美国两大国家实验室合作推进核压力容器3D打印鉴定

美国能源部 (DOE) 下属橡树岭国家实验室 (ORNL) 与爱达荷国家实验室 (INL) 宣布建立研究合作，重点推进工业压力容器电弧增材制造技术，并加快相关关键核部件的鉴定流程。双方称，该合作将服务于美国核能制造能力提升和国内供应链建设。

合作计划于8月19日在橡树岭国家实验室举办的“材料与制造创新日 (M2IND)”活动上公布。该活动围绕人工智能赋能制造、核基础设施、能源安全和国内供应链等议题展开，并包括美国能源部制造示范设施 (MDF) 等用户设施的演示和参观。MDF是面向产业应用开展早期先进制造技术研发的大型开放式研究设施。

压力容器需要在高温、高压等极端条件下长期运行，对材料韧性和结构完整性要求很高。此类大型部件通常依赖锻造工艺制造，但在核能规模扩张背景下，美国国内制造能力面临一定限制。ORNL与INL计划利用电弧增材制造技术，以金属丝为原料，通过电弧熔化沉积的方式制造大型金属部件，为压力容器制造提供新的技术路径。

两家实验室将结合各自在增材制造、实时精度监测、部件鉴定、核材料性能及长期服役行为研究方面的能力，支持工业界完善相关制造工艺。INL长期从事核反应堆部件和制造技术的设计、开发、测试与部署;ORNL则在增材制造及打印部件表征领域积累了较强研究基础。

今年7月，MDF科研人员利用电弧3D打印技术制造出一件小型核压力容器演示件，并在M2IND活动中展出。该部件尺寸约为3英尺乘5英尺，展示了该技术向大型封闭容器扩展的可能性。该演示件由ORNL的MedUSA电弧打印平台制造，该平台使用三个协同机械臂，通过电弧熔化金属丝，采用与核应用相关的钢合金打印复杂结构件。

研究人员目前正评估人工智能数字工具在制造过程中的应用，目标是在打印过程中同步验证容器形状和材料特性。ORNL首席研究员帕特西·费尔南德斯-泽莱亚 (Patxi Fernandez-Zelaia) 表示，团队希望利用打印过程中收集的数据，制造符合标准要求的压力容器部件，并据此评估其在极端环境下的适用性。

作为该计划的早期工作之一，ORNL已使用同一MedUSA打印机和材料，为安塔瑞斯核能公司 (Antares Nuclear Inc.) 的R1 Mark-0中子传感器支架开展人工智能辅助制造。R1 Mark-0是一种新型微型反应堆设计，已于今年6月在INL达到临界。

INL先进制造团队负责人、恶劣环境材料专家约根·鲁夫纳 (Jorgen Rufner) 表示，该项目将两家实验室的专业能力结合起来，把人工智能、数据科学与先进3D打印技术融合，使研究人员能够在部件打印过程中实时评估性能，而不是完全依赖生产后的测试。

根据双方设想，若相关打印和验证方法进一步成熟，未来可拓展至核反应堆其他部件制造。同时，该技术也可能服务于化工、石油天然气、国防和航空航天等依赖大型金属结构件的行业。