眾所周知,核能是一種更為清潔的能源,能夠幫助各個國家遠(yuǎn)離化石燃料(石油、煤等)帶來的大氣污染等問題。不過,核電站出現(xiàn)問題造成的災(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,韓國原子能研究所(KAERI)的科學(xué)家已經(jīng)3D打印了一個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
以美國為例,自2007年以來,美國已投產(chǎn)了24座反應(yīng)堆。為了確保這些工廠繼續(xù)安全運行,并且避免再次發(fā)生過去的災(zāi)難,請經(jīng)常對其進(jìn)行維護(hù)和維修。但是,KAERI團(tuán)隊發(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。
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,但安全級閥門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水壓,運行和流量測試,并且以前證明按需創(chuàng)建足夠有彈性的組件是困難的。
閥門設(shè)備由三個獨立部分組成
根據(jù)KAERI科學(xué)家的說法,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)隊發(fā)現(xiàn)他們能夠以所需的極高精確度來制造復(fù)制品。
研究人員的鉻和鎳基閥門具有3D打印的閥體,閥蓋和閥籠,組裝后,對300mm裝置進(jìn)行了嚴(yán)格的評估。在壓力測試期間,發(fā)現(xiàn)設(shè)備的層邊界充當(dāng)殘余應(yīng)力的焦點,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,其完整性降低了33%,比傳統(tǒng)閥門高出18%。不過,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類類別的組件,國際原子能機(jī)構(gòu)的核監(jiān)管機(jī)構(gòu)會將其歸類為“其失效會導(dǎo)致嚴(yán)重程度高的后果的部分”。3D打印部件的強(qiáng)度確實得到了高度贊揚(yáng)。
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