先进制造技术开发用于生产大型部件以增强西班牙工业部门在核聚变能源中的竞争力

《Journal of Nuclear Engineering》：Development of Advanced Manufacturing Technologies for the Production of Large Components to Enhance the Competitiveness of the Spanish Industrial Sector in Nuclear Fusion Energy

　　

核聚变作为一种可行能源的发展将需要制造能够承受极端运行条件的大型复杂部件。RODAS项目将通过开发并验证先进制造技术，特别是增材制造（Additive Manufacturing, AM）和热等静压（Hot Isostatic Pressing, HIP），来制造代表ITER（International Thermonuclear Experimental Reactor）和EU-DEMO（European Demonstration Power Plant）反应堆所需部件的演示样件来应对这一挑战。该项目将专注于生产并认证与聚变相关的材料，如EUROFER97、CuCrZr和AISI 316L（ITER级），使用适用于大规模应用的各种增材制造技术。通过西班牙公共研究机构与私营技术中心及公司之间的协调努力，RODAS将建立规范，开发混合制造路线，并实施非破坏性检测（Non-Destructive Testing, NDT）方法以确保所生产部件的完整性和性能。此外，该项目还将探索未来使用远程操作系统进行在役修复的策略。该项目将显著增强西班牙工业部门在核聚变领域的技术能力和国际竞争力。

**论文解读：基于先进制造技术的大型核聚变反应堆部件生产——RODAS项目综述**

**研究背景与问题**

核聚变能源作为未来清洁能源的重要候选，其技术可行性已通过TFTR（Tokamak Fusion Test Reactor）和JET（Joint European Torus）等实验得到验证。然而，从科学可行性迈向技术商业可行性，仍需攻克制造大型、复杂几何形状且能承受极端热负荷与中子辐照的部件这一关键挑战。ITER（International Thermonuclear Experimental Reactor）正在法国建设，旨在验证聚变技术可行性，其部件主要采用商用材料，中子辐照剂量较低（1–3 dpa）。但后续的EU-DEMO（European Demonstration Power Plant）预计运行于更高聚变功率，材料需承受高达50 dpa的中子辐照损伤，这要求开发新型抗辐照、耐高温的结构材料，例如EUROFER97（一种低活化铁素体-马氏体钢）。目前，先进制造技术（如增材制造, Additive Manufacturing, AM）虽在小尺寸部件中展现出潜力，但在规模化生产大型部件时仍面临技术瓶颈，包括材料可扩展性、多材料连接（如W-CuCrZr接头）、内部通道制造以及成本控制等问题。此外，传统制造工艺依赖多步机加工、焊接和热处理，成本高昂且耗时，且焊接过程中引入的填充材料可能影响真空室内部性能。因此，亟需开发集成化的先进制造技术，以降低制造成本、缩短周期，并提升部件质量与可靠性。西班牙的RODAS项目正是在这一背景下，由公共研究机构、技术中心及私营企业联合发起，旨在通过开发与验证先进制造技术，提升西班牙工业界在核聚变领域的竞争力。

**研究内容与结论**

该研究通过RODAS项目，系统性地开发并验证了用于制造ITER第一壁板（First Wall Panels, FWPs）和EU-DEMO增殖包层（Breeder Blanket）演示样件的先进制造技术。研究得出以下核心结论：结合增材制造（AM）与热等静压（Hot Isostatic Pressing, HIP）的混合制造路线，能够成功制造出满足聚变级材料（EUROFER97、CuCrZr、AISI 316L）要求的大型复杂部件；通过定义材料与工艺规范、实施非破坏性检测（Non-Destructive Testing, NDT）以及优化后处理工艺，可确保部件完整性；该技术路线有望显著提升西班牙工业部门在核聚变能源领域的国际竞争力。论文发表在《Journal of Nuclear Engineering》。

