中國核動力研究院何戈寧《增材制造推動核工業(yè)領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展》

2020年11月29日上午，2020年長沙網(wǎng)絡(luò)安全·智能制造大會在湖南長沙隆重召開。在“中國（長沙）增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展與技術(shù)應(yīng)用分論壇”上，邀請了增材制造行業(yè)的院士、專家、航空航天、裝備、材料、檢測等龍頭企業(yè)的代表，共同探討增材制造技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展的前景及趨勢，為廣大應(yīng)用企業(yè)及產(chǎn)業(yè)鏈上下游單位未來的發(fā)展，提供重要的參考方向，南極熊發(fā)現(xiàn)眾多行業(yè)知名大咖蒞臨現(xiàn)場。

來自中國核動力研究院的何戈寧主任，發(fā)表了題目為《增材制造推動核工業(yè)領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展》的主題演講。            

下面是報告整理：

核能被喻為人類最有希望能夠?qū)崿F(xiàn)未來的能源之一，也是我們國家維護國家戰(zhàn)略的基石，維護大國地位的重要國防領(lǐng)域標志。

我匯報的主題是：《增材制造賦能核創(chuàng)共進》。介紹核能領(lǐng)域增材制造技術(shù)研究的現(xiàn)狀以及展望。

一、單位介紹
我來自中國核動力研究設(shè)計院，我們院是國家戰(zhàn)略高科技研究設(shè)計院，被喻為中國核動力的工程搖籃。通過三次創(chuàng)業(yè)，我們院從1965年建院，先后建成了三代國家的核動力研發(fā)平臺，為國防建設(shè)和國民經(jīng)濟建設(shè)作出了很多貢獻。

今年對于核工業(yè)是個特殊的年份。50年以前，我們國家在第一艘核潛艇陸上模式堆發(fā)出了中國核能的第一度電，我們也非常高興自主研發(fā)的第三代核電技術(shù)，華龍一號發(fā)出了第三代核電的第一度電。所以今年是個特別值得記憶的年份。在1958年的時候我們國家開始了核潛艇的項目，當(dāng)時主席發(fā)出過豪言壯語：“核潛艇，一萬年也要搞出來”。在1970年8月的時候，我們國家第一代潛艇陸上模式堆就正式建成了。

現(xiàn)在我們院已經(jīng)開發(fā)了一系列的先進的反應(yīng)堆，ACP系列，我們國家自主三代的反應(yīng)堆，中型堆、小型堆、行波堆、地下核電等等。

我們在核電領(lǐng)域的拳頭產(chǎn)品是華龍一號，已經(jīng)正式發(fā)電了，全球范圍內(nèi)唯一一個按計劃推薦，沒有拖期的三代核電技術(shù)。


二、現(xiàn)狀與痛點
我們院是比較早開始研究3D打印的，在2015年的時候已經(jīng)對ACP 100反應(yīng)堆壓力容器實現(xiàn)了3D打印制造。3D打印在核能領(lǐng)域有很多探索，2016年的時候中核建中在宜賓一個援建廠，也完成了燃料元件的打印，后續(xù)還有很多的嘗試。這些嘗試主要做的工作是用3D打印來解決快速原型的問題。沒有把設(shè)計融入進去。實際上到目前為止，核級的3D打印部件，在中國國內(nèi)沒有實現(xiàn)應(yīng)用。這當(dāng)然是需要我們進一步去推動的事情。  

為什么我們起了一個大早趕了一個晚集，2015年打印出來了，為什么沒有應(yīng)用呢？痛點問題有三個：

• DFAM缺乏：基于3D打印設(shè)計的缺乏。之前的嘗試是快速原型，有什么打什么。
• 系統(tǒng)性規(guī)劃的缺失：對于整個3D打印應(yīng)用的價值規(guī)劃產(chǎn)業(yè)規(guī)劃都是缺失的，做了一些零敲碎打的工作，很難實現(xiàn)批量化的應(yīng)用。
• 標準規(guī)劃的缺位：核能領(lǐng)域是個特殊的領(lǐng)域，核安全和傳統(tǒng)的工業(yè)安全相比，對于國家、國民經(jīng)濟的重要性是不一樣的。怎樣能夠建立一套標準規(guī)范體系，在這個標準規(guī)范體系下來推進3D打印的應(yīng)用，是需要我們重點關(guān)注的內(nèi)容。
  

