3D打印技术在核燃料后处理分析设备研制中的应用

赵胜洋

（中国原子能科学研究院，北京100000）

0 引言

大力发展核电有助于减少碳排放。国家已经制定了积极的核电发展方针。我国在建核电机组排世界第一。核燃料后处理工程作为核电燃料组件的后续主要处理工序也被提上了日程，核燃料后处理不仅可以降低乏燃料放射性活度，减轻乏燃料库存压力，还可以从乏燃料组件中提取未完全燃烧的铀及新产生的镎钚，绿色循环再利用。分析设备在核燃料后处理过程中是基础支撑设备。由于后处理工艺的特殊性，大部分分析设备均需定制加工。因此，可结合3D打印技术进行设备研制，加快设备研制进度。

本文对3D打印的概念及技术特点，以及在核能领域的发展历程和应用现状等方面进行介绍，并研究3D打印技术在核燃料后处理分析设备研制中的初步应用，对取得的成果进行简要分析。

1 3D打印技术概述

3D打印技术是一种重要的尖端生产制造技术，3D打印亦称快速成型技术（rapid prototype）、增材制造技术（additive manufacture）。3D打印技术的概念最早出现在20世纪80年代。1986年，查克·赫尔发明了立体光刻工艺（SLA），并获得专利，同年，他成立了世界上第一家3D打印公司——3D Systems，标志着3D打印技术的诞生[1]。3D打印原理是运用3D软件CAD、UG、Solidworks等进行设计建模，以三维数字信息化模型文件为基础，然后，用3D打印软件将模型层层分割，在电脑软件驱动控制下，通过打印机将打印原料（粉末状金属、热塑型塑料或有机光固化溶剂等可黏合材料）按照程序分割的既定路径连续地进行物理层叠加，通过材料逐层堆积法打印的方式来构造物体，最终把屏幕上的蓝图变成实物。类似于数学积分，从微小单元累积成一定规模。

3D打印融和了产品设计、计算机技术、机电控制、材料与化学等诸多方面的专业技术知识，是一种综合性应用技术。打印机是3D打印的核心装备，它是集机械、机电控制及数字计算机技术等为一体的复杂机电一体化系统，主要由控制程序、高精度机械系统、喷射系统和成型环境等子系统组成[2]。

在制造行业，3D打印有着其独有的优势。首先，与传统制造技术相比，3D打印技术不必铸造原型，能在短时间内实现从产品设计到产品成型，大大缩短了从研发到应用的时间。此外，从3D打印的原理可知，3D打印使得复杂程度高、难度大的模型制作变得相对容易，降低了制造风险。再次，在不考虑制造难度后，还可以随性设计，突出产品个性。最后，由于没有了传统制造的挖孔、切削等打磨工序，3D打印能够在一定程度上减少能源及原材料的消耗，实现和谐绿色制造。3D打印技术是未来智能制造的重要技术之一。

2 3D打印技术在核能行业应用简介

由于核工业对核设备材料的长期稳定性、可靠性及耐辐射性等安全方面有严格要求，3D打印在核能行业应用起步较晚。近年来，随着技术的进步，3D打印技术在核能领域也加快了应用步伐。2016年，美国能源部立项了2个3D打印项目，一个项目是使用3D打印技术直接制造核电厂替代部件，在打印出产品后对该部件进行了辐照检查，对辐照结果进行了分析，该部件符合相关条件要求；另一个项目是由西屋公司承担，研究直接使用3D技术制造核设备的商业可行性。西屋公司研究结果表明，在使用3D打印技术制造供在运核电厂使用的电机部件铸横时，可大幅度降低剖造费用，大幅度缩短制造时间，加快了项目研发进程，3D打印技术有望推广在其他核设施设备制造过程中。

