加積極推動先進制造技術(shù)在核工業(yè)的應(yīng)用

加拿大核工業(yè)組織、國際泵閥供應(yīng)商凱士比公司和加拿大核工程公司Kinectrics于2022年1月聯(lián)合發(fā)布《加拿大核工業(yè)先進制造發(fā)展路線圖》（簡稱“《路線圖》”），強調(diào)了以增材制造為代表的先進制造技術(shù)對于核工業(yè)發(fā)展的重要性，闡述了增材制造技術(shù)的市場現(xiàn)狀，包括在航空航天領(lǐng)域、醫(yī)藥領(lǐng)域的成熟應(yīng)用，并制定了將先進制造技術(shù)應(yīng)用于加拿大核工業(yè)的近期和遠期行動計劃。

1 先進制造技術(shù)將助力加拿大老舊機組改造與小堆發(fā)展

加拿大擁有19臺在運坎杜型加壓重水堆機組。這些機組在1976—1993 年之間投運，總裝機容量1362.4萬千瓦，發(fā)電量占全國總發(fā)電量的約15%。近年來，加拿大核工業(yè)呈現(xiàn)兩大發(fā)展趨勢。一是對現(xiàn)有坎杜機組進行升級改造，以延長運行壽期。布魯斯電力公司正在實施“布魯斯核電廠重大設(shè)備更換項目”，目標是在2020—2033年間完成布魯斯核電廠3 至8 號機組延壽改造。二是積極推動小堆發(fā)展。加拿大已發(fā)布小堆發(fā)展路線圖；監(jiān)管機構(gòu)已啟動對10 種小堆設(shè)計的供應(yīng)商預(yù)許可設(shè)計評審；加拿大核實驗室2019年啟動在喬克河建設(shè)5萬千瓦高溫氣冷堆MMR的環(huán)評工作，計劃2026年建成；安大略電力公司準備使用通用電氣-日立核能公司的小型沸水堆BWRX-300 在達靈頓建設(shè)一座小堆電廠，擬于2022 年底前提交建設(shè)許可證申請，目標是2028年建成首堆。

增材制造技術(shù)可在三方面助力加核工業(yè)的未來發(fā)展。

一是滿足老舊零部件的替換需求。現(xiàn)有機組延壽改造可能面臨零部件供應(yīng)問題，原因是最初的供應(yīng)商已不再存在或者不再生產(chǎn)相關(guān)零部件，且這些零部件生產(chǎn)難度較大，使用傳統(tǒng)技術(shù)恢復(fù)生產(chǎn)可能費時費力。根據(jù)現(xiàn)有零部件圖紙和3D掃描結(jié)果，并利用增材制造技術(shù)進行生產(chǎn)，可以縮短零部件的供應(yīng)時間并降低相關(guān)支出。

二是部分技術(shù)開發(fā)商已決定使用增材制造技術(shù)生產(chǎn)小堆部件。增材制造技術(shù)尤其適于幾何形狀復(fù)雜零部件的生產(chǎn)，能夠提高制造效率。

三是有助于實現(xiàn)零部件的按需制造。隨著先進制造技術(shù)在核工業(yè)中應(yīng)用的增加，未來可以創(chuàng)建零部件的數(shù)字倉庫，實現(xiàn)按需制造，不再需要像以前一樣建立實物庫存。

2 近期行動計劃

《路線圖》設(shè)定了三個近期目標：一是組建核工業(yè)先進制造聯(lián)盟，二是推動各方積極參與核工業(yè)增材制造相關(guān)活動，三是籌建加拿大核工業(yè)增材制造培訓(xùn)和測試中心。

2.1 組建核工業(yè)先進制造聯(lián)盟

2022年2月，加拿大核工業(yè)組織宣布成立加拿大核工業(yè)先進制造聯(lián)盟，成員包括核工業(yè)供應(yīng)商、電力公司、研究機構(gòu)、大學(xué)和政府部門，其宗旨是通過共享經(jīng)驗和最新技術(shù)進展、評審研發(fā)計劃、尋找合作機遇、共同應(yīng)對挑戰(zhàn)等方式推動先進制造技術(shù)在核工業(yè)領(lǐng)域的研發(fā)和應(yīng)用，在提高現(xiàn)有核電機組運行經(jīng)濟性、可靠性和安全性的同時，推進小堆技術(shù)的商業(yè)化部署。聯(lián)盟重點關(guān)注下述技術(shù)領(lǐng)域：