我逐個給大家介紹一下。

第一，DFAM的缺乏。
以換熱器為例子，DFAM的難度在什么地方？都說3D打印釋放了設(shè)計的自由度，讓復(fù)雜的設(shè)計成為了可能。DFAM難在什么地方呢？有兩個關(guān)鍵的節(jié)點，常規(guī)設(shè)計大家都會，有設(shè)計手冊、設(shè)計方法、固定的設(shè)計套路。第一步要解決的問題如果不完全考慮制造工藝，我們的設(shè)計是什么樣子？這個是最難的，跳出所有的框架我們應(yīng)該是什么樣的設(shè)計。現(xiàn)在炒得比較熱的是正向設(shè)計，正向設(shè)計完了以后我們需要一個什么樣的功能部件，3D打印還是有一些限制的，怎么通過我們的設(shè)計把3D打印的限制考慮進去。通過這兩步走才能實現(xiàn)基于3D打印思維的設(shè)計，因為這個是非常難的。我們這兩年在這方面做了很多工作，等下給大家有一個展示。

第二，缺乏系統(tǒng)性的規(guī)劃。
現(xiàn)在也在做這樣的工作，基于3D打印的價值臺階，對3D打印價值鏈進行梳理，對整個布局進行梳理，希望有個系統(tǒng)性的，從更高的角度來看3D打印在核能的領(lǐng)域的應(yīng)用。

第三，標準。
今年的2月份國家出臺了增材的標準領(lǐng)航計劃，把核工業(yè)作為一個重點推動的特色領(lǐng)域，要建立標準，我們也希望在這方面，跟我們的栗博士、盧老師、國內(nèi)的精英團隊一起，把3D打印在國內(nèi)的標準建立起來，推進3D打印在核能領(lǐng)域的應(yīng)用。

三、國外的研究情況
看看國外在核能領(lǐng)域研究到什么程度了，這是今年最重磅的新聞，美國國家橡樹嶺國家實驗室，他們的目前的項目是轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)反應(yīng)堆TCR示范計劃，他們的目標是2023年要建造一個先進的全尺寸的，包括傳感器一體化打印的集成反應(yīng)堆裝置，可以說在核能領(lǐng)域拋下了大炸彈，很多領(lǐng)導(dǎo)開始關(guān)注，我們不能掉隊。

實際上橡樹嶺國家實驗室在核能領(lǐng)域研究遠遠不如核能領(lǐng)域的技術(shù)巨頭。美國西屋電氣是核能領(lǐng)域最大的巨頭，在2014年開始系統(tǒng)性的布局3D打印。

在DFAM方面他們也做了很多工作，今年他們有個專利已經(jīng)獲得了授權(quán)，用3D打印對這個反應(yīng)堆燃料格架進行了重新的設(shè)計，這方面我們跟盧老師團隊也在做類似的工作，也看到了前景。  

法國的法馬通在2015年開展了相關(guān)的工作，是法國核電的巨頭。這是最近的新聞，他們第一階段的輻射檢測周期試驗已經(jīng)完成了，走到了前面。

四、示范項目
我們近期開展的工作情況，先進核能發(fā)展的需求，目前海陸空天，可能都會對核能應(yīng)用有需求，對于我們裝備的高效、緊湊、小型提出了前所未有的挑戰(zhàn)。也深刻感受到了傳統(tǒng)制造業(yè)解決這些問題已經(jīng)捉襟見肘，高效、緊湊、小型也正好是3D打印的優(yōu)勢。我們需要系統(tǒng)性開展DFAM的設(shè)計，同時我們選擇了換熱設(shè)備作為代表，希望能夠以這個點來個撬動整個3D打印在核能領(lǐng)域的應(yīng)用，相關(guān)的工作跟盧秉恒院士團隊，在他們的幫助下做了很多工作。這個項目拿到了工信部一條龍的應(yīng)用示范項目。