2016年，俄罗斯国家原子能集团公司成立了3D打印技术子公司，旨在研究新型金属3D打印粉末材料和工业规模打印机，以制造核工业设备和部件，有足够研发能力时，再拓展至其他行业领域。英国塞拉菲尔德公司2014年公布与相关3D研发企业合作研发，采用3D打印技术为一个载重40 t的专用放射性固体废物运输罐设计了一个密封盖，成功应用于实际项目需求。与常规制造相比，生产周期缩短了6个月，成本也显著降低。瑞典乌普萨拉大学与Add North 3D增材制造公司一起合作开发了一种名为Addbor N25的新型打印材料，该材料是一种新的碳化硼复合长丝。碳化硼是一种重要的中子吸收材料，在核工业领域具有重要应用。该项发明有助于新型辐射屏蔽材料的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打印技术制造完成CAP1400燃料原型组件下管座，是3D打印技术在我国核燃料元件制造领域的大胆实践，为满足今后更为精密的3D打印需求迈出了重要一步。同年，中国广东核电运营有限公司也对3D打印技术进行智能制造研究，开展了题目为“3D打印技术在核电站备件及零部件制造、维修过程中的关键技术研究”的科研项目。该项目以主要成分为碳、锰、铬、硅、镍、钼、铜等元素的EAM235合金为原材料，利用3D打印制造技术制造了制冷机端盖，并将该端盖在大亚湾核电站压缩空气生产系统进行安装调试，成功通过了设备运行考核指标，成功解决了因国外厂家设备改型、备件无法供货的卡脖子难题。该项目是3D打印技术在国内商业运行核电站的首例工程实践示范应用。

张琦等发明了一种基于3D打印的核燃料组件定位格架[3]。该定位格架具有夹持效果好、利于水流通过、便于安装燃料棒的优点，大幅度降低制造成本，改善了格架的水力场分布，提高定位格架的综合性能。

陈义等发明了一种基于3D打印的棒状核燃料元件及其密封成形方法[4]，解决现有的棒状核燃料元件因包壳和端塞密封性能不好而导致的安全问题。该密封成形方法采用SiC作为棒状燃料元件的包壳材料，通过3D打印成型与激光熔覆技术，在包壳和端塞间形成密封圈，解决了包壳和端塞之间的密封问题，提高了棒状核燃料元件的安全性，具有一定的实用价值。

3 3D打印技术在核燃料后处理分析设备研制中的应用

核燃料后处理分析对象复杂，样品多具有放射性元素，不仅具有化学毒性，还有辐射危险。有的危险操作要在热室、手套箱或通风柜中进行，因此，对分析设备的考验要求较高，各种商业的分析设备大多是按照非放射性或放射性比活度较低的样品设计的，是为了更大的市场需求而大量生产的标准化产品。为了适应放射性需求，需要对很多商用仪器进行改造。3D打印快速成型的优良特点可以将分析仪器设计理念实时地转化为实物模型，并借助设计软件把设计思想可视化展现，可深入探究分析设备的内部空间构型，找到设计死角，提升分析性能，且可以根据测试结果在设计软件上随时调整设计参数后再重新打印。采用3D打印技术将使专用分析仪器研制改装时间大大缩短，可快速实现创新设计理念，培养创新思维能力。

本研究工作采用的3D打印机型号为北京宏瑞汇天威科技有限公司Z500产品系列。成型原理为熔融堆积（FDM）；成型平台尺寸360 mm×350 mm×560 mm，定位精度XY轴：0.01 mm，Z轴：0.0025 mm；喷嘴直径为0.4 mm；喷头工作温度170~260℃；打印材料为PLA、ABS、PE、PP、等热塑性材料。

4 3D打印技术在核燃料后处理分析设备研制中的前景展望

3D打印技术是颠覆性的加工制造技术，在制造业得到了广泛应用。与传统制造方式相比，不但可以大幅度减少成本，而且可以突破了传统制造工艺对于复杂形状的限制，使得孔洞、弯管、蜂巢型等内部结构复杂的模型加工变得容易，与核燃料循环分析设备专一化、轻量化的设计思路高度契合。同时给了设计人员无限的结构设计空间想象力，可以大幅度提升创造力。