爱达荷国家实验室的研究人员利用3D打印技术创造出仿生核燃料设计

爱达荷国家实验室 (INL) 的研究人员利用 3D 打印技术开发了一种新型核燃料设计，该设计模仿了被称为三重周期极小曲面 (TPMS) 的自然几何图案。这种名为“增强热交换的交织核燃料晶格 (INFLUX)”的燃料设计用类似于蝴蝶翅膀和海胆壳中发现的复杂三维晶格结构取代了传统的圆柱形燃料棒。

图片来源：INL

初步实验表明，与标准棒状燃料相比，TPMS几何形状的传​​热系数提高了三倍。爱达荷国家实验室（INL）研究员尼古拉斯·伍尔斯滕霍尔姆指出，“圆柱体实际上非常不利于传热”，并解释说，该团队的灵感来源于其他行业增材制造的应用。改进的传热性能有望提高燃料功率密度并降低工作温度。

该研究团队（包括威斯康星大学教授马克·安德森）研制出带有嵌入式温度传感器的导电聚合物复合材料晶格结构，用于测试。他们利用电流模拟核加热过程，并测量了气体和液体冷却剂的传热特性。计算机建模表明，该设计在降低燃料厚度的同时，提高了产热能力。

为了制造这种复杂的几何结构，爱达荷国家实验室（INL）开发了结合商业3D打印和热等静压成型的新型制造方法。该工艺使研究人员能够在陶瓷/金属和金属/金属材料体系中制造INFLUX结构，但目前的增材制造技术尚无法满足实际核燃料生产中严格的要求。

INFLUX设计迫使冷却剂流经研究人员所描述的“平滑迷宫”路径，从而在不显著增加水力阻力的情况下实现更好的热混合。在假想的冷却剂丧失事故中，这种连续的晶格结构有助于燃料比传统燃料棒更快地冷却，从而可能提高反应堆安全性。该设计还可能通过减少中子逃逸路径而带来中子学方面的优势。

这项技术在应用于商业反应堆之前还需要进一步研发。伍尔斯滕霍尔姆表示，团队必须确定“哪种类型的电厂会受益于这项技术”，并针对特定的反应堆设计优化水力阻力。潜在的应用包括需要高功率密度的微型反应堆，以及能够显著提高传热效率的气冷反应堆。

来源：inl.gov