?與老化問題和逆向工程相關(guān)的技術(shù)；

?非破壞性評估、破壞性檢測、資質(zhì)認證和核認證；

?定向能量沉積和粉末床融合系統(tǒng)及相關(guān)工藝；

?電子束焊接，與粉末冶金/熱等靜壓有關(guān)的先進制造技術(shù)；

?高性能關(guān)鍵部件的制造方法；

?先進制造材料；

?生成式設(shè)計；

?自動化/機器人；

?物聯(lián)網(wǎng)和傳感器；

?數(shù)據(jù)分析；

?激光粉末床熔融和電子束熔化成型技術(shù)；

?適用于大型零部件、零部件覆層、功能分級材料和組件維修的定向能量沉積技術(shù)；

?數(shù)字孿生；

?難以生產(chǎn)的定制零部件的增材制造；

?對難加工材料進行高性能加工；

?使用先進數(shù)據(jù)分析來改進工藝參數(shù)選擇、基于條件的監(jiān)控以及工藝性能評價等的決策過程；

?熔模鑄造。

2.2 推動各方積極參與核工業(yè)增材制造相關(guān)活動

《路線圖》的第二項任務(wù)是加強宣傳，強化加拿大監(jiān)管機構(gòu)、小堆供應(yīng)商、核電運營商等利益相關(guān)者對增材制造技術(shù)重要性的認識，推動各方積極參與核工業(yè)先進制造技術(shù)相關(guān)活動。

加拿大相關(guān)機構(gòu)近年來已多次開展相關(guān)活動，包括加拿大核工業(yè)組織舉辦的2019年1月先進制造研討會和展覽會以及2020年10月先進制造論壇，坎杜堆業(yè)主協(xié)會和加拿大核實驗室2021 年3 月聯(lián)合舉辦的先進制造研討會等。相關(guān)機構(gòu)未來將根據(jù)《路線圖》的要求繼續(xù)開展系列宣傳活動，提升行業(yè)整體對先進制造技術(shù)重要性的認識。

2.3 建設(shè)核工業(yè)增材制造培訓(xùn)和測試中心

為加速推進先進制造技術(shù)在核工業(yè)的應(yīng)用，加拿大將建設(shè)一座核工業(yè)增材制造培訓(xùn)和測試中心。

《路線圖》的第三項任務(wù)是為建設(shè)該中心尋找合作伙伴、場址并籌措資金。為此，未來將開展系列活動，包括2022年6月麥克馬斯特大學(xué)制造研究所開幕活動及2022年第三季度滑鐵盧大學(xué)先進制造工廠工業(yè)開放日活動。

3 遠期行動計劃

根據(jù)《路線圖》，遠期行動計劃為十年期計劃，從開展增材制造試點項目、在加拿大核設(shè)施的非安全重要部位安裝增材制造零部件開始，最終目標是將增材制造技術(shù)用于制造小堆零部件，從而縮短制造時間、降低工藝的復(fù)雜性并提高經(jīng)濟性。十年期行動計劃的具體內(nèi)容如表1所示。

表1 遠期行動計劃具體內(nèi)容

4 結(jié)語

近年來，德國、法國、美國和俄羅斯等國核工業(yè)企業(yè)均在積極研發(fā)增材制造技術(shù)，并取得重要成果。德國西門子公司2017 年1 月在斯洛文尼亞克爾什科核電廠成功安裝首個直徑為108 毫米的3D打印消防泵金屬葉輪，實現(xiàn)3D打印設(shè)備在核電廠的首次應(yīng)用。法馬通公司2019年在瑞士戈斯根核電廠成功裝入3D打印燃料部件。美國西屋公司2020年在拜倫1號機組成功安裝3D打印阻力塞組件。美國布朗斯弗里2 號機組2021 年成功安裝橡樹嶺國家實驗室3D 打印的燃料組件固定件。俄羅斯國家原子能集團公司2020 年啟動俄首個使用國產(chǎn)設(shè)備建設(shè)的3D 打印技術(shù)中心。

加拿大發(fā)布核工業(yè)先進制造發(fā)展路線圖，致力于不斷提高行業(yè)對于增材制造技術(shù)重要性的認識，為該技術(shù)在加拿大核工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用制定了詳細的近期和遠期行動計劃，目標是使增材制造技術(shù)助力加拿大核工業(yè)發(fā)展。《路線圖》發(fā)布方還成立了先進制造聯(lián)盟，將積極推動增材制造技術(shù)在核工業(yè)中的應(yīng)用，尤其是在坎杜反應(yīng)堆老舊零部件替代方面和小堆零部件制造領(lǐng)域。加拿大政府及相關(guān)機構(gòu)和企業(yè)已經(jīng)認識到小堆在加拿大國內(nèi)和國際市場的巨大潛力，正在積極推動小堆技術(shù)發(fā)展，力求引領(lǐng)小堆發(fā)展，成為全球領(lǐng)導(dǎo)者。增材制造等先進制造技術(shù)將為此提供支持。