3D打印，挺进核工业！

核能产业转型路上，3D打印技术不可或缺。

随着核能产业面临日益严格的安全规范、更高的效率要求以及持续的成本控制压力，如何提升核设施的建造效率、降低建设成本并确保运行安全，已成为业内亟需解决的核心问题。近年来，3D打印作为一项具有颠覆性的先进制造技术，正加速在核能领域的落地应用，成为推动产业转型升级的重要驱动力。

根据增材制造研究公司（AMR）发布的报告称，2023年全球能源行业的3D打印产值已达26亿美元，展现出强劲的发展势头。报告预测，到2032年这一数字将增长至170亿美元，十年间增长超过6倍，年复合增长率高达23%以上。

本期资源库聚焦核能领域，梳理3D打印技术在该方向的发展演进与应用脉络。

事实上，核能行业对3D打印技术的探索可追溯至21世纪初，但直到2010年前后，行业才进入了系统化的技术探索阶段；自2015年以来，核能企业加快了3D打印的工艺验证和工程化路径。目前，全球范围内的多个应用场景已实现了从技术验证到实际工程应用的关键突破。

国际探索：从验证到实用的跃迁

早在2000年代初，美国、法国等核能技术强国便开始尝试将金属3D打印引入核反应堆的部件制造与维修环节。2010年，美国能源部（DOE）将增材制造列入“先进反应堆计划”的关键技术路径，并由橡树岭国家实验室（ORNL）牵头，研发出多种适用于核能环境的金属打印工艺。

2017年，西门子创造了历史，成功完成了全球首个核电站内3D打印部件的安装，至今一直持续安全运行。这一突破标志着3D打印技术首次在实际核电设备中发挥功能性作用，为后续更多元应用打开了通道。随后，包括GE、法马通在内的多家企业纷纷布局，探索基于3D打印的模块化反应堆部件、小型堆堆芯结构等创新设计。

2020年，西屋电气在Exelon Byron核电站1号机组成功安装了3D打印组件——顶针堵漏装置，这是全球首次在反应堆堆芯安装3D打印构件，具有里程碑意义。

2022年，法马通在瑞典福什马克(Forsmark)核电厂3号机组安装了首个利用3D打印技术制造的不锈钢燃料部件。该部件为不锈钢格架，安装在ATRIUM 11型燃料的顶部，用于固定燃料棒，并防止较大碎片从顶部进入燃料部件。

2024年，西屋电气再次成功使用3D打印技术制造出第1000块燃料导流板，标志着3D打印技术在核能领域应用迈入批量化生产新阶段。这些导流板已被安装于VVER-440型核反应堆的燃料组件中。

紧接着，同样是2024年，美国橡树岭国家实验室（ORNL）宣布，成功利用电子束增材制造技术生产出首批结构复杂、无缺陷的钨部件，可应用于核反应堆堆芯；西屋电气发布了3D打印的燃料组件底部喷嘴；法马通则在瑞典灵哈尔斯核电厂4号机组成功安装了3D打印的防碎屑过滤器。

当时间来到2025年，美国橡树岭国家实验室（ORNL）在核部件创新方面再获突破，成功在高通量同位素反应堆（HFIR）中测试了两个3D打印的316H不锈钢实验舱。该胶囊用于承载样品进行辐照实验，助力研究人员评估材料在核反应堆环境下的实际性能。

3D打印不仅用于具体零部件制造，如今甚至还被应用于核电站基础设施建设。

近日，橡树岭国家实验室制造示范设施（MDF）与凯洛斯电力、巴纳德建筑合作，成功开发出大型3D打印聚合物复合材料模板，用于高精度混凝土结构的铸造，从而降低核设施建设的成本和难度。这些模板已用于凯洛斯电力在橡树岭园区建设的赫尔墨斯低功率示范反应堆项目。

中国实践：从技术储备到工程化应用

我国对3D打印在核能领域的应用起步虽晚，但起点高、步伐快。

2016年，中国核动力研究设计院联合南方增材科技有限公司，成功打印出我国首个小型核反应堆（ACP100）压力容器试件。这标志着我国在核电压力容器材料基础与工艺研发方面取得了关键性突破，也代表着重大型装备制造技术迈出了新的一步。

2018年，中广核成功将金属3D打印制冷机端盖应用于大亚湾核电站的压缩空气系统，这是3D打印技术首次在国内商运核电站实现落地应用，标志着该技术在核电领域实现了从理论研究和技术验证向实际工程应用的重要突破。

2021年，中国核动力研究设计院再次公布了最新进展，在TCT展会上展示了一款基于3D打印技术的模块化高效换热器，专为核能领域的热交换系统设计，可显著提升热交换效率。

2023年，中国物理研究院机械制造工艺研究所提出“GAMR”微型反应堆概念，采用氦气冷却、TRISO燃料和镍基合金625，并通过3D打印制造换热器，将重量从25公斤减至2.2公斤，减重超过90%。

通过上述案例分析，我们看到3D打印技术为核能建设带来了多重优势：

复杂零部件高效制造：3D打印可实现传统工艺难以实现的复杂结构设计，提升制造灵活性。

制造周期显著缩短：打印过程自动化程度高，极大压缩了部件生产周期。

成本有效控制：避免昂贵的模具及工具投入，有效降低初始投入及生产成本。

安全性能提升：精准控制制造过程，减少人为误差，增强安全性与可靠性。

此外，3D打印在核能领域的应用正日益多元，涉及多种不同工艺路线。接下来，我们将以西屋电气目前重点研究的三种主流增材制造技术为例，进一步了解它们在不同应用场景中的特点与优势。

首先，激光粉末床熔合（LPBF）技术适用于制造结构复杂、尺寸精密的小型燃料部件、原型零件及模具，尤其在核燃料组件开发中具备显著优势。

其次，定向能量沉积（DED）技术可在现有部件表面添加诸如喷嘴、凸台、法兰等结构特征，广泛应用于焊缝修复和自动熔覆等场景，在降低成本、缩短交付周期方面表现突出。同时，该技术也可用于制造更大尺寸或结构更复杂的部件，具备良好的工程适配性。

最后，粘合剂喷射（Binder Jetting）技术以其较低的制造成本适用于更小尺寸、结构更复杂的零部件生产，相较粉末床熔合工艺在经济性方面更具竞争力。

此外，西屋公司还在持续探索摩擦搅拌焊接、超声波增材制造及金属喷涂等新型增材工艺，以拓展其在核能装备制造与维修领域的技术边界。

综上所述，3D打印技术的深入应用正逐步重塑核能建设模式。未来，随着标准化推进、材料技术突破及与数字孪生、人工智能等技术的融合，3D打印将在提升核设施建造效率、安全性与智能化水平方面发挥更大作用。