（圖）這個是我們過程中的工藝樣件的試驗件。
（圖）這邊是我們做的換熱設(shè)備傳熱試驗的照片

我們已經(jīng)基于3D打印的思維完成了模塊化、高效換熱設(shè)備的設(shè)計。目前正在打印和試驗。與傳統(tǒng)的換熱設(shè)備相比，重量、體積、零部件數(shù)量、制造周期均減小90%以上，因為重量、體積的減少，制造成本降低50%以上。

（圖）傳熱系數(shù)可以穩(wěn)定達到1萬以上。
（圖）3D打印換熱設(shè)備與傳統(tǒng)換熱設(shè)備的比較，優(yōu)勢非常的明顯。

我們的項目叫3D打印模塊化高效換熱設(shè)備，是非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，采用的是選區(qū)熔化技術(shù)，但尺寸有限制。尺寸限制和模塊化是一對兄弟，用模塊化的理念就在現(xiàn)在可以實現(xiàn)的尺寸范圍內(nèi)來進行設(shè)計，已經(jīng)實現(xiàn)了設(shè)計的模塊化，可以搭積木式的來完成換熱器的設(shè)計，為任何一個換熱功能，可以非�？斓奶峁�換熱器的解決方案。
布置變得很簡單了，數(shù)個數(shù)，建安就像雞蛋殼一樣的，安裝非常的快。運維它非常的小，可以拆解做CT檢測、再安裝，運維也變得非常方便。

高效是剛才說到的制造效率非常高，運行效率也非常高。檢修由于引進了模塊化理念，也變得非常的簡便。設(shè)計過程中采用了數(shù)字孿生技術(shù)，把這個數(shù)字計算與試驗研究相結(jié)合，最后提供一個非�？焖俚慕鉀Q方案。

這個是我們舉了兩個例子，左手邊的模型是現(xiàn)有的工藝上的換熱器，右手邊是模塊化3D打印換熱器外形輪廓用框線圖。質(zhì)量、尺寸、零部件數(shù)量都是有非常大的提升。

目前與國內(nèi)的技術(shù)相比，跟美國做換熱器非常有名的做了比較，和他們在相同量級，看樣子我們略有優(yōu)勢。

五、3D打印應(yīng)用的展望
換熱設(shè)備講得比較多，只是我們選擇了一個翹桿，希望以這個換熱設(shè)備來撬動整個3D打印在核能領(lǐng)域的應(yīng)用。根據(jù)我們的梳理，3D打印在核能領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常的廣闊，包括用3D打印來做減隔振、高效泵閥部件的3D打印制造。對于一些結(jié)構(gòu)化的一體化設(shè)計、減重設(shè)計實現(xiàn)3D打印應(yīng)用，燃料組建一些關(guān)鍵功能部件也可以用3D打印來實現(xiàn)性能提升，包括仿生設(shè)計希望引入到核能領(lǐng)域的核能裝備，新材料的研發(fā)，3D打印對衛(wèi)生材料研發(fā)帶來了很多可能。我們也希望能夠用增材制造產(chǎn)業(yè)鏈上的各個優(yōu)秀企業(yè)，包括湖南的優(yōu)秀的云箭、華曙一起深入合作，推進3D打印在核能領(lǐng)域的應(yīng)用。

這個是今年8月份的新聞，橡樹嶺國家實驗室已經(jīng)把AI技術(shù)引入到增材制造領(lǐng)域了，他們宣傳的是叫用AI技術(shù)來保證反應(yīng)堆關(guān)鍵部件的核級質(zhì)量。目前3D打印叫智能制造，但是現(xiàn)階段目前來說實現(xiàn)了數(shù)字化制造，智能還是有欠缺的。在這一方面我們院開始著手推進這方面的工作，也希望引起大家的重視，同時也希望跟大家一起來推進，使3D打印真正的實現(xiàn)智能，把獲取的數(shù)據(jù)怎么能夠用人工智能挖掘、處理，最后反饋回我們的制造過程或者用于控制我們的質(zhì)量。

德國也在做跟橡樹嶺同樣的事情，AI技術(shù)在3D打印的應(yīng)用，下一階段是個重點方向�，F(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)了數(shù)字化制造，對于智能制造還需要去擁抱，包括數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈，下一代的數(shù)字化技術(shù)怎么跟3D打印結(jié)合起來，這是下一階段我們需要重點關(guān)注的。  


我的匯報就到這里，謝謝大家！