可能是美国首条3D打印核燃料产线：氮化铀的增材制造

一台价值数百万美元的化学气相渗透炉，在美弗吉尼亚州林奇堡的BWXT公司的技术中心悄然启动。

这个看起来像巨型烤箱的设备，当工程师们按下启动按钮的那一刻，可能是公开信息中第一个能够批量生产3D打印核燃料结构的案例。

AM易道的读者应注意到，#增材制造 正在让核燃料从工业时代的压制成型跨越到数字时代的精密构建。

每一颗燃料颗粒的位置都经过算法优化，每一个内部通道都为性能而生。

当微观世界遇上数字制造，氮化铀的精密舞蹈

美国能源部将TRISO燃料描述为地球上最坚固的核燃料，因为它能够承受高温、抗腐蚀并充当自己的安全壳系统。

BWXT这家公司现在能够将氮化铀TRISO燃料装入增材制造的燃料形式中，这种核燃料产品的铀密度比传统TRISO燃料压块更高。

如果把传统核燃料比作随机撒在面包里的葡萄干，虽然每颗都甜而珍贵，但分布全靠运气；

3D打印燃料就像是精密设计的蜂窝结构，确保每格都有蜜，每个燃料颗粒都被安排在经过热工计算优化的最佳位置。

核燃料制造有个不为人知的痛点：

如何在保证安全的前提下，让每一立方厘米都发挥最大价值。

传统的压制工艺就像做汤圆，虽然能成型，但内部结构基本靠运气。

而#粘结剂喷射3D打印 技术的引入，让燃料制造变成了一场微观世界的精密编排。

据公开消息，BWXT使用之前已投入使用的粘结剂喷射增材制造设备，配合计算机断层扫描仪进行无损检测，还有刚刚投产的化学气相渗透炉负责最终固化。

在BWXT早期和ORNL合作的案例中，SLM金属3D打印技术也有提及。尚不确定其是否混用两种3D打印技术。

这三台设备的组合，构成了一个完整的数字化增材制造生态。

TRISO燃料颗粒就像包裹在多层防护壳里的微小核反应堆。

每颗TRISO燃料都有碳和硅层包围的铀燃料核心，这种洋葱式的多层结构让燃料即使在极高温度下也能保持稳定。

但这里有个行业秘密：传统制造工艺下，这些宝贵的燃料颗粒在燃料棒中的分布完全是随机的，就像往罐子里倒豆子。

现在通过增材制造，每一颗TRISO颗粒都能被精确定位，形成传统压制工艺根本做不到的优化排列。

据公开信息，BWXT能够制造各种形式的TRISO颗粒（UN或UCO，具有不同的层厚度）、传统压块或化学致密化的复杂几何形状，其中填充TRISO颗粒和相应的数字孪生，以支持燃料认证工作。

