西屋电气的核心秘密：当增材制造遇上核反应堆

AM易道导语：

AM易道关注到3D Pod一期颇具深度的播客访谈。
在这期访谈中，西屋电气公司的增材制造负责人Adam Travis分享了他从铝合金打印到核工业应用的职业历程。

这段经历不仅展示了增材制造技术的发展轨迹，更揭示了这项技术在核工业中的巨大潜力。

让我们一起走进这场对话，了解增材制造如何在这个关键领域发挥作用。

铝合金增材制造的演进

谈到铝合金增材制造的发展历程，Adam娓娓道来。早期最常用的AlSi10Mg是一种铸造合金，虽然可以打印，但其性能并不尽如人意。

"你能打印出零件，但机械性能并不出色，"Adam解释道，

"这是一种铸造合金，其工艺物理特性与增材制造工艺并不完全匹配。特别是在航空航天应用中，它显得有些力不从心。它的打印过程更容易出现裂纹，工艺稳定性较差。"

为了改善这一状况，美铝和后来的Arconic开发了一系列专门适用于增材制造的高性能铝合金。

这些新型合金具有高强度和优异的高温性能，目标是与传统的钛合金（如Ti64）竞争。

Adam用了一个生动的比喻："这些合金就像保时捷或豪华跑车，调校好了性能极为出色，但确实需要更多的维护和调试。"

核工业的特殊要求

在西屋电气工作期间，Adam面临着全新的挑战。

与航空航天行业不同，核工业对零件的要求更加严格，容错率几乎为零。

在材料选择上，他们主要使用不锈钢（304、316）和镍基合金Inconel 718。

铝在核反应堆中不适用，因为会吸收中子，降低堆芯效率。

有趣的是，有时他们会从不锈钢转向使用Inconel 718，因为尽管材料成本更高，但可以打印更薄的壁，提高打印速度，反而降低了总体成本。

创新突破：底部滤网项目

一个引人注目的成功案例是增材制造的燃料组件底部滤网。

这个部件的尺寸几乎完全占满了EOS M280/M290的成型板，每个燃料组件都需要一个。

传统工艺制造的底部滤网碎屑过滤效率约为65%，而采用增材制造后，这一数字提升到了96%，同时还保持了良好的水动力性能。

考虑到一个17x17燃料组件包含289个燃料棒，一个反应堆堆芯又包含数百个燃料组件，这种改进的意义非常重大。

严格的质量控制体系

在质量控制方面，西屋电气采用了严格的"先导使用组件"策略。

他们首先只生产4个新设计组件进行测试，在堆芯中使用1-3个燃料循环（1.5-4.5年），然后在特殊的热室中进行辐照后检查。

这些热室是全国仅有的几个可以处理辐照材料的专门实验室，通过一英尺厚的玻璃使用机械臂进行操作。

只有通过这些测试后，才会扩大到区域规模生产（约80个组件）。

目前，他们已经生产了超过1000个安全相关部件，年产量在数千件，并计划在未来5年内每年翻倍增长。

应对危机：乌克兰燃料供应

值得一提的是，在俄乌战争后，西屋电气迅速开发出了适用于苏联设计核电站的燃料组件，帮助乌克兰和东欧国家摆脱对俄罗斯核燃料的依赖。

这些核电站原本使用的是俄罗斯设计的VVER（水水式能源堆）。

每个燃料组件都包含两个增材制造部件，这是增材制造技术在核工业中的一个重要里程碑。

未来展望：新一代核能技术

展望未来，西屋电气正在开发新一代反应堆。

他们的AP1000是目前的旗舰产品，属于第三代加核电站，输出功率为1.2吉瓦。新开发的AP300（300兆瓦）是一种小型模块化反应堆，而eVinci微型反应堆（5兆瓦）则更小。

特别值得关注的是Astro eVinci版本，专门设计用于卫星和月球基地供电。这标志着增材制造技术在航天核能领域也开始发挥作用。

供应链的双轨发展

在供应链发展方面，西屋电气采取了一个有趣的双轨策略。

他们既在帮助传统核工业供应商建立增材制造能力，也在协助增材制造服务商满足核工业的NQA1质量标准。

Adam认为这是一个哲学问题："是让核工业供应商学习增材制造更容易，还是让增材制造服务商适应核工业标准更容易？"目前他们两条路线都在尝试，时间会告诉我们答案。

设备选择与工艺优化

在设备选择方面，西屋电气目前主要使用EOS M290等中小型机器。虽然市场上有更大的设备，但对于像底部滤网这样的部件来说，中型设备反而更有效率。

不过，随着他们开始研究反应堆容器内部组件，未来可能会考虑使用更大的设备，甚至包括电弧增材制造技术。

AM易道最后聊两句

AM易道认为这次访谈具有重要意义。它不仅展示了增材制造技术在高要求行业中的应用成熟度，更揭示了这项技术在能源领域的战略价值。

随着小型模块化反应堆和新一代核能技术的发展，我们有理由相信，增材制造将在未来的核工业中发挥更加重要的作用。

正如Adam所说，一旦找到了更好的设计方案，就不会再回头，增材制造已经成为了西屋电气的核心技术之一。

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