苏黎世联邦理工学院的研究人员开发了一种针对太阳能反应堆核心进行优化的3D打印陶瓷结构。

据报道，该团队开发了一种新颖的3D打印方法，能够制造具有复杂孔隙几何形状的多孔陶瓷结构。这些新的分级设计使太阳辐射能够更有效地传输到反应堆内部。

初步实验测试强调，与之前的各向同性设计相比，这些3D打印结构可以使太阳能燃料的产量提高一倍。

ETH 衍生公司Climeworks和Synhelion目前正在努力推进这项研究并将其商业化。3D打印陶瓷结构的技术已获得专利，Synhelion 最近获得了苏黎世联邦理工学院的许可。

陶瓷

陶瓷是一类独特的材料，具有能源应用所需的许多结构和功能特性。在无法使用金属和聚合物的能源应用中，陶瓷通常需要提供改进的性能，包括热稳定性、耐磨性和耐腐蚀性、强度和导电性等。陶瓷通常难以加工，但许多增材制造技术正在开发中，以改进制造并降低相关成本。此外，增材制造有助于控制局部材料微观结构和宏观结构，从而改善许多工程设计要求非常严格的核能应用特性。

陶瓷材料在裂变能系统中的应用非常广泛，其性能要求与其他领域的陶瓷材料选择相同。核反应堆对必须满足多种应用的材料提出了高温、侵蚀性腐蚀要求和高辐射通量。二氧化铀（UO2），普遍存在的核燃料形式，是核应用中最明显使用的陶瓷材料。然而，先进制造在裂变能源生产领域最有前途的近期应用可能是应用于先进燃料形式和高性能结构材料。对陶瓷材料的讨论主要集中在轻水反应堆 (LWR) 设计上，因为它们负责产生世界上大部分来自核能的电力。然而，应用先进制造方法来实现先进反应堆设计是当前研究的一个主要领域。

3D打印反应堆堆芯使太阳能燃料产量翻倍

这一新进展标志着苏黎世联邦理工学院在优化可再生能源生产方面持续努力的最新进展。事实上，该组织已经开发出可以利用空气和阳光生产液体燃料的技术。早在2019年，整个热化学工艺链就在ETH机器实验室首次在真实条件下进行了演示。

苏黎世联邦理工学院的合成太阳能燃料是碳中性的，释放的二氧化碳量与能源生产过程中从大气中收集的二氧化碳量相同。该生产过程的关键是太阳能反应器。该元件通过抛物面镜暴露在集中阳光下，温度可达1500℃。

太阳能反应器的内部包含由氧化铈制成的多孔陶瓷结构。在这里，发生热化学循环，分解从大气中捕获的水和二氧化碳。该过程产生氢气和一氧化碳的混合物，称为合成气或“合成气”。然后，这种化学混合物可以进一步加工成用于航空工业的液态烃燃料，例如煤油。

这些结构传统上具有各向同性的孔隙率，当太阳辐射进入反应器时，可以迅速降低太阳辐射的强度。这会降低反应堆堆芯的内部温度，从而限制燃料产量。为了解决这个问题，苏黎世联邦理工学院的研究开发了一种新颖的方法，可以对具有复杂孔隙几何形状的结构进行3D打印，从而使太阳辐射能够更有效地传输到反应器内部。

根据苏黎世联邦理工学院的说法，分层排序的设计特别有效，这种设计结合了暴露的通道和孔隙，并在反应器后部变得更窄。据报道，这种设计允许入射的太阳辐射被陶瓷结构的整个体积吸收。因此，整个多孔结构可以达到1500℃的反应温度，从而促进燃料的生成。

研究团队的陶瓷结构是采用基于挤压的3D打印工艺生产的。还使用了一种新型墨水，它具有低粘度和高浓度的二氧化铈颗粒。据报道，这些特性使氧化还原活性材料的量最大化。

3D打印完成后，陶瓷结构接受了测试，以研究辐射热和热化学反应之间的相互作用。在这次测试中，研究人员证明，当受到相同的集中太阳辐射时，它们的分层结构可以产生两倍于均匀结构的燃料。

3D打印在核电领域的应用发展

近年来，增材制造在能源领域发挥着越来越重要的作用，比如石油和天然气领域，现在它也被用于核领域。近年来，核电行业日益受到重视，世界核协会的数据显示，2019 年，核电行业在 33 个国家拥有 438 个可运行反应堆，是世界第二大低碳电力来源。此外，根据美国能源情报署（EIA）的数据，2020 年世界核电总发电量为 25,910 亿千瓦时，占世界总发电量的 10.1%。现在，核电领域积极探索包括增材制造在内的新技术。为了更好地了解增材制造在核领域的应用发展，南极熊整理了3D打印在核电站中的一些主要用途。

ORNL 的 3D 打印反应器

核能和3D打印领域最活跃的参与者之一无疑是美国的橡树岭国家实验室（ORNL），这个团队多年来一直致力于研究增材制造如何影响核电领域。例如，2020 年 5 月，他们展示了第一个反应堆堆芯原型，是通过DED机器3D金属打印的。该项目是“转型挑战反应堆示范”(TCR) 计划的一部分，其目标是在非常短的时间内实现更便宜、更高效的能源系统。这个反应堆堆芯从设计阶段到后期处理只用了三个月时间，打印过程仅仅需要40小时的工作，温度可以达到1,400°C。

Czech Energy公司使用 3D 打印优化供应链

ČEZ 是中欧和东欧最大的公共企业，该公司的核部门与捷克核公司 Škoda JS 合作，选择增材制造技术，优化其自身的供应链问题并减少停机时间。仅一年，他们就使用这项技术生产了 4159 个塑料和金属零件。在新冠病毒和乌克兰战争期间、该公司使用增材制造技术极大的降低了供应链中出现的风险。大型打印机可以生产重达 600 公斤的金属零件，在短时间内更换有缺陷的零件。ČEZ 董事会成员兼核能部门主管 Bohdan Zronek 解释说，几何形状更简单的零件是使用传统方法生产的，复杂的零件可以有3D打印轻松制出。

Alabaman Reactor中的安全关键部件

根据 EIA 的数据，美国目前有 93 座运行中的核电站。其中之一是位于阿拉巴马州雅典市的Browns Ferry核电站，这是该国的第二大核电站。在 Plant Unit 2 中，TVA、Framatome 和 DOE 核能办公室资助了位于橡树岭国家实验室 (ORNL) 的转型挑战反应堆 (TCR) 计划，在 2021 年就安装了四个用于核反应堆的 3D 打印燃料组件支架。该项目很有趣，因为它在美国尚属首例，表明可以在高度监管的环境中部署合格的 3D 打印组件，比如核反应堆。安全紧固件是安全关键部件，采用激光粉末床熔合和 TruForm 316 (Fe-271) 制成，TruForm 316 (Fe-271) 是一种由铁、镍、铬和钼组成的金属粉末合金。

North Dakota（北达科他大学）开发核反应堆

北达科他大学的一组研究人员创建了一个项目，开发了带有钢筋的 3D 打印核反应堆。为了制造这些部件，Roy Sougata（机械工程教授）和他的团队将使用奥氏体钢，这种金属合金用氮强化，将成为建造过程中的主要原材料。目前，研发小组尚未提供有关所用 3D 打印机的信息，主要是看看这些 3D 打印组件是否比以传统方式设计的组件更高效。零件的设计将在北达科他大学进行，而进一步的分析将在橡树岭国家实验室 (ORNL) 进行。此外，组件的测试将侧重于它们的摩擦学特性。

文章来源： 未知大陆，世界先进制造技术论坛，3D科学谷