3D打印的核能“玩家”

來源：中國核動力設(shè)計(jì)研究院

“我國核能發(fā)展正處于重大歷史機(jī)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(tuán)“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(shè)計(jì)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(jìn)反應(yīng)堆研發(fā)的生動實(shí)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(shù)代表，近年來，在航空、航天、車輛、電子等領(lǐng)域都出現(xiàn)了它的身影。但對于核領(lǐng)域，3D打印卻還處于“入門階段”。

如何讓3D打印與反應(yīng)堆發(fā)生“碰撞”？如何利用3D打印全方位提升反應(yīng)堆性能，甚至產(chǎn)生一些顛覆性的設(shè)計(jì)方案或是應(yīng)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(lǐng)域應(yīng)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(xué)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(dāng)時覺得國家能源結(jié)構(gòu)正在轉(zhuǎn)型，核能作為可持續(xù)清潔能源，有著巨大的潛力和機(jī)遇。同時也是希望自己多年所學(xué)的專業(yè)知識能夠真正運(yùn)用在實(shí)際工作中�！闭劶斑x擇投身于核領(lǐng)域的初心時，陸祺這樣說，“2020年，國家‘雙碳’目標(biāo)的提出也更加堅(jiān)定了我最初的想法�！�

在正式入職前，為更好地適應(yīng)即將到來的新環(huán)境，并盡快融入團(tuán)隊(duì)，陸祺提前半年來到了核動力院，開啟了實(shí)習(xí)生涯。

“現(xiàn)在看來，那半年的實(shí)習(xí)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(xué)校里更多是專注于自己研究項(xiàng)目的細(xì)節(jié)與深度，但實(shí)際工作中，面對的是更加復(fù)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(shù)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。”陸祺說。

半年的實(shí)習(xí)期，他就像一塊海綿，不斷吸收新的知識和經(jīng)驗(yàn)，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(xué)生到科研工作者身份的轉(zhuǎn)變。


敢于嘗試，新領(lǐng)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(chǎn)生重大影響的顛覆性創(chuàng)新技術(shù)，成立了院增材制造推進(jìn)工作組，一直深耕科研技術(shù)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(tuán)隊(duì)的“初始隊(duì)員”。

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

“3D打印技術(shù)最為重要的特點(diǎn)之一是極大地降低了制造對設(shè)計(jì)的限制，釋放設(shè)計(jì)自由度，使原來無法在傳統(tǒng)工業(yè)中實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)成為可能，從而研發(fā)出性能達(dá)到跨越式提升的新產(chǎn)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(shù)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(xué)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(biāo)提供了新的技術(shù)途徑。”

但想要真正實(shí)現(xiàn)這樣的技術(shù)突破，并不容易。

對此，陸祺瞄準(zhǔn)3D打印數(shù)字化與智能化特點(diǎn)，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在核領(lǐng)域開展了“數(shù)智設(shè)計(jì)技術(shù)”攻關(guān)。

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

由于是新領(lǐng)域，團(tuán)隊(duì)幾乎每周都會聚在一起“頭腦風(fēng)暴”， 常常為了一個難點(diǎn)反復(fù)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(tuán)隊(duì)搭建了以“數(shù)字建模、優(yōu)化驅(qū)動、智能加速”為核心的“數(shù)智設(shè)計(jì)技術(shù)”，從特征參數(shù)、形狀變量、拓?fù)潢P(guān)系三個層級支撐反應(yīng)堆“數(shù)智設(shè)計(jì)”的實(shí)現(xiàn)。

“在概念階段，通過拓?fù)鋬?yōu)化獲得滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的基本構(gòu)型；在初設(shè)階段，以拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果為依據(jù)，通過形狀優(yōu)化改進(jìn)基本構(gòu)型；在詳設(shè)階段，利用參數(shù)優(yōu)化對細(xì)節(jié)特征進(jìn)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?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)堆芯功率分布與流量分配精準(zhǔn)匹配�！� 這些成績背后，承載著的正是陸祺和團(tuán)隊(duì)成員無數(shù)次迎難而上的決心和對新領(lǐng)域、新技術(shù)的執(zhí)著追求。

持之以恒，做敢于“冒險(xiǎn)”的人
從一名初出茅廬的新手，到如今獨(dú)當(dāng)一面的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人，在多年的學(xué)習(xí)工作中，陸祺始終保持著對技術(shù)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(qū)使他在科研的道路上不斷前行，成為勇于“冒險(xiǎn)”的先行者。

除了在3D打印領(lǐng)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(yīng)堆計(jì)算流體力學(xué)應(yīng)用、熱工水力軟件研制、堆芯強(qiáng)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(xiàng)國家級與省部級基金，入選了集團(tuán)青年英才與院突出貢獻(xiàn)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(shù)而言，絕不是短時間就能收獲結(jié)果的，我們要長遠(yuǎn)的看待它的發(fā)展，并堅(jiān)持走下去�！标戩鲌�(jiān)定地說。

對于未來，陸祺也有著清晰明確的規(guī)劃：“一方面將進(jìn)一步優(yōu)化‘?dāng)?shù)智設(shè)計(jì)技術(shù)’，探索設(shè)計(jì)數(shù)字化到智能化的轉(zhuǎn)變。另一方面將瞄準(zhǔn)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(yáng)帆但信風(fēng)。接下來，他將繼續(xù)開啟自己的“冒險(xiǎn)之旅”，做科技前沿領(lǐng)域追風(fēng)的“玩家”。