TPMS增材制造，能否终结核燃料精密组装时代？

在核能发展的早期，工程设计深受当时制造能力的制约。1950年代的工程师们以当时的热交换器设计为蓝本，奠定了传统圆柱形燃料棒的标准形态。然而，这种几何形状存在明显的局限性：其传热效率不佳，易导致燃料中心线温度过高，不仅加速材料劣化，也带来安全隐患；同时，棒束间的规则间隙会造成中子泄漏，影响反应堆的经济性。这些由历史制造条件所决定的形态，已成为提升反应堆功率密度、安全性与经济性的关键瓶颈。

不久前，美国能源部下属核研究机构—爱达荷国家实验室（INL）的研究团队公布了一项可能突破这一数十年瓶颈的颠覆性方案，他们从自然界的数学与结构中汲取灵感，设计出了一种全新的仿生核燃料。在本期谷·前沿文章中，3D科学谷将结合INL研究人员Nicolas Woolstenhulme对这一创新的解读，为您揭示这一革命性设计如何通过三周期极小曲面（TPMS）与增材制造（3D打印）的交叉融合，重塑核燃料的未来图景。

来源：INL

自然的启示：三周期极小曲面

面对这一挑战，研究人员从自然界和数学中寻找灵感。他们关注到一种名为三周期极小曲面（TPMS）的数学现象。TPMS是一种在三维空间中周期性重复、且具有最小表面积的曲面，这种结构在自然界中广泛存在，例如蝴蝶翅膀、海胆壳和骨骼结构中。

TPMS就像三维空间中的正弦波，定义这些曲面的方程看起来像复杂的三角方程——它们定义了一个连续弯曲且重复的表面，可以形成一个晶格，它能够创建出不同的、相互交织但不混合的容积域。

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INFLUX燃料：仿生设计突破
受此启发，研究团队提出了INFLUX燃料设计。该设计用TPMS构成的复杂三维连续晶格，取代了传统的圆柱形燃料棒。这一设计迫使冷却剂在“平滑迷宫”中沿着曲折路径流动，从而实现更好的混合与传热，且不会造成过大的水力阻力实验验证：性能的显著提升

为了验证这一概念，研究团队进行了一系列开创性实验。他们利用增材制造技术，创建了嵌入温度传感器的导电聚合物复合材料模型，并通过电流模拟核燃料的产热过程，测量其在气体和液体冷却剂中的传热特性。

根据研究人员Nicolas Woolstenhulme的总结，这种几何结构确实将传热系数提高了约三倍。它直接影响了燃料棒的功率密度，从而影响了核反应堆的经济性。

计算机模拟进一步证实，增强的传热不仅能提高产能，还能降低燃料厚度和燃料本身的温度，并在假设的冷却剂丧失事故中帮助燃料更快冷却，提升安全性。同时，TPMS结构减少了堆芯中的“视线”间隙，使中子更多地与燃料相互作用，带来了潜在的中子学收益。

制造挑战与工艺创新

然而，将这一创新设计变为现实面临巨大挑战。INFLUX交织的几何结构使其无法用现有常规技术制造。结合核能领域对材料的严苛要求，利用INL的研发能力，团队将商业化的增材制造与热等静压技术相结合，成功地在陶瓷/金属和金属/金属材料体系中制造出了INFLUX结构。

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应用前景与未来方向

尽管前景广阔，但这项颠覆性设计要获得反应堆开发商和监管机构的认可，仍需大量工作，包括需要研究新型核燃料如何针对特定的电厂设计优化水力阻力，需要决定哪种电厂类型最能从中受益。

研究人员指出，微型反应堆（需要高功率密度的紧凑堆芯）或气冷反应堆可能是理想的应用对象。在此之前，TPMS结构可能率先应用于核电站的蒸汽发生器或中间热交换器等非燃料部件，作为迈向燃料最终应用的重要技术铺垫。

INFLUX燃料的研究，标志着核燃料设计思维从“可制造的设计”向“最优性能的设计”的根本性转变。它证明了通过借鉴自然界的数学法则，并依托增材制造等前沿制造技术，人类能够跳出长达数十年的传统设计思维，并跳出“燃料制备、密封包容、机械组装”的传统精密组装制造框架进行应用创新，为核能迈向更高效、更安全、更经济的未来，开辟了一条全新的仿生学路径。

TPMS+3D打印带来“散热自由”

根据3D科学谷的市场观察，TPMS结构与增材制造的结合是一种可以跨越应用维度的先进散热结构，两者的交叉融合已为高性能芯片、汽车IGBT等面临“热墙”挑战的高功率密度电子元器件等新型，提供了突破性的散热解决思路。

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这种技术组合的核心价值在于，允许工程师将理论上最优的仿生散热几何——如极大增加换热面积、高效搅动流体的三维迷宫流道——在芯片下方或散热器内部直接制造出来，实现与热源形状完美贴合的一体化“随形冷却”，实现为热流路径定制生长结构。

尽管大规模应用仍需克服成本和工艺挑战，但这项技术已指明了一条通过设计驱动来根本性提升散热极限的清晰路径，为下一代高算力芯片与电力电子设备的性能突破提供了关键的可能。

参考资料：

Futuristic nuclear fuel shape mimics nature to dramatically improve performance

▌三维科学 l 无限可能

投稿丨daisylinzhu 微信

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