随着全球能源需求不断增长以及对高效能源的迫切需求，核工业正处于技术革新的关键时期。橡树岭国家实验室（ORNL）作为推动核技术创新的重要机构，其核燃料材料团队正致力于研发和认证包括3D打印核材料在内的新型核材料。近日，该团队研究人员凯莱布·梅西接受专访，深入探讨了应用3D打印技术研发制造核组件的优势与挑战。

3D打印核材料的显著优势
梅西指出，在核能领域应用3D打印技术能大幅缩短泵壳、阀门、热交换器等复杂部件的交付周期。传统制造工艺通常需要数年时间，而增材制造仅需数月甚至数周即可完成。该技术还能通过消除模具需求和简化供应链网络，有效解决供应链问题。此外，增材制造赋予的设计自由度有望推动小型反应堆的生产，并在维护这些更精密复杂的系统方面发挥关键作用。

梅西特别强调："通过3D打印技术，我们可以简化各类反应堆复杂几何构型部件的生产，从而大幅缩短建造周期。加速制造进程将带来显著优势，尤其当我们考虑将小型模块化反应堆和微型反应堆作为人工智能数据中心的专用电源时。这些更紧凑的反应堆设计具有更复杂的几何结构，可能导致组装、维护、焊接和修复难度增加。建立经过认证的3D打印方法和材料的可靠供应链将有助于缓解这些挑战，使核能解决方案能够满足人工智能日益增长的能源需求。"

认证3D打印核材料的复杂性挑战
尽管增材制造在核组件生产中的优势明显，但梅西同时指出认证3D打印核材料面临的特殊挑战。核材料认证本身即耗时长久：材料必须经过大量实验验证，以证明其能承受各类核反应堆的辐照场和腐蚀环境。更困难的是，"研究堆的运行条件与某些先进反应堆设计的目标运行条件存在差异"，找到合适的测试环境本身就极具挑战。

与传统制造材料相比，3D打印核材料的认证复杂度更高。传统材料可通过大块材料取样测试来推定整体性能，"变量较少使测试得以简化"。但3D打印材料的性能和表现可能在单个部件内部就存在差异，这是因为凝固路径的边界条件会随部件几何形状和温度条件而变化。为此需要进行额外实验来探究大型3D打印部件内部的性能变异，梅西将其比喻为"测试大型乐高套装中的每块积木"。

"3D打印相较于传统制造的主要优势在于能实现独特构件设计，但独特形状往往更难获取测试样本，"他解释道，"认证这些复杂几何结构需要将新方法纳入现有规范和标准，允许采用独特的无损检测手段或非标准测试样本来生成数据。"

技术突破加速认证进程
值得庆幸的是，先进建模与仿真技术正在加速核材料（包括3D打印和传统材料）的测试进程。尖端建模工具能根据单向测试模拟材料变形，进而预测材料在任何方向的功能表现。人工智能技术也在优化3D打印材料的认证流程中发挥重要作用。

"我们正应用人工智能进行更智能的样品测试，"梅西举例说明，"AI模型能精准确定需要进行的测试项目及阶段，仅需少量测试条件子集就能在实验预测中保持相同误差范围。这意味着无需进行数千次高温力学测试来验证模型，更少但更精确的测试将加速新材料认证进程。"