3D打印的核能“玩家”

來源：中國核動力設計研究院

“我國核能發(fā)展正處于重大歷史機遇期，增材制造在核能全生命周期都體現(xiàn)出了巨大潛在價值……”在中核集團“第四屆核工業(yè)青年科技論壇”上，來自于中國核動力研究設計院的青年科研工作者陸祺向參會人員分享了增材制造賦能先進反應堆研發(fā)的生動實踐。

增材制造這個聽上去頗為專業(yè)的詞語，有著另一個更為大眾熟知的叫法，那就是3D打印。作為第四次工業(yè)革命的核心技術代表，近年來，在航空、航天、車輛、電子等領域都出現(xiàn)了它的身影。但對于核領域，3D打印卻還處于“入門階段”。

如何讓3D打印與反應堆發(fā)生“碰撞”？如何利用3D打印全方位提升反應堆性能，甚至產生一些顛覆性的設計方案或是應用場景？

如果說3D打印是一個變革性的“新玩法”，那陸祺便是其在核能領域應用中的一名“新玩家”。

不懂就問，迅速脫離“新手村”

2017年，即將從重慶大學動力工程及工程物理專業(yè)博士畢業(yè)的陸祺，向核動力院投出了簡歷。

“當時覺得國家能源結構正在轉型，核能作為可持續(xù)清潔能源，有著巨大的潛力和機遇。同時也是希望自己多年所學的專業(yè)知識能夠真正運用在實際工作中�！闭劶斑x擇投身于核領域的初心時，陸祺這樣說，“2020年，國家‘雙碳’目標的提出也更加堅定了我最初的想法�！�

在正式入職前，為更好地適應即將到來的新環(huán)境，并盡快融入團隊，陸祺提前半年來到了核動力院，開啟了實習生涯。

“現(xiàn)在看來，那半年的實習是非常有意義的，幫我縮短了所謂的‘新手成長期’�！� 陸祺回憶道，“學校里更多是專注于自己研究項目的細節(jié)與深度，但實際工作中，面對的是更加復雜和多樣的工程問題，兩者之間在工作方式和思維模式上都存在不小差距�！�

而這其中的一個“秘訣”便是：不懂就問。“無論是技術難題還是工作流程上的疑惑，對于不懂的問題，我會主動去找老師�！标戩髡f。

半年的實習期，他就像一塊海綿，不斷吸收新的知識和經(jīng)驗，也正是憑借著這樣一種積極主動的態(tài)度和不斷探索的精神，讓他迅速融入了核動力院的工作氛圍，完成了從學生到科研工作者身份的轉變。


敢于嘗試，新領域里的“新玩家”
2020年，恰逢核動力院“第四次創(chuàng)業(yè)”起航，院將增材制造列為對核能產生重大影響的顛覆性創(chuàng)新技術，成立了院增材制造推進工作組，一直深耕科研技術一線的陸祺做了一次新的嘗試，成為了核動力院增材制造團隊的“初始隊員”。

“雖然3D打印在工業(yè)領域已有不少應用，但是在核能領域，真正可直接借鑒的經(jīng)驗非常少，大家都在‘摸石頭過河’�！标戩髡f。這個全新的技術領域，既給他帶來了一定的挑戰(zhàn)，同時也讓他對新技術的發(fā)展充滿了期待。

“3D打印技術最為重要的特點之一是極大地降低了制造對設計的限制，釋放設計自由度，使原來無法在傳統(tǒng)工業(yè)中實現(xiàn)的創(chuàng)新設計成為可能，從而研發(fā)出性能達到跨越式提升的新產品。”陸祺做了一個通俗易懂的比喻，“比如我們的堆芯，在傳統(tǒng)制造技術下，它可能只能是方形、圓形等常規(guī)可制造的形狀，物理、熱工、力學等性能裕量并沒有得到充分釋放，但3D打印就可以突破這樣的限制，比如花瓣形、蜂巢形甚至更加難以想象的形狀，為提升性能指標提供了新的技術途徑。”

但想要真正實現(xiàn)這樣的技術突破，并不容易。

對此，陸祺瞄準3D打印數(shù)字化與智能化特點，帶領團隊在核領域開展了“數(shù)智設計技術”攻關。

“長期以來反應堆研發(fā)主要依賴經(jīng)驗性設計，我們首先想到的就是要打破‘制造約束設計’，建立正向設計方法。但這之前沒有人做過。”陸祺說，“受工業(yè)設計學科啟發(fā)，我們通過借鑒生成式設計方法，初步搭建了反應堆數(shù)智設計程序框架�！�

由于是新領域，團隊幾乎每周都會聚在一起“頭腦風暴”， 常常為了一個難點反復討論、分析。雖然失敗是常有的事，但大家不曾因“過程的曲折”而輕言放棄。經(jīng)過近三年的努力，陸祺及其團隊搭建了以“數(shù)字建模、優(yōu)化驅動、智能加速”為核心的“數(shù)智設計技術”，從特征參數(shù)、形狀變量、拓撲關系三個層級支撐反應堆“數(shù)智設計”的實現(xiàn)。

“在概念階段，通過拓撲優(yōu)化獲得滿足設計目標的基本構型；在初設階段，以拓撲優(yōu)化結果為依據(jù)，通過形狀優(yōu)化改進基本構型；在詳設階段，利用參數(shù)優(yōu)化對細節(jié)特征進行打磨。” 陸祺介紹說�！疤貏e值得一提的是，我們首次建立了全堆流體拓撲優(yōu)化技術，實現(xiàn)堆芯功率分布與流量分配精準匹配。” 這些成績背后，承載著的正是陸祺和團隊成員無數(shù)次迎難而上的決心和對新領域、新技術的執(zhí)著追求。

持之以恒，做敢于“冒險”的人
從一名初出茅廬的新手，到如今獨當一面的團隊負責人，在多年的學習工作中，陸祺始終保持著對技術創(chuàng)新的熱情，并以持之以恒的精神面對所遇到的每一個挑戰(zhàn)。這種精神驅使他在科研的道路上不斷前行，成為勇于“冒險”的先行者。

除了在3D打印領域的探索，陸祺還深度參與了華龍一號與自主化燃料研發(fā)，在反應堆計算流體力學應用、熱工水力軟件研制、堆芯強化傳熱研究等方面也做出了出色成績。

鍥而不舍，金石可鏤。他先后發(fā)表了數(shù)十篇SCI論文，主持了多項國家級與省部級基金，入選了集團青年英才與院突出貢獻人才。面對這些，陸祺博士卻始終保持謙遜。

科研之路是漫長而充滿未知挑戰(zhàn)的，但時間會給予我們答案。“對于新技術而言，絕不是短時間就能收獲結果的，我們要長遠的看待它的發(fā)展，并堅持走下去�！标戩鲌远ǖ卣f。

對于未來，陸祺也有著清晰明確的規(guī)劃：“一方面將進一步優(yōu)化‘數(shù)智設計技術’，探索設計數(shù)字化到智能化的轉變。另一方面將瞄準創(chuàng)新型微堆整體圖像研究，探索微堆研發(fā)新范式�！�

浩渺行無極，揚帆但信風。接下來，他將繼續(xù)開啟自己的“冒險之旅”，做科技前沿領域追風的“玩家”。