型文件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（de）3D打（dǎ）印機進行打（dǎ）印。

使用三維掃描及雲平台進行設計，並通（tōng）過3D打印機進（jìn）行屏蔽材（cái）料小批量定製化生產，提高（gāo）了核電屏蔽設計的可靠（kào）性、靈活性、安全性和經濟性，大大縮（suō）短了研發進程，降低成本。由於是根據需要屏蔽材料的位置定製化（huà）設計的，設計出的屏蔽（bì）材料（liào）可與需（xū）求部位實現更好的貼（tiē）合，使屏蔽材料發揮出良好（hǎo）的核輻射屏蔽功能。

這種核輻射屏（píng）蔽材料的設計與（yǔ）製造模式可應用於所有已投（tóu）入運行的核電站和在建的核電站（zhàn）中，滿足不同地域核（hé）電站（zhàn）的（de）需求。

3D打印一體成型核（hé）反（fǎn）應堆壓力容器

2015年（nián）10月中國核動力研究設計院與南方增材科技有限公司，聯（lián）合發起（qǐ）ACP100反應堆（duī）壓力容器（qì）增材製造（3D打印）項目。2016年12月，這個項目的研究成果3D打印反應堆壓力容器試（shì）件已經通過國家能（néng）源領域相關專家的技（jì）術鑒定。

中國（guó）核動力研究設計院是中國唯（wéi）一集核反應堆工程（chéng）研究、設計、試驗、運行和小（xiǎo）批量生產為一體的大型綜合性科研基地，核（hé）動力院積極致力於核電研（yán）發，培育了具有自主知識產權的國產化核電站品牌CP600/CP1000/CPR1000，承擔著新一代壓（yā）水堆核電站ACP100/ACP600/ACP1000及CF係（xì）列燃料元件研（yán）究開發、超臨界（jiè）水冷堆技術預先研究等科研項目。

南方增材科技有限公司擁有自主研發的大型電熔3D打印設備，能打印直徑達5.6米，長度達9米，重（chóng）達300噸的厚壁重型金屬構件。該設（shè）備以金屬絲材與輔料為打印材料，在電熔冶金的環境下，利用高能熱源熔化原料絲材，根據成形構件的（de）分層切片（piàn）數據，采用計（jì）算機控製，實現原材料逐層（céng）快速激冷凝（níng）固堆積，最終獲得超低碳、超（chāo）細晶、組織均（jun1）勻、綜合力學性能達到傳統鍛造工藝成形的（de）金（jīn）屬構件，包（bāo）括（kuò）反應堆壓力容器在內的核電大型金屬（shǔ）構件。

在3D打印過程中，項目（mù）雙方經過四輪材料試驗和（hé）兩輪工藝試（shì）驗，對材料成分、性能和成型結構方式給出了精準的技術要求，使初期材料試驗過程中力學性能（néng）強度過高的問題得到（dào）解決，為（wéi）有（yǒu）效避免核（hé）輻照後（hòu）材料（liào）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（qì）3D打印試件。

采用傳統製造工藝製造反應堆（duī）壓力容器需要通過（guò）萬噸級重型鍛（duàn）壓設備（bèi）分段製造，然後再（zài）焊接在一起。中國核動力研究設計院與南（nán）方增材使用大型電熔3D打印技術，可精確地實現結構複雜（zá）的大型金屬構件一體成（chéng）型，為核電裝備的高質量、高效率、低（dī）成本製造開辟了一條新的道（dào）路。經過技術鑒定，這個3D打印試件的（de）產品性能（néng）可（kě）達到甚至部分優（yōu）於鍛件產品（pǐn）。