MDF部署大型3D打印复合材料模板，用于核电站基础设施建设

2025年7月25日，南极熊获悉，橡树岭国家实验室制造示范设施(MDF) 与反应堆开发商凯洛斯电力公司 (Kairos Power)和巴纳德建筑公司 (BarnardConstruction ) 合作，开发并部署了大型 3D 打印聚合物复合材料模具，用于在赫尔墨斯低功率示范反应堆 (Hermes Low-Power Demonstration Reactor)铸造高精度混凝土结构。这些模板采用碳纤维增强 ABS 制造，目前正在凯洛斯电力公司位于田纳西州的橡树岭园区使用。每个模块尺寸约为10 x 10 英尺，堆叠三个单元高，形成一个柱子。

打印的模具已用于Janus屏蔽演示，并作为Hermes生物屏蔽系统中即将实施的模板的雏形。在7月22日至23日于诺克斯维尔会议中心举行的东田纳西州经济委员会核能机遇研讨会上，展示了一个柱状模板的一部分。与传统的钢或木模板相比，这种复合模具能够实现复杂混凝土构件的现场浇铸制造，且耗时显著缩短。

MDF主任瑞安·德霍夫表示：“我们正在证明，核电建设的未来不必像过去那样。我们将国家实验室的能力与MDF雄心勃勃的宏大计划——将大胆的想法转化为切实可行的解决方案——相结合，以加速新型商业核能的发展。”

△巴纳德建筑公司的工人将混凝土浇注到碳纤维增强ABS模板中，制成其中一根现浇的Janus柱。图片来自Kairos Power。

MDF此前曾领导过多个领域的增材制造项目，包括3D打印汽车和房屋的开发以及实时零件鉴定工具。目前的工作将这些原则应用于核基础设施。KairosPower的反应堆开发模式强调快速学习周期和早期验证。Kairos Power联合创始人兼首席技术官Edward Blandford表示，此次合作源于一位商业伙伴的建议：“我们很少得到业界的建议，要求国家实验室介入，因为他们的行动非常迅速。”

布兰福德解释说，使用原型模具使团队能够改进技术并降低风险。“这个项目完全符合我们的迭代开发方法，”他说。“通过首先构建和测试柱子的模具，我们能够改进方法，尽早与监管机构沟通，并在扩大赫尔墨斯核电站和未来核电站的施工方法规模之前降低风险。”

Janus 柱展示了 Hermes 生物盾的一个元素，这是一种厚实的混凝土屏障，用于在反应堆运行期间吸收辐射。据 ORNL 复合材料创新小组负责人 Ahmed (Arabi) Hassen 介绍，模具必须满足几何公差和结构要求，以承受浇筑混凝土的静水压力。打印工艺经过优化，以确保在应力作用下的机械弹性和尺寸稳定性。

△从上方俯瞰雅努斯门，3D打印的模型清晰可见，旁边是排列成放射状的混凝土柱。图片来自 Kairos Power。

Barnard Construction 直接与 MDF 和 Kairos Power 合作，在现场实施和调整模具，提供实时反馈并整合设计变更，以提高可施工性。行业合作伙伴Airtech、TruDesign、AdditiveEngineering Solutions和Haddy为模具制造和物流提供支持，构建了基于增材制造的核电建设全新供应链模式。

此次合作项目是SM2ART 登月计划的一部分，这是一项多年期计划，由 MDF 和缅因大学牵头，并由美国能源部先进材料和制造技术办公室资助。SM2ART计划致力于通过大规模增材制造、生物基复合材料和集成数字平台实现能源基础设施的现代化。ORNL 贡献了材料科学、超级计算和人工智能方面的专业知识，而缅因大学则支持结构系统开发和数字化制造。

在接下来的18个月里，合作项目将扩展到全面生产赫尔墨斯反应堆其他部件的模板，包括辐射屏蔽和建筑围护结构。研究团队计划整合数字孪生技术和数据驱动的质量保证，同时过渡到使用源自木材残余物的可打印生物复合材料原料，目标是利用国内采购的林业副产品，将成本降低75%。

△KairosPower 和 Barnard Construction 团队紧密合作，仅用几天时间就完成了 Janus 现浇混凝土演示。图片来自 Kairos Power。

赫尔墨斯反应堆是首个获得美国核管理委员会（NRC）建造许可的先进反应堆，反应堆位于美国核技术最集中的诺克斯维尔-橡树岭地区，是先进制造技术应用于裂变基础设施的典型案例。

“这个项目表明，我们可以利用新技术突破旧方法，降低门槛、降低风险，并加快施工进度，”哈森说道。“我们正在充分利用增材制造的优势——模块化、灵活性和快速迭代——并将其应用于核能。”

德克萨斯大学巴特尔分校负责管理美国能源部科学办公室的橡树岭国家实验室，是美国物理科学基础研究的最大支持者。