这段话信息量很大。

数字孪生在核燃料制造中的应用，可能意味着燃料颗粒及其相关结构的制造过程都有完整的数字化记录。

AM易道认为，这种可追溯性对核燃料来说至关重要，因为燃料的性能直接关系到反应堆的安全运行。

而计算机断层扫描技术的引入，让燃料的内部结构检查变得透明化。传统的核燃料制造中，内部缺陷很难被发现，而CT扫描能够在不破坏燃料的情况下进行全方位检查。

BWXT与橡树岭国家实验室合作开发的增材制造技术已经能够制造镍基超合金和难熔金属基合金的核部件。

这些材料制成的核心部件能够让先进反应堆达到2700华氏度的核心出口温度，整体工厂效率提升至约50%。

AM易道猜测，这种性能提升的背后是增材制造独有的设计自由度，传统制造技术无法创造出这些复杂的内部通道和优化的复杂几何结构。

这里面的合作框架来自于ORNL的变革挑战反应堆（TCR）项目，旨在建造一个增材制造的微反应堆，这个反应堆的核心结构本身就是3D打印出来的。

BWXT在这个项目中不仅提供燃料，还为该计划提供制造支持。更关键的是，BWXT已经完成了组件级认证，这意味着3D打印的核材料在复杂几何形状下的认证变得更加高效。

AM易道认为，这种认证突破可能比技术本身更有价值，因为它为增材制造在核工业的规模化应用扫清了监管障碍。

从实验室到战场：ARDP项目的产业化雄心

化学气相渗透炉的投产，意味着BWXT与能源部高级反应堆示范计划（ARDP）项目所需的全部设备终于到位。

这个ARDP项目不是什么学术研究，而是美国政府核能竞争的战略布局。

时间回到2020年12月，BWXT在ARDP子计划下拿到了80/20成本分摊的大单，BWXT先进核反应堆（BANR）项目。

这个BANR反应堆有个很有意思的特点：可以装在卡车上运输。

想象一下，一个核反应堆能够像集装箱一样通过铁路、船舶或卡车运到任何需要的地方，这种机动性在偏远地区和军事应用中价值巨大。

AM易道认为，可运输性正是增材制造在核能领域的另外一个杀手锏。

更有意思的是BWXT的双线作战策略。

目前的TRISO制造生产线同时为两个完全不同的客户服务：

一边为国防部战略能力办公室的Project Pele微反应堆计划生产铀氧碳化物（UCO）TRISO燃料，另一边为ARDP范围生产氮化铀TRISO燃料。

军用和民用燃料在同一条生产线上切换生产，这种灵活性在传统制造业几乎不可想象。

通常来说，军用项目通常要求更高但订单相对较小，民用市场订单大但利润率不如军用。

BWXT通过增材制造的灵活性，让一条生产线吃掉了两个市场，这种商业模式的创新可能比技术创新更有价值。

市场布局逻辑

2024年7月，BWXT宣布与怀俄明州能源管理局合作，评估TRISO燃料制造设施的潜在选址。

美怀俄明州拥有丰富的铀矿资源，而且政策环境对核能产业友好。

更重要的是，BWXT还与塔塔化学公司的子公司签署了合作协议，计划在2030年代初在怀俄明州Green River地区部署多达8个BANR反应堆。

这种垂直整合的布局展现了BWXT的雄心：从燃料制造到反应堆运营的全产业链控制。

有关人士公开表态

BWXT先进技术部门总裁Kate Kelly的表态很有深意：

我们大规模制造多种形式和形状TRISO燃料的先进能力将在使小型模块化反应堆和先进微反应堆市场蓬勃发展方面发挥重要作用。

这句话里的关键词是「多种形式和形状」，这正是增材制造相比传统制造的核心优势。

在传统制造思维里，每种不同的产品都需要不同的模具和工装，换产成本高昂。

而在3D打印的世界里，换产只需要换个数字文件，这种灵活性让小批量、定制化的核燃料制造第一次具备了商业可行性。

代理能源部长助理Mike Goff的表态透露了更深层的战略意图：

能源部对BWXT微反应堆设计和TRISO燃料制造能力的支持是我们与行业携手重新确立美国在核能领域全球领导地位的典型例子。

这句话的潜台词是，美国正在通过增材制造技术重新定义核能产业的游戏规则。

写在最后

#增材制造 不仅仅是一种生产工具，更是一种战略武器。大国竞争中，TRISO燃料的技术领先优势将直接转化为小型模块化反应堆和微反应堆市场的话语权。

从TRISO燃料的精密成型到难熔金属部件的复杂几何制造，3D打印正在核能这个最严苛的应用场景中证明自己的工业成熟度。

从美军方的Project Pele到能源部的ARDP民用项目，从陆基微反应堆到未来的太空核推进系统，BWXT的3D打印燃料技术正在构建一张覆盖军民两用、海陆空天的核能应用网络。

燃料制造源头是核能赛道的技术制高点之一，3D打印核能应用有望在大国竞争背景下全面开花。

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