加積極推動(dòng)先進(jìn)制造技術(shù)在核工業(yè)的應(yīng)用

加拿大核工業(yè)組織、國(guó)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(jìn)制造發(fā)展路線圖》（簡(jiǎn)稱“《路線圖》”），強(qiáng)調(diào)了以增材制造為代表的先進(jìn)制造技術(shù)對(duì)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(chǎng)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(jìn)制造技術(shù)應(yīng)用于加拿大核工業(yè)的近期和遠(yuǎn)期行動(dòng)計(jì)劃。

1 先進(jìn)制造技術(shù)將助力加拿大老舊機(jī)組改造與小堆發(fā)展

加拿大擁有19臺(tái)在運(yùn)坎杜型加壓重水堆機(jī)組。這些機(jī)組在1976—1993 年之間投運(yùn)，總裝機(jī)容量1362.4萬(wàn)千瓦，發(fā)電量占全國(guó)總發(fā)電量的約15%。近年來(lái)，加拿大核工業(yè)呈現(xiàn)兩大發(fā)展趨勢(shì)。一是對(duì)現(xiàn)有坎杜機(jī)組進(jìn)行升級(jí)改造，以延長(zhǎng)運(yùn)行壽期。布魯斯電力公司正在實(shí)施“布魯斯核電廠重大設(shè)備更換項(xiàng)目”，目標(biāo)是在2020—2033年間完成布魯斯核電廠3 至8 號(hào)機(jī)組延壽改造。二是積極推動(dòng)小堆發(fā)展。加拿大已發(fā)布小堆發(fā)展路線圖；監(jiān)管機(jī)構(gòu)已啟動(dòng)對(duì)10 種小堆設(shè)計(jì)的供應(yīng)商預(yù)許可設(shè)計(jì)評(píng)審；加拿大核實(shí)驗(yàn)室2019年啟動(dòng)在喬克河建設(shè)5萬(wàn)千瓦高溫氣冷堆MMR的環(huán)評(píng)工作，計(jì)劃2026年建成；安大略電力公司準(zhǔn)備使用通用電氣-日立核能公司的小型沸水堆BWRX-300 在達(dá)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(qǐng)，目標(biāo)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(lái)發(fā)展。

一是滿足老舊零部件的替換需求?，F(xiàn)有機(jī)組延壽改造可能面臨零部件供應(yīng)問(wèn)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(fèi)時(shí)費(fèi)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(jìn)行生產(chǎn)，可以縮短零部件的供應(yīng)時(shí)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(shí)現(xiàn)零部件的按需制造。隨著先進(jìn)制造技術(shù)在核工業(yè)中應(yīng)用的增加，未來(lái)可以創(chuàng)建零部件的數(shù)字倉(cāng)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)按需制造，不再需要像以前一樣建立實(shí)物庫(kù)存。

2 近期行動(dòng)計(jì)劃

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

2.1 組建核工業(yè)先進(jìn)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(jìn)制造聯(lián)盟，成員包括核工業(yè)供應(yīng)商、電力公司、研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)和政府部門，其宗旨是通過(guò)共享經(jīng)驗(yàn)和最新技術(shù)進(jìn)展、評(píng)審研發(fā)計(jì)劃、尋找合作機(jī)遇、共同應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)等方式推動(dòng)先進(jìn)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(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性的同時(shí)，推進(jìn)小堆技術(shù)的商業(yè)化部署。聯(lián)盟重點(diǎn)關(guān)注下述技術(shù)領(lǐng)域：

?與老化問(wèn)題和逆向工程相關(guān)的技術(shù)；

?非破壞性評(píng)估、破壞性檢測(cè)、資質(zhì)認(rèn)證和核認(rèn)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(jìn)制造技術(shù)；

?高性能關(guān)鍵部件的制造方法；

?先進(jìn)制造材料；

?生成式設(shè)計(jì)；

?自動(dòng)化/機(jī)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(jí)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(duì)難加工材料進(jìn)行高性能加工；

?使用先進(jìn)數(shù)據(jù)分析來(lái)改進(jìn)工藝參數(shù)選擇、基于條件的監(jiān)控以及工藝性能評(píng)價(jià)等的決策過(guò)程；

?熔模鑄造。

2.2 推動(dòng)各方積極參與核工業(yè)增材制造相關(guān)活動(dòng)

《路線圖》的第二項(xiàng)任務(wù)是加強(qiáng)宣傳，強(qiáng)化加拿大監(jiān)管機(jī)構(gòu)、小堆供應(yīng)商、核電運(yùn)營(yíng)商等利益相關(guān)者對(duì)增材制造技術(shù)重要性的認(rèn)識(shí)，推動(dòng)各方積極參與核工業(yè)先進(jìn)制造技術(shù)相關(guān)活動(dòng)。

加拿大相關(guān)機(jī)構(gòu)近年來(lái)已多次開展相關(guān)活動(dòng)，包括加拿大核工業(yè)組織舉辦的2019年1月先進(jìn)制造研討會(huì)和展覽會(huì)以及2020年10月先進(jìn)制造論壇，坎杜堆業(yè)主協(xié)會(huì)和加拿大核實(shí)驗(yàn)室2021 年3 月聯(lián)合舉辦的先進(jìn)制造研討會(huì)等。相關(guān)機(jī)構(gòu)未來(lái)將根據(jù)《路線圖》的要求繼續(xù)開展系列宣傳活動(dòng)，提升行業(yè)整體對(duì)先進(jìn)制造技術(shù)重要性的認(rèn)識(shí)。

2.3 建設(shè)核工業(yè)增材制造培訓(xùn)和測(cè)試中心

為加速推進(jìn)先進(jìn)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(cè)試中心。

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

3 遠(yuǎn)期行動(dòng)計(jì)劃

根據(jù)《路線圖》，遠(yuǎn)期行動(dòng)計(jì)劃為十年期計(jì)劃，從開展增材制造試點(diǎn)項(xiàng)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(biāo)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(shí)間、降低工藝的復(fù)雜性并提高經(jīng)濟(jì)性。十年期行動(dòng)計(jì)劃的具體內(nèi)容如表1所示。

表1 遠(yuǎn)期行動(dòng)計(jì)劃具體內(nèi)容

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，德國(guó)、法國(guó)、美國(guó)和俄羅斯等國(guó)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(guó)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(gè)直徑為108 毫米的3D打印消防泵金屬葉輪，實(shí)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(guó)西屋公司2020年在拜倫1號(hào)機(jī)組成功安裝3D打印阻力塞組件。美國(guó)布朗斯弗里2 號(hào)機(jī)組2021 年成功安裝橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室3D 打印的燃料組件固定件。俄羅斯國(guó)家原子能集團(tuán)公司2020 年啟動(dòng)俄首個(gè)使用國(guó)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(jìn)制造發(fā)展路線圖，致力于不斷提高行業(yè)對(duì)于增材制造技術(shù)重要性的認(rèn)識(shí)，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(xì)的近期和遠(yuǎn)期行動(dòng)計(jì)劃，目標(biāo)是使增材制造技術(shù)助力加拿大核工業(yè)發(fā)展?！堵肪€圖》發(fā)布方還成立了先進(jìn)制造聯(lián)盟，將積極推動(dòng)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(jī)構(gòu)和企業(yè)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到小堆在加拿大國(guó)內(nèi)和國(guó)際市場(chǎng)的巨大潛力，正在積極推動(dòng)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(jìn)制造技術(shù)將為此提供支持。