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QUESTEK设计用于核反应堆的新型3D打印合金

QUESTEK设计用于核反应堆的新型3D打印合金

美国能源部(DoE)授予计算材料设计专家QuesTek Innovations 110万美元的小型企业创新研究(SBIR)第二阶段资金。该公司将使用这笔资金来设计和鉴定新型材料和3D打印工艺,特别是用于未来核反应堆的开发。

QuesTek希望II期项目将产生一种具有成本效益的冷喷涂添加剂制造方法,并采用新型兼容的耐火合金。这些耐火合金将用作经过ASME认证的结构材料的表面层,从而为核反应堆提供提高的耐腐蚀性和温度稳定性。该公司还与3D打印材料开发商Solvus Global和Cal Poly Pomona的Vilupanur Ravi教授合作,以利用材料专业知识来支持该项目。

QuesTek首席研究员卢品博士解释说:“冷喷涂是最有效,最经济的涂层技术之一,可以大大延长下一代核反应堆的使用寿命。我们很高兴有这个机会将我们久经考验的计算材料设计方法应用于新颖的高性能冷喷涂耐火材料设计,从而提高经济可行性和未来清洁能源的性能。”

QuesTek以前已经开发了一种用于粉末床熔合的高温铝合金。图片来自QuesTek。

熔融盐反应堆

该项目涉及称为熔盐反应堆(MSR)的一类非常特殊的核裂变反应堆。 MSR的特殊之处在于它们使用熔融盐混合物作为主要燃料和/或核冷却剂。与通常在非常高的压力下运行的典型轻水反应堆不同,MSR可以在大气压下运行。这意味着它们通常更小,更便宜,更安全,因为灾难性爆炸的风险降低了。

MSR的另一个关键特征是它们不释放放射性裂变气体,因为它们自然吸收到熔融盐中。据报道,这消除了周围土地污染的风险,而这对于野生动植物和人类而言都是一个重大的安全隐患。不幸的是,用于MSR的经ASME认证的材料通常缺乏耐盐腐蚀性能,从而限制了其在长期清洁能源应用中的潜力。因此,需要耐腐蚀涂层-QuesTek面临的挑战。

橡树岭国家实验室开发的熔融盐反应堆。图片来自橡树岭国家实验室。

耐火合金和冷喷涂

作为该项目第一阶段的一部分,QuesTek已经使用其集成计算材料工程(ICME)技术设计了一套钼基合金。该材料已在冷喷涂3D打印试验中进行了测试,成功地涂覆了316不锈钢结构并提高了其耐熔盐腐蚀性能。现在,该公司将运用其技术来探索其他涉及铌,钨,钽等的难熔合金设计。Solvus Global的联合创始人兼首席执行官Aaron Birt博士补充说:“进一步开发通过冷喷涂施加的功能梯度涂料将促进关键技术的商业化。这个项目团队结合了成功地将材料解决方案从实验室转移到工业领域所需的所有关键方面,从建模到大规模生产。我们期待继续参与项目,并准备向核工业大规模提供这种材料解决方案。”

核能领域的3D打印

随着金属3D打印和材料研究的进步,增材制造正在核应用中得到越来越多的使用。今年早些时候,来自韩国原子能研究所3D的科学家打印出了一种具有足够阻力特性的大型安全阀,使其能够在核反应堆中使用。通过将3D打印和CNC加工相结合,该团队能够制造30kg的水龙头,并配备了一套复杂的内部冷却通道,使其达到了“ 1级”核安全等级。

在其他地方,普渡大学此前已从美国能源部获得了80万美元的赠款,以加快3D打印核反应堆堆芯的开发。该项目由橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)牵头,旨在利用定向能量沉积(DED)技术在2023年之前建成并推出全球首个3D打印微型反应器。

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