**主要关键技术方法**

本研究采用的主要关键技术方法包括：① 增材制造（AM）技术，具体包括ROVALMA? MAM（金属增材制造）、WAAM（线弧增材制造, Wire Arc Additive Manufacturing）和DED（定向能量沉积, Directed Energy Deposition，包括激光-粉末DED-L/P和激光-丝材DED-L/W），用于制造复杂几何形状的部件；② 热等静压（HIP）技术，用于消除增材制造部件中的缺陷、改善微观结构，并实现多材料（如W-CuCrZr）的固态扩散连接；③ 非破坏性检测（NDT）技术，包括高能X射线计算机断层扫描（CT）和射线照相，使用线性加速器（LINAC）源检测大型高密度金属部件内部缺陷、内部通道完整性及接头质量；④ 计算流体动力学（CFD）模拟与拓扑优化，用于设计原子化单元和HIP设备，以及优化部件结构以减轻重量并提高性能。材料来源包括自行生产的EUROFER97、CuCrZr和AISI 316L粉末及丝材，并探索利用机加工废料回收再制备。样本队列来源于西班牙公共研究机构（如CIEMAT）和私营企业（如ROVALMA S.A.、HIPERBARIC）的联合生产。

**研究结果**

**2. ITER第一壁板（FWPs）**
ITER第一壁板为双金属结构，由AISI 316L不锈钢、高导电高强铜合金CuCrZr及钨（W）覆层组成。通过研究，研究人员确认了采用热等静压（HIP）进行固态扩散连接是避免焊接填充材料的可行方案，并确定了HIP参数（温度、压力、时间）及表面处理（粗糙度、清洁度）对界面结合质量的关键影响。

**3. DEMO增殖包层**
针对EU-DEMO的HCPB（氦冷球床）和WCLL（水冷锂铅）概念，研究人员通过设计分析，指出U形冷却板等复杂几何结构是制造难点，并确认了增材制造技术（如ROVALMA? MAM）在制造内部冷却通道和拓扑优化方面的潜力。

**4. 聚变相关材料的先进制造**
研究人员重点发展了EUROFER97、CuCrZr和AISI 316L的增材制造工艺。通过对比不同AM技术（PBF-EB、PBF-L、WAAM、DED-L）的微观结构与力学性能，发现后续HIP处理能显著改善材料致密度和力学性能。特别指出，EUROFER97的微观结构（马氏体板条、M₂₃C₆析出物）需通过严格的热处理（正火+回火）来保证，增材制造件需通过HIP和后续热处理来匹配这种标准结构。

**5. 非破坏性检测（NDT）**
针对大型高密度金属部件（如含W和CuCrZr的FWP演示件），研究人员开发了多尺度NDT策略：采用基于线性加速器（LINAC）的高能CT（MeV级）检测宏观缺陷和内部通道；同时结合高分辨率CT和破坏性金相分析，验证检测限并关联NDT指示与实际材料状态。

**6. 方法论**
项目围绕材料、先进制造、先进测试三大支柱，分为六个互相关联的活动：规范定义、设计与建模、材料开发、先进部件制造、先进设备、验证。通过逐步升级的测试件（从试片到演示样件）验证了AM和HIP工艺参数。

**7. 结论**
研究结论部分（翻译原文）：RODAS项目将展示使用先进制造技术，特别是增材制造结合热等静压，制造ITER和DEMO等聚变反应堆所需大型几何复杂部件的技术可行性。公共研究机构、技术中心和西班牙私营企业之间的合作将能够开发战略性工业能力，以应对核聚变的技术挑战。该项目将生产并验证关键的聚变级材料，如EUROFER97、CuCrZr和AISI 316L，使其适应先进制造方法。它将定义必要的规范、验证协议和材料及生产过程的追溯性标准。将应用增材制造技术如ROVALMA? MAM、WAAM和DED来制造高度复杂的大型部件。将解决表面精加工、后处理和材料兼容性以满足聚变要求。非破坏性检测方法，如断层扫描和射线照相，将用于验证内部结构、检测缺陷，并确保具有复杂几何形状或多材料配置的部件的质量。所开发的技术还将支持聚变反应堆部件未来的维护和修复策略，包括与远程处理系统在热室中操作的兼容性。最终，该项目将通过为西班牙工业部门提供必要的技术和知识，使其能够参与未来商业反应堆开发，从而将其定位为国际聚变能源领域具有竞争力和能力的合作伙伴。