加积极推动先进制造技术在核工业的应用

加拿大核工业组织、国际泵阀供应商凯士比公司和加拿大核工程公司Kinectrics于2022年1月联合发布《加拿大核工业先进制造发展路线图》（简称“《路线图》”），强调了以增材制造为代表的先进制造技术对于核工业发展的重要性，阐述了增材制造技术的市场现状，包括在航空航天领域、医药领域的成熟应用，并制定了将先进制造技术应用于加拿大核工业的近期和远期行动计划。

1 先进制造技术将助力加拿大老旧机组改造与小堆发展

加拿大拥有19台在运坎杜型加压重水堆机组。这些机组在1976—1993 年之间投运，总装机容量1362.4万千瓦，发电量占全国总发电量的约15%。近年来，加拿大核工业呈现两大发展趋势。一是对现有坎杜机组进行升级改造，以延长运行寿期。布鲁斯电力公司正在实施“布鲁斯核电厂重大设备更换项目”，目标是在2020—2033年间完成布鲁斯核电厂3 至8 号机组延寿改造。二是积极推动小堆发展。加拿大已发布小堆发展路线图；监管机构已启动对10 种小堆设计的供应商预许可设计评审；加拿大核实验室2019年启动在乔克河建设5万千瓦高温气冷堆MMR的环评工作，计划2026年建成；安大略电力公司准备使用通用电气-日立核能公司的小型沸水堆BWRX-300 在达灵顿建设一座小堆电厂，拟于2022 年底前提交建设许可证申请，目标是2028年建成首堆。

增材制造技术可在三方面助力加核工业的未来发展。

一是满足老旧零部件的替换需求。现有机组延寿改造可能面临零部件供应问题，原因是最初的供应商已不再存在或者不再生产相关零部件，且这些零部件生产难度较大，使用传统技术恢复生产可能费时费力。根据现有零部件图纸和3D扫描结果，并利用增材制造技术进行生产，可以缩短零部件的供应时间并降低相关支出。

二是部分技术开发商已决定使用增材制造技术生产小堆部件。增材制造技术尤其适于几何形状复杂零部件的生产，能够提高制造效率。

三是有助于实现零部件的按需制造。随着先进制造技术在核工业中应用的增加，未来可以创建零部件的数字仓库，实现按需制造，不再需要像以前一样建立实物库存。

2 近期行动计划

《路线图》设定了三个近期目标：一是组建核工业先进制造联盟，二是推动各方积极参与核工业增材制造相关活动，三是筹建加拿大核工业增材制造培训和测试中心。

2.1 组建核工业先进制造联盟

2022年2月，加拿大核工业组织宣布成立加拿大核工业先进制造联盟，成员包括核工业供应商、电力公司、研究机构、大学和政府部门，其宗旨是通过共享经验和最新技术进展、评审研发计划、寻找合作机遇、共同应对挑战等方式推动先进制造技术在核工业领域的研发和应用，在提高现有核电机组运行经济性、可靠性和安全性的同时，推进小堆技术的商业化部署。联盟重点关注下述技术领域：

•与老化问题和逆向工程相关的技术；

•非破坏性评估、破坏性检测、资质认证和核认证；

•定向能量沉积和粉末床融合系统及相关工艺；

•电子束焊接，与粉末冶金/热等静压有关的先进制造技术；

•高性能关键部件的制造方法；

•先进制造材料；

•生成式设计；

•自动化/机器人；

•物联网和传感器；

•数据分析；

•激光粉末床熔融和电子束熔化成型技术；

•适用于大型零部件、零部件覆层、功能分级材料和组件维修的定向能量沉积技术；

•数字孪生；

•难以生产的定制零部件的增材制造；

•对难加工材料进行高性能加工；

•使用先进数据分析来改进工艺参数选择、基于条件的监控以及工艺性能评价等的决策过程；

•熔模铸造。

2.2 推动各方积极参与核工业增材制造相关活动

《路线图》的第二项任务是加强宣传，强化加拿大监管机构、小堆供应商、核电运营商等利益相关者对增材制造技术重要性的认识，推动各方积极参与核工业先进制造技术相关活动。

加拿大相关机构近年来已多次开展相关活动，包括加拿大核工业组织举办的2019年1月先进制造研讨会和展览会以及2020年10月先进制造论坛，坎杜堆业主协会和加拿大核实验室2021 年3 月联合举办的先进制造研讨会等。相关机构未来将根据《路线图》的要求继续开展系列宣传活动，提升行业整体对先进制造技术重要性的认识。

2.3 建设核工业增材制造培训和测试中心

为加速推进先进制造技术在核工业的应用，加拿大将建设一座核工业增材制造培训和测试中心。

《路线图》的第三项任务是为建设该中心寻找合作伙伴、场址并筹措资金。为此，未来将开展系列活动，包括2022年6月麦克马斯特大学制造研究所开幕活动及2022年第三季度滑铁卢大学先进制造工厂工业开放日活动。

3 远期行动计划

根据《路线图》，远期行动计划为十年期计划，从开展增材制造试点项目、在加拿大核设施的非安全重要部位安装增材制造零部件开始，最终目标是将增材制造技术用于制造小堆零部件，从而缩短制造时间、降低工艺的复杂性并提高经济性。十年期行动计划的具体内容如表1所示。

表1 远期行动计划具体内容

4 结语

近年来，德国、法国、美国和俄罗斯等国核工业企业均在积极研发增材制造技术，并取得重要成果。德国西门子公司2017 年1 月在斯洛文尼亚克尔什科核电厂成功安装首个直径为108 毫米的3D打印消防泵金属叶轮，实现3D打印设备在核电厂的首次应用。法马通公司2019年在瑞士戈斯根核电厂成功装入3D打印燃料部件。美国西屋公司2020年在拜伦1号机组成功安装3D打印阻力塞组件。美国布朗斯弗里2 号机组2021 年成功安装橡树岭国家实验室3D 打印的燃料组件固定件。俄罗斯国家原子能集团公司2020 年启动俄首个使用国产设备建设的3D 打印技术中心。

加拿大发布核工业先进制造发展路线图，致力于不断提高行业对于增材制造技术重要性的认识，为该技术在加拿大核工业领域的应用制定了详细的近期和远期行动计划，目标是使增材制造技术助力加拿大核工业发展。《路线图》发布方还成立了先进制造联盟，将积极推动增材制造技术在核工业中的应用，尤其是在坎杜反应堆老旧零部件替代方面和小堆零部件制造领域。加拿大政府及相关机构和企业已经认识到小堆在加拿大国内和国际市场的巨大潜力，正在积极推动小堆技术发展，力求引领小堆发展，成为全球领导者。增材制造等先进制造技术将为此提供支持。