韓國(guó)科學(xué)家利用3D打印制造核能安全閥

眾所周知，核能是一種更為清潔的能源，能夠幫助各個(gè)國(guó)家遠(yuǎn)離化石燃料（石油、煤等）帶來(lái)的大氣污染等問(wèn)題。不過(guò)，核電站出現(xiàn)問(wèn)題造成的災(zāi)難也是震撼人心的，因此核電站的安全維護(hù)和維修是十分重要的。為了給核電站配備更為充足的備件生產(chǎn)源，韓國(guó)原子能研究所（KAERI）的科學(xué)家已經(jīng)3D打印了一個(gè)具有足夠阻力特性的大型安全閥，使其能夠在核反應(yīng)堆中使用。

3D打印的核能安全閥

以美國(guó)為例，自2007年以來(lái)，美國(guó)已投產(chǎn)了24座反應(yīng)堆。為了確保這些工廠繼續(xù)安全運(yùn)行，并且避免再次發(fā)生過(guò)去的災(zāi)難，請(qǐng)經(jīng)常對(duì)其進(jìn)行維護(hù)和維修。但是，KAERI團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)某些安全關(guān)鍵部件的短缺，例如用于減輕堆芯壓力的化學(xué)和體積控制系統(tǒng)（CVCS）閥門(mén)。

具體而言，CVCS用于在反應(yīng)堆內(nèi)執(zhí)行流體供應(yīng)或流量任務(wù)，并且雖然可以部署在其他地方，但安全級(jí)閥門(mén)始終必須滿足某些標(biāo)準(zhǔn)。例如，核部件在部署之前必須通過(guò)水壓，運(yùn)行和流量測(cè)試，并且以前證明按需創(chuàng)建足夠有彈性的組件是困難的。

閥門(mén)設(shè)備由三個(gè)獨(dú)立部分組成

根據(jù)KAERI科學(xué)家的說(shuō)法，僅金屬3D打印還不足以替代傳統(tǒng)生產(chǎn)，以制造核備用件。但是，通過(guò)將定向能量沉積（DED）技術(shù)與5軸CNC加工相結(jié)合，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)他們能夠以所需的極高精確度來(lái)制造復(fù)制品。

研究人員的鉻和鎳基閥門(mén)具有3D打印的閥體，閥蓋和閥籠，組裝后，對(duì)300mm裝置進(jìn)行了嚴(yán)格的評(píng)估。在壓力測(cè)試期間，發(fā)現(xiàn)設(shè)備的層邊界充當(dāng)殘余應(yīng)力的焦點(diǎn)，從而使強(qiáng)度降低了7-8％。

同樣，當(dāng)CVCS在1100攝氏度的熱等靜壓機(jī)（HIP）中進(jìn)行后處理時(shí)，其完整性降低了33％，比傳統(tǒng)閥門(mén)高出18％。不過(guò)，就穩(wěn)定的性能及其“疲勞極限”而言，這種增材制造的設(shè)備的抗拉強(qiáng)度為202.6 MPa，優(yōu)于商用產(chǎn)品。

總體而言，研究小組得出結(jié)論，盡管對(duì)熱處理產(chǎn)生了反應(yīng)，但其附加閥的恒定強(qiáng)度足以使其最終使用?？紤]到該小組的CECS復(fù)制了1類(lèi)類(lèi)別的組件，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)的核監(jiān)管機(jī)構(gòu)會(huì)將其歸類(lèi)為“其失效會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重程度高的后果的部分”。3D打印部件的強(qiáng)度確實(shí)得到了高度贊揚(yáng)。

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