随着全球对清洁能源需求的不断增长，核能作为一种高效且低碳的能源选择，正日益受到重视。然而，核反应堆中的材料需要经受极端的高温、高压和强辐射环境考验，其安全性和性能稳定性直接关系到核能设施的运行安全和寿命。如何快速高效地生产符合核级标准的实验组件，成为核材料科学研究中的重要课题。日前，美国能源部奥克里奇国家实验室（ORNL）在高通量同位素反应堆（HFIR）中成功测试了两款采用3D打印技术制造的316H不锈钢实验胶囊，这一成果标志着增材制造在核应用领域迈出了重要的一步。增材制造，亦称为3D打印，以其灵活的设计自由度和制造速度，正逐渐改变传统核组件的制造方式。ORNL利用激光粉床熔融系统，在制造示范设施（MDF）中打印出专用于辐照实验的316H不锈钢胶囊。
316H不锈钢以其卓越的高温强度、耐腐蚀性及辐射稳定性，在核反应堆中拥有良好的表现，且具备良好的焊接性能，符合核级材料的苛刻要求。胶囊的主要作用是在辐照实验中安全密封样品，提供必要的压力和屏蔽环境，确保实验过程中的安全性和数据准确性。该项测试让这些3D打印的胶囊在HFIR中接受了为期一个月的强烈中子辐照，实验结束后胶囊完整无损，成功通过了各项严格的质检与安全认证流程。这一事实充分证明，经过精心设计与制造的3D打印核级组件不仅具备胜任核反应堆苛刻环境的能力，还能满足核安全的严格标准。该项成果对于推动核工业生产流程革新具有深远影响。传统核组件的设计和制造周期长、成本高且定制化程度有限，而通过增材制造技术，研究人员能够快速迭代复杂结构，节省生产时间和研发费用。
此外，3D打印使得材料在组织优化、性能提升方面拥有更大空间，能够针对不同核环境需求实现定制化设计和材料属性调控。奥克里奇国家实验室制造示范设施总监Ryan Dehoff表示，今后随着3D打印技术稳定性的提升，更多关键核反应堆组件将有望采用这一技术实现高效制造，从而推动核能技术进入更加安全、高效和可靠的新阶段。作为世界上中子通量最高的研究反应堆之一，HFIR为核材料及燃料的性能测试提供了极端且真实的实验条件。通过这次3D打印胶囊的成功测试，科研团队证明了增材制造不仅能应对这些挑战，还能够加快核材料研发进程，提升实验灵活性，推动核能技术快速创新发展。此外，核材料和燃料领域正面临着研发先进堆型和扩展核燃料循环的巨大使命。面对复杂多变的反应堆工况，需要不断打造更坚固、更耐用的材料体系以确保反应堆的安全稳定运行。
3D打印技术为材料科学家拓宽设计思路，带来了丰富的创新工具，有望满足这一核心需求。来自核能与燃料循环部门的Richard Howard团队强调，增材制造拓展了科研团队应对极端核环境的技术手段，有助于开发前沿实验方案，推动核燃料和材料工程迈向新高度。此次项目由美国能源部核能办公室的先进材料和制造技术项目资助，体现了国家在核材料基础研究与应用开发领域的战略投入。ORNL作为DOE直属实验室，集结了丰富的材料制造与核工程专家资源，依托其制造示范设施与高通量同位素反应堆，将先进制造技术与核材料测试工程紧密结合，为全球核工业提供参考范例和科研支撑。未来，随着3D打印工艺的不断成熟和相关检测手段的完善，更多形态多样、性能优异的核组件将通过增材制造实现工业化生产。相比传统制造工艺，增材制造不仅缩短了设计开发周期，还有助于实现复杂几何结构，降低组件重量和成本，提升核反应堆系统整体性能和安全系数。
总之，奥克里奇国家实验室此次3D打印钢制胶囊的核反应堆辐照测试，不仅彰显了先进制造技术在核能领域的突破，更为未来核材料研发和组件制造铺设了坚实基础。随着全球能源转型步伐加快，核能作为稳定、清洁能源的重要组成部分，其相关制造工艺的创新将引领核工业进入崭新的发展阶段。3D打印技术的应用渐成核能制造业重要支撑，为实现更加安全高效的核能利用贡献力量，助推核科学与技术研究迈向新